桩基础及其反循环成孔施工介绍

1、桩 基 础1.1 桩基的作用 桩是深入土层的柱型构件，桩与连接桩顶的承台组成深基础，简称桩基。其作用是将上部结构的荷载，通过较弱地层或水传递到深部较坚硬的、压缩性小的土层或岩层。 存一般房屋基础工程中，桩主要承受垂直的轴向荷载，但在河港、桥梁、高耸塔型建筑、近海钻采平台、支挡建筑、以及抗地震等工程中，桩还需承受来自侧向的风力、波浪力、土压力和地震力等水平荷载。 桩基通过作用于桩尖（或称桩端、桩底）的地层阻力和桩周士_层的摩阻力来支承轴向荷载，依靠桩侧土层的侧向阻力支承水平荷载。1.2 桩基发展简史 桩基的发展过程，主要可从两个方面来探讨，即桩的材料和成桩工艺方法。 最早使用的是木桩。早在新石器

2、时代，人类在湖泊和沼泽地里，栽木桩搭台作为水上住所，汉朝已用木桩修桥。到宋朝，桩基技术已比较成熟，今上海市的龙华塔和山西太原的晋祠圣母殿，都是现存的北宋年代修建的桩基建筑物。在英国也保存有一些罗马时代修建的木桩基础的桥和居民点。 19世纪20年代，开始使用铸铁板桩修筑围堰和码头。到本世纪初，美国出现了各种型式的型钢，特别是H型的钢桩受到营造商的重视。美国密西西比河上的钢桥大量采用钢桩基础，到30年代在欧洲也被广泛采用。二次大战后，随着冶炼技术的发展，各种直径的无缝钢管也被作为桩材用于基础工程。上海宝钢工程中，曾使用直径为90cm，长约60m的钢管桩基础。 本世纪初钢筋混凝土预制构件问世后，才出

3、现厂制和现场预制钢筋混凝土桩。我国50年代开始生产预制钢筋混凝土桩，多为方桩。1949年美国雷蒙德混凝土桩公司最早用离心机生产了中空预应力钢筋混凝土管桩。我围铁路系统于50年代末也生产使用预应力钢筋混凝土桩。 以混凝土或钢筋混凝土为材料的另一种类型的桩，是就地灌注混凝土桩。本世纪20到30年代已出现沉管灌注混凝土桩。上海在30年代修建的一些高层建筑的基础，就曾采用沉管灌注混凝土桩，如Franki桩和Vibro桩。到50年代，随着大型钻孔机械的发展，出现了钻孔灌注混凝土或钢筋混凝土桩。在50年代到60年代，我国的铁路和公路桥梁，曾大量采用钻孔灌注混凝土桩和挖孔灌注桩。 从成桩工艺的发展过程看，最

4、早采用的桩基施工方法是打入法。打入的工艺从手锤到自由落锤，然后发展到蒸汽驱动、柴油驱动和压缩空气为动力的各种打桩机。另外还发展了电动的震动打桩机和静力压桩机。 随着就地灌注桩，特别是钻孔灌注桩的出现，钻孔机械也不断改进。如适用于地下水位以上的长、短螺旋钻孔机，适用于不同地层的各种正、反循环钻孔机，旋转套管机等等。为提高灌注柱的承载力，出现了扩大桩端直径的各种扩孔机，出现了孔底或周边压浆的新工艺。曰前，桩基的成桩工艺还在不断发展中。1.3桩的分类 在钻孔灌注桩出现之前，由于打桩机械能力的限制，桩的直径较小，钻孔灌注桩出现后，桩的直径日益增大。从名词定义上，目前很难对桩(pile)、柱(cylin

5、der)和墩(pier)之问给出明确的界限。我国50年代修建的武汉长江大桥，已采用了 1.5m直径的管柱基础。铁路桥涵设计规范中，将1.5m直径以上的预制空心钢筋混凝土柱基称为管柱基础。但国外有些文献中提到的大直径桩，其直径达3.6m。因而，本节中对桩的分类暂不考虑尺寸的影响。 桩的分类，根据不同目的可以有不同的分类法，现扼要分述如后。 1.3.1按成桩方法对土层的影响分类 不同成桩方法对周围土层的扰动程度不同，将影响到桩承载能力的发挥和计算参数的选用。一般可分为挤土桩、部分挤土桩和非挤土桩三类。 一 、挤土桩。也称排土桩，在成桩过程中，桩周围的土被压密或挤开，因而使周围图层收到严重扰动，土的

6、原始结构遭到破坏，土的工程性质有很大改变（与原始状态比较）。这类桩主要有打入或压入的预制木桩和混凝士桩；打入的封底钢管桩和混凝土管桩；以及沉管式就地灌注桩等。 二、部分挤土桩。也称微排土桩，在成桩过程中，桩周围的土仅受到轻微的扰动，土的原状结构和工程性质的变化不明显。这类桩主要有打入小截面的I型和H 型钢桩，钢板桩；开口式的钢管桩（管内士挖除）；和螺旋桩等。 三、非挤土桩。也称非排土桩，成桩过程中，将与桩机体积相同的土挖出。因而桩周围的土较少受到扰动，但有应力松弛现象。这类桩主要有各种型式的挖孔或钻孔桩，井筒管柱和预钻孔埋桩等。 1.3.2按桩材分类根据桩的材料，可分为木桩，混凝土桩（含钢筋混

7、凝土桩和预应力钢筋混凝土桩），钢桩和组合桩。一、木桩。大然原木是最早被用作桩的材料，也有经加工后的方型等截面木桩。单根木桩的长度一般为十余米，不利于接长。二、混凝土桩。混凝土桩是当前各国使用最广泛的桩，它又可分为预制混凝土桩和就地灌注混凝土桩两大类。预制混凝土桩多为钢筋混凝土桩，工厂集中生产，也可在场地附近预制。桩断面尺寸一般为400×400或500×500mm，单节长十余米。桩基要求用长桩时，可将单节桩连接成所需桩长。为减少钢筋混凝土桩的钢筋用最和桩身的裂缝，又发展了预应力钢筋混凝上桩。我国现用的预应力钢筋混凝土桩多为圆型管桩，外径为400和500mm两种，标准节长为8和

8、lOm，法兰盘接头。 就地灌注混凝土桩可根据受力的需要，放置不同深度的钢筋笼，其直径可根据设计需要确定。 三、钢桩。如前所述，早期使用的铸铁板桩。现使用的钢桩主要为型钢和钢管两大类。型钢有各种型式的板桩，主要用作临时支挡结构或永久性的码头工程；H型和I型钢桩则亦用做支承桩。钢管桩则由各种直径和壁厚的无缝钢管制成。 四、组合桩。组合桩是指一根桩用两种材料组成。较早采用的水下桩基，泥面以下用木桩而水中部分用混凝土桩。这种组合桩上海在30年代就曾用过，现在已很少使用了。 1.3.3按桩的功能分类 桩在基础工程中，可能主要承受轴向垂直荷载，或主要承受横向水平荷载，或两种荷载都有。在商耸塔形建筑物和水中

9、的高桩承台基础中，桩还要承受风和浪所引起的往复拉和压的荷载。因此，按功能桩可分为抗轴向压的桩，抗横向压的桩和抗拔桩。 一、抗轴向压的桩。一般工业民用建筑物的桩基，在正常工作条件下（不考虑地震），主要承受从上部结构传来的垂直荷载。抗压桩进一步从桩的荷载传递机理义划分为： 1摩擦桩。外部荷载主要通过桩身侧表面与土层的摩阻力传递给周围的土层，桩尖部分承受的荷载很小，一般不超过l0%。如打在饱和软土地基和松砂地基中的桩。这类桩基的沉降较大。 2端承桩。通过软弱土层桩尖嵌入基岩的桩，外部荷载通过桩身直接传给基岩，桩的承载力主要由桩的端部提供，一般不考虑桩侧摩阻力的作用，如武汉长江大桥的管柱基础。如果桩的

10、细长比很大，由于桩本身的压缩，桩侧摩阻力也可能部分地发挥作用。 3端承摩擦桩。即在外荷作用下，桩的端阻力和侧壁摩阻力都同时发挥作用。这也是最常用的桩，如穿过软弱地层嵌入较坚实的硬粘土或砂、砾持力层的桩。这类桩的端阻和侧阻所分担荷载的比例，与桩径、桩长、软土层的厚度，以及持力层的刚度有关。 二、抗侧压的桩。港口码头工程用的板桩，基坑的支护桩等都是主要承受作用在桩上的水平荷载。桩身要承受弯矩力，其整体稳定则靠桩侧土的被动土压力，或水平支撑和拉锚来平衡。 三、抗拨桩。主要抵抗作用在桩上的拉拔荷载，如板桩墙后的锚桩。拉拔荷载依靠桩侧摩阻力承受。 显然，从桩的功能看，许多建筑物的桩要求同时承受轴向荷载和

11、水平荷载，或同时要考虑拉和压的作用。 1.3.4按成桩方法分类 成桩的方法和工艺，随科学技术和施工机械的发展，不断出现一些新的成桩方法和工艺，本节仅介绍常用的成桩方法形成的桩。 一、打入桩。将预制桩用击打或振动法打入地层至设计要求标高。打入的机械有自由落锤、蒸汽锤、柴油锤、压缩空气锤和振动锤等。遇到难于通过的较坚实地层时，可辅之以射水枪。预制桩包括木桩、混凝土桩和钢桩。二、就地灌注桩。按成孔的工艺又可分为两大类。 1沉管灌注桩。成孔方法是将钢管（钢壳）打人土层到设计标高，然后灌注混凝土。灌注混凝土过程中可逐渐将钢管拔出，或将钢管留在土层中。 2钻孔灌注桩。使用机械形成桩孔，一般没有护壁或采用泥

12、浆护壁，不扰动孔壁周闻土层。钻孔的机械有冲击钻、旋转钻、长螺旋和短螺旋等等，适用于不同的土层。在地下水位以上做灌注桩时，也可采用人工挖掘法。 为提高灌注桩的承载力，可用管内锤击法或扩孔器将桩的端部扩大，也可将桩身局部扩大，形成扩底或葫芦形桩。 三、静压桩。利用无噪音的机械将预制桩压入到设计标高。 四、螺旋桩。在木桩或混凝土桩的端部接一段螺旋钻头，藉旋转机械将桩拧入土层至设计标高。这种现已较少使用。 除上述四种桩外，近20年还出现了压力灌浆微型桩，利用压浆提高桩的承载力，已在一些桩基工程中应用。 各种成桩方法形成的桩示意于图1.3-1。1.4桩型和成桩方法的选择 1.4.1预制桩的类型、特点和适

13、用条件 预制桩包括木桩、钢筋混凝土桩、预应力钢筋混凝土桩和钢桩。木桩在主要工程中已较少使用，钢桩将在1.4.3节介绍，本节主要介绍钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土桩。 预制桩的优点主要有： 1桩的单位面积承载力较高。预制桩属挤土桩，打入地层时使松软地层挤密，从而使承载力较打桩前提高。 2桩身质量易于保证和检查。预制桩是在地面制造，故质量易于控制。 3易于在水上施工。 4桩身混凝土的密度大，抗腐蚀性能强。 5施工工效高。打入桩的施工工序较灌注桩简单得多，工效也高。 其缺点主要有： 1单价较灌注桩高。预制桩的配筋是按抵抗搬运起吊和锤击时的应力设计的，远超过正常工作荷载的要求，钢的用量大。如果要接长时，

14、接头增加了钢的用量，因而成本增高。 2预制桩一般用锤击或振动法下沉，施工噪音大，污染环境，不宜在城市使用。用静压法施工可消除噪音污染，但它要求的设备和环境条件使其应用受到限制。 3预制桩是挤土桩，群桩施工时将引起周围地面的隆起。桩间距设计不当时，锤击下沉桩的过程中，可能使相邻已就位的桩上浮。 4受起吊设备能力的限制，单节预制桩的长度不能过长，一般为十余米。长桩时需接桩。桩的接头常形成桩身的薄弱环节，接桩后如果不能保证全桩长的垂直度，则将降低桩的承载能力，甚至在打入时造成断桩。日本某些资料认为接头降低承载力，而瑞典的经验是具有接头的桩承载力和抗弯能力和单节桩一样。在瑞典打入预制桩的使用长度已超过

15、lOOm。因此关键在于制造和施工工艺质量。 5不易穿透较厚的坚硬地层。当坚硬地层下仍存在软弱层要求桩穿过时，则需辅以其它施工措施，如射水或预钻孔等。 6打人后桩长超过要求时，截桩较困难。 预应力钢筋混凝土桩与普通钢筋混凝土比较，其强度重量比大，节省钢材，减少桩身裂缝，耐久性和抗腐蚀性能增高，但制作工艺要求较复杂。我国除丰台桥梁工厂生产有厚壁预应力钢筋混凝土管桩外，宁波地区已生产外径400mm，壁厚50mm，用焊接钢板接头的薄壁预应力钢筋混凝土管桩，适用于软土地区。 预制桩可以工厂制造，也可在场地附近制造。工厂制造一般质量较易控制，节长规格化不易变更，长途运输增加成本。场地制造则节长可按地层条件

16、变动，减小运费支出。但场地制造要求一定的场地，一般情况下，其质量不像工厂大规模生产那样易于控制。 综上所述，预制混凝土桩最宜用于： 1不需考虑噪音污染和震动影响的环境。 2持力层上覆盖为松软地层，没有坚硬的夹层。 3持力层顶面起伏变化不大，桩长易于控制，减少截桩。 4水下桩基工程。 5大面积打桩工程。由于打入桩的设备和工序简单，工效高，在桩的数量多的情况下，可抵消预制桩价格较高的缺点，而取得经济效益。 1.4.2灌注桩的类型、特点和适用条件 灌注桩的类型和施工方法非常繁多，各有其特点。与预制桩相比，其共同的优点如下： 1可适用于各种地层。 2桩长可随持力层起伏而改变，不需截桩，没有接头。80年

17、代修建的济南黄河斜张桥的基础桩，即为直径1.5m，长达8288m的钻孔灌注桩。 3仅承受轴向压力时，不用配置钢筋。需配置钢筋笼时，按工作荷载要求布置，不用接头，节约了钢的用量。 4采用大直径钻孔或挖孔灌注桩时，单桩的总承载能力大。 5-般情况下，比预制桩经济。与预制桩相比，灌注桩的主要共同缺点有： 1桩的质量不易控制和保证，容易在灌注混凝土过程中，出现断桩、缩颈、露筋和泥夹层的现象。 2桩身直径变化较大，孔底沉积物不易清除干净，因而单桩的承载能力变化较大。 3大直径灌注桩做压载试验的费用昂贵。 灌注桩的主要类型和特点分述如下： 一、沉管式灌注桩。沉管式灌柱桩属于挤土桩，在沉管过程中将使周围地层

18、挤密，引起地面隆起，造成噪音和震动污染。灌注混凝土过程中将外管（钢壳）留在地层中的类型，目前很少使用，一般采用将钢管拔出的工艺。这种类型的桩，其长度一般不超过十余米，又可分以下三种类型： 1带桩靴沉管灌注桩。带桩靴即将钢管端部封闭，再打入土层。封底材料可用平钢板、预制铸铁或混凝土桩靴。封底与钢管可脱离，钢管拔出后，封底材料即留在土中。根据需要，也可以扩大端部尺寸以提高承载力。在这方面发展了一些大同小异的工艺和设备，而一些公司就赋以多种名称的桩，如Alpha桩，Vibro桩，和Simplex桩等。我国有所谓内夯式灌注桩和冲扩桩等。 2无桩靴沉管式灌注桩。显然将桩靴留在土中是不经济的。法兰克公司早

19、在30年代就提出一种无桩靴的沉管式灌注桩，即法兰克(Franki)柱，至今仍在使用。这种桩系在钢管底部先灌注高约l.Om的砾石或干硬性混凝土，形成土塞。在管内用管形芯棒夯击土塞，带动套管沉至设计标高。然后将钢管拔起约20cm，用落锤将士塞挤入周围土层形成扩大的桩端。我国浙江省使用的无桩靴夯扩灌注桩的工艺与此相似，只是采用芯棒和锤击钢管顶面使其下沉。管内夯锤较锤击顶面的噪音为小。 3薄壳沉管灌注桩。将波纹薄金属管或预制混凝土壳形管，通过内部芯棒打入地层至设计标高，然后拔出芯棒，在壳内灌注混凝土，壳体不抽出。壳体可预制成管节，随桩长需要而增减，其截面有常截面和变截面。壳体留在地层中，可保证桩身混凝

20、土的灌注质量和桩体的几何尺寸。但这类桩的直径不能过大，特别是采用金属壳体，将使造价增大。 二、钻孔灌注桩。早期发展的沉管灌注桩，由于打入和拔出套管机械的能力的限制，桩的长度和直径都有限。钻孔灌注桩则利用各种钻机成孔，然后灌注混凝土成桩，因而可形成大直径的特长桩，且没有接头。这类桩主要有下述三种类型： 1螺旋钻孔桩。利用长螺旋或短螺旋钻机成孔，不采用任何护壁措施。这种工艺基本没有振动和噪音的污染，且能在贴近已有建筑物施工。由于不采取护壁措施，仅适周于无地下水的地层，且桩长有一定限度。螺旋钻孔机一般不能穿过卵石、砾石地层。 为使长螺旋钻孔桩能用于地下水位以下的土层，发展了一种新工艺，即压浆法。长螺

21、旋钻头钻至设计标高后，将细石混凝土或砂浆通过螺旋钻头的空心轴管压入孔底，藉灌浆压力之助使钻杆提升，混凝土由下而上填满钻孔形成桩体。显然，这样形成的桩，可避免孔底沉泥，避免孔壁坍塌，较一般螺旋钻孔桩的质量为好。需要安置钢筋笼时，可在混凝土凝固前，用震动器将它压入桩体。 在无地下水，且桩尖持力层为粘性土时，可采用特制的扩孔器，将孔底扩大而形成扩底桩，使桩的承载力提高。 2挖孔灌注桩。用人力挖土形成桩孔，在向下挖进的同时，将孔壁衬砌以保证施工安全。这种方法可形成大尺寸的桩，但一般仅用于地下水位以上的地层。并应特别注意工人在挖土时的安全。 3泥浆护壁钻孔灌注桩。这类桩是在钻进过程中，用泥浆防止孔壁坍塌

22、，并藉泥浆的循环将孔内碎渣带出孔外。钻进方法有冲击和旋转两种。冲击钻进时，常用正循环法排出碎渣；旋转钻进时，则多用反循环法排渣，反循环法的清底效果较好。这种成孔工艺可穿过任何类型的地层，且不用套管因而较经济。其缺点是成孔的直径不规则，孔底易存有沉泥，影响桩的承载能力。钻孔灌注桩采用水下灌注混凝土法，工艺要求严格，易出现缩颈、断桩、露筋、离析、泥夹层等缺陷。 螺旋灌注桩和泥浆护壁灌注桩的孔底沉泥，严重影响桩尖承载力的发挥。从已建的一些公路桥、铁路桥的钻孔灌注桩的实测资料分析，桩的端部承载力发挥较少。因而采用泥浆护壁灌注桩时，必需注意清底工艺，重视桩体完整性的检测，否则易留下隐患。 1.4.3钢桩

23、的类型特点和适用条件 工程常用的钢桩有板桩、型钢桩和钢管桩三大类。 一、钢板桩。钢板桩的形式甚多，两侧带不同形状的子母接口槽。第一根板桩就位后，第二根桩则顺前一根桩的侧面槽口打人。这样，许多板桩可沿河岸或海岸纽成一个整体的板桩墙。也可将一组钢板桩形成围堰，或作为基坑开挖的临时支挡措施。钢板桩成本较高，但可多次使用，且较易打入各类地层，对地层的扰动，对临近建筑物的影响较小，因而常被用作临时工程。 二、型钢桩。最常用的型钢桩的截面形状是H型和I型。前面介绍的钢板桩仅用于承受水平推力，不能作为基础桩用。H型和I型钢则可用于承受垂直荷载或水平荷载。型钢桩贯入各类地层的能力强，且对地层的扰动小，属于部分

24、挤土桩。当打人桩的中心间距较小，为避免打桩过程引起地面隆起和侧向挤动，可采用H型钢桩代替其它排土预制桩。如前所述，30年代，许多建筑物基础采用H型钢桩，现代的工程，如哈特尔普尔(Hartlepools)核电站也曾采用H型钢桩。 H型和I型钢桩的横截面面积较小，不能提供较高的端承载力。为此，可在桩的端部附近的两个翼缘上，焊接一段短的H型钢，以扩大端部的截面积。这样，并不显著地影响其贯入能力。 H型钢桩的刚度大于一般钢板桩，但细长比较大时，仍易在打入时出现弯随现象，弯曲超过一定限度时，就不能做为基础桩使用。 三、钢管桩。与其它类型的钢桩比较，钢管桩的贯入能力，抗弯曲的刚度，单桩承载力和接长焊接等方

25、面都有明显的优越牲。日本生产的钢管桩的外直径从500mm到1016mm，壁厚919mm。 钢管桩打入地层时，其端部可敞开或封闭。端部开口时，易于打入，但端部承载力较封闭式为小。必要时钢管桩内可充填混凝土。 钢管桩造价较高，但由于它本身的优越性，已逐渐引起国内工程界的重视。 钢桩与混凝土桩比较，价格较高，抗腐蚀性能较差，须做表面防腐蚀处理。 1.4.4其它类型的桩 前面介绍的预制桩，就地灌注桩和钢桩是工程中最常用的三种桩，此外还有适用于特殊工程或地质条件下的一些特殊桩。如在多年冻土地带，为减少冻融对桩的不利影响，常预钻孔后将预制桩放入孔内，然后周围回填无粘性土。近十数年国外发展了一些微型桩，即将

26、小于250mm的钢管打入地层，通过钢管将砂浆压入地层形成微型桩。这类桩早期多用于已有建筑物的基础加固工程，现也用于新建工程。国内也已有应用。其它还有在桩端高压灌浆，以提高端承力等等。这些工艺特殊的成桩方法，使其荷载传递和沉降规律更为复杂，可变因素较多。它们的使用有赖于工程经验数据的积累。 1.4.5桩型和成桩方法的选择 桩的类型和施工方法的选择应考虑多方面的因素，其中主要的有： 1建筑物本身的要求，如荷载的形式和量级，基础的几何尺寸，对沉降的敏感性和要求以及工期的要求等等。 2工程地质和水文地质条件。如前所述，各种类型的桩有其适用的土层条件，各种成桩方法也有它的适用范围。因此，对场地的地层分布

27、，持力层的深度，不良的地质现象，地面水和地下水的流速和腐蚀性等等都应查明。 3场地的环境。如前所述，桩基施工可能带来振动和噪音的环境污染，就地灌注桩如果用泥浆护壁则有泥水排泄问题。因此应对场地周围的环境污染的限制，污水处理，施工和周围建筑物的相互影响等进行分析。 4设备、材料和运输条件。桩型和施工方法的选挥必须考虑到施工的技术力量，施工设备和材料的供应可能性。 5经济分析。满足上述条件的情况下，常常有几种桩型可供选择，最终应在经济分析的基础上选择一种合适的桩型和施工方法。2 反循环钻成孔灌注桩 2.1适用范围及原理 一、基本原理 反循环钻成孔施工法是，在桩顶处设置护筒（其直径比桩径大15%左右

28、），护筒内的水位要高出自然地下水位2m以上，以确保孔壁的任何部分均保持0.02MPa以上的静水压力保护孔壁不坍塌，因而钻挖时不用套管。钻机工作时，旋转盘带动钻杆端部的钻头钻挖孔内土。在钻进过程中，冲洗液从钻杆与孔壁间的环状间隙中流入孔底，并携带被钻挖下来的岩土钻渣，由钻杆内腔返同地面，与此同时，冲洗液又返回孔内形成循环，这种钻进方法称为反循环钻进。图2.1-1 泵吸反循环施工法反循环钻成孔施工按冲洗液（指水或泥浆）循环输送的方式、动力来源和工作原理可分为泵吸、气举和喷射等万法。 （一）泵吸反循环施工原理 由图2.1-1可以看出，方型传动杆6与其下有内腔的钻杆连接，在钻杆的端部装有特殊形状的中空

29、的反循环钻头2。钻杆放人注满冲洗液的钻孔内，通过旋转盘3的转动，带动方型传动杆和钻头进行钻挖。在真空泵10的抽吸作用下，砂石泵7及管路系统形成一定的真空度，钻杆内腔形成负压状态。孔内循环介质（被钻挖下来的岩土钻渣与冲洗液）在大气压作用下，通过钻杆流到地面上的泥浆沉淀池或贮水槽中，土、砂、砾和岩屑等便沉淀下来，冲洗液则流回孔内。 （二）气举反循环施工原理 气举反循环钻进又称为压气反循环钻进。图2.1-2 气举反循环施工示意图 由图2.1-2可以看出，在旋转接头l下接方型传动杆2，再在方型传动杆下连接钻杆3，最后在钻杆端部连接钻头5。钻杆放入注满冲洗液的钻孔内，靠旋转盘7的转动，带动方型传动杆和钻

30、头钻挖土、砂、砾和岩屑等。由钻杆下端的喷射嘴4中喷出压缩空气，与被切削下来的土砂等在钻杆内形成“视比重”比水还轻的泥砂水气混合物，由于压力差的作用，钻杆外侧的水柱压力将泥砂水气混合物与冲洗液一起压升，通过压送软管6排出至地面泥浆沉淀池或贮水槽中，土、砂、砾和岩屑等在泥浆池内沉淀，冲洗液则再流入孔内。（三）喷射反循环施工原理 喷射反循环钻进又称为射流反循环钻进。 水喷射反循环施工法是把高压水通过喷嘴射到钻杆内，利用其流速使水环流，把低位的泥砂水混合物与水一起吸上，通过钻杆流至地面处的泥浆池或贮水槽中，土、砂、砾和岩屑等便沉淀下来，水则流回孔内，见图2.1-3。图2.1-3 喷射反循环施工示意图

31、由于气举反循环是利用送入压缩空气使水循环，钻杆内水流上升速度与钻杆内外液柱的重度差有关。孔浅时供气压力不易建立，钻杆内水流上升速度低，排渣性能差，如果孔的深度小于7m，则吸升是无效的；孔深增大后，只要相应地增加供气量和供气压力，钻杆内水流就能获得理想的上升速度，孔深超过50m后即能保持较高而稳定的钻进效率（见图2.1-4曲线a）。泵吸反循环是直接利用砂石泵的抽吸作用使钻杆内的水流上升而形成反循环的。喷射反循环是利用射流泵射出的高速水流产生负压使钻杆内的水流上升而形成厦循环的。这两种方法，驱动水流上升的压力一般不大于个大气压。因此，在浅孔时效率高，孔深大于80m时效率降低较大（见图2.1-4曲线

32、b和c)。根据上述特点，为了提高钻进效率，充分利用各种反循环方式的最好工作孔段，有时可采用其中两种方式相结合的复合反循环方式。国内的钻孔灌注桩施工由于桩孔深度较浅，多采用泵吸反循环钻进成孔。图2.1-4 三种反循环施工效率比较二、优缺点（一）优点 1振动小、噪声低。 2除个别特殊情况外，只用天然泥浆即可保护孔壁。 3因钻挖钻头不必每次上下排弃钻渣，只要接长钻杆，就可以进行深层钻挖。目前最大成孔直径为4.Om，最大成孔深度为90m。 4采用特殊钻头可钻挖岩石。5反循环钻成孔采用旋转切削方式，钻挖靠钻头平稳的旋转，同时将土砂和水吸升；钻孔内的泥浆压力抵消了孔隙水压力，从而避免涌砂等现象。因此，反循

33、环钻成孔是对付砂土层最适宜的成孔方式，这样，可钻挖地下水位下厚细砂层（厚度5m以上）。6可进行水上施工。7钻挖速度较快。例如，对于普通土质、直径1m，深度3040m左右的桩，每天可完成一根。（二）缺点1很难钻挖比钻头的吸泥口径大的卵石（15cm以上）层。2土层中有较高压力的水或地下水流时，施工比较困难（针对这种情况，需加大泥浆压力方可钻进）。3如果水压头和泥水比重等管理不当，会引起坍孔。 4废泥水处理量大；钻挖出来的土砂中水分多，弃土困难。 5由于土质不同，钻挖时桩径扩大10%20%左右，混凝土的数量将随之增大。 6暂时架设的规模大。三、适用范围反循环钻进成孔适用于填土、淤泥、粘土、粉土、砂土

34、、砂砾等地层；当采用圆锥式钻头可进入软岩；当采用滚轮式（又称牙轮式）钻头可进入硬岩。 反循环钻进成孔不适用于自重湿陷性黄土层，也不宜用于无地下水的地层。 2.1.2施工机械及设备 一、反循环钻机分类 国内外常用的反循环钻机可分为：（一）泵吸反循环钴机，如德国SW型、美国RD-600型和CSD-820型、日本的S-200型和MD150型，以及我国的Q2-200型和GPS-15型等。（二）气举反循环钻机，如我国的BRM-4A型、日本的MD250型等。（三）喷射反循环钻机，如日本的MD350型和MD450型等。（四）泵吸、气举反循环钻机，如德国L系列、罗马尼亚EA系列、日本S系列等。 （五）正、反循

35、环两用钻机，如我国生产的一些钻机，见表2.1-1。（六）带抓斗的反循环钻机，如日本的RAE和RSAC型等。（七）潜水式反循环钻机，如日本的RPC型、我国的KQ系列等。（八）冲击反循环钻机，如意大利马赛伦蒂型、日本的KPC-1200型和我国的GJD-1500型等。 二、反循环钻机的规格、型号及技术性能 我国和日本的部分反循环钻机的规格、型号及技术性能见表2.1-1和表2.1-2。 三、反循环钻机的构造 反循环钻机是由钻头、加压装置、回转装置、扬水装置、接续装置和升降装置等组成。表2.1-3为各种钻头的特点和适用范围。国产转盘式循环钻机生产厂钻机型号钻孔方式钻孔直径（mm）钻孔深度(m)转盘扭矩转

36、盘转速钻杆内径加压进给驱动动质量外形尺寸(m)郑州勘机厂QJ250正、反循环250010068.612.8,21,40200自重95130003.01.62.7郑州勘机厂ZJ150-1正、反循环1500701003.5,4.9,7.2,19.622,59,86,120自重5510000郑州勘机厂红星-400正、反循环6504002.5,3.5,5.0,13.222,59,86,120自重409700XF-3正、反循环15005040.012自重407000天津探机厂SPC-300H正、反循环冲击钻进5007002003008052,78,1231181500010.92.53.6天津探机厂GJ

37、C-40HF正、反循环100015004014.020,30,471501181500010.92.53.6天津探机厂GJC-40H正、反循环冲击钻进5001500700300408098.0正40123，反32401181500010.92.53 6乾安机械厂ZWY-550泵吸反循环800501187000乾安机械厂Q2-200泵吸反循环400150020020,40,601475595006.53.010.8双城钻机厂SZ-50正、反循环6001200502817130006.73.57.4上海探机厂GPS-15泵吸反循环80015005017.713,23,4215030150004.7

38、2.28.3上海探机厂SPJT-300正、反循环50030040,70,128401100011 72.53 7无锡探机厂G-4正、反循环10005020.010,40,8020武汉桥机厂BRM-08正、反循环120040604.28.71541配重226000武汉桥机厂BRM-1正、反循环125040603.312.1952120配重229200武汉桥机厂BRM-2正、反循环150040607.028.0534156配重2813000武汉桥机厂BRM-4正、反循环30004010015.080.0635配重7532000武汉桥机厂BRM-4A气举反循环15003000408015,20,30

39、,40,55,806,9,13,17,25,35241醌重75618777.94.5133张家口探机厂GJD-1500正反循环冲击钻进1500 20001500 2000505039.26.3,14.4,30.615063205005.12.46.38注：SPC-300H、GJC-40H和GJD-1500冲击钻进的性能见表12.2-1。表2.1-1日本反循环钻机 表2.1-2性能指标日 寺 建 机加藤PS-150S-200S-300S320S400HS450S480HS500RS600RSAC150RAE150钻孔直径(m)及可钻进的土层0.471.5（一般土层）0.471.5（一般土层）0.

40、473.0（一般土层）0.63.2（一般土层）0.64.0（一般土层）1.04.5（一般土层）1.04.8（一般土层）1.25.0（一般土层）1.56.0（一般土层）0.61.5（一般土层）0.61.5（一般土层）0.61.6（硬土层）0.61.9（硬土层）1.02.2（硬土层）1.02.45（硬土层）1.22.7（硬土层）1.53.2（硬土层）0.61.5（岩层）0.61.8（岩层）1.02.0（岩层）1.02.2（岩层）1.22.3（岩层）1.52.7（岩层）钻孔深度(m)20020020070(泵吸)200(气举)70(泵吸)200(气举)100(泵吸)250(气举)100(泵吸)250

41、(气举)100(泵吸)250(气举)100(泵吸)300(气举)200200钻杆内径(mm)150150200200200250250230300150150旅转盘扭矩(kNM)9.89.8194260801001201701717旋转盘最大转速(rpm)232218152212起吊能力(kN)502004004004006006001000200010070发动机功率(kW)4l47407511075751381104448排土方式泵吸泵吸泵吸泵吸泵吸泵吸泵吸泵吸泵吸气举气举气举气举气举气举气举气举泵吸气举泵吸钻机质量(kg)140005000120001043015260239802541

42、039690298703500025000保护孔壁方法静水压静水压静水压静水压静水压静水压静水压静水压静水压静水压静水压钻头型式多瓣式翼式滚轮式多瓣式翼式滚轮式多瓣式翼式滚轮式翼式滚轮式翼式滚轮式翼式滚轮式翼式滚轮式翼式滚轮式翼式滚轮式技术协作德国赛路坎达德国赛路坎达性能指标石川岛播磨三菱重工L-2L-2特L-4L-10L-10SMD150MD250MD350MD450MC500RBB75ARBB100A钻孔直径及可钻挖土层（m）0.63.0(一般土层)0.61.5（岩层）0.63.0(一般土层)0.62.0（岩层）0.84.5(一般土层)0.83.0（岩层）7.5(一般土层)4.0（岩层）1

43、0.0(一般土层)6.0（岩层）5.0(一般土层)3.0（岩层）7.5(一般土层)4.0（岩层）10.0(一般土层)5.0（岩层）12.0(一般土层)6.0（岩层）1.05.0(一般土层)1.03.5(硬土层) 1.03.0（岩层）0.51.0（硬岩层）0.51.8（硬岩层）钻孔深度（m）350(一般土层)180（岩层）350(一般土层)180（岩层）350(一般土层)（岩层）600(一般土层)（岩层）650(一般土层)（岩层）200(一般土层)（岩层）300(一般土层)（岩层）300(一般土层)（岩层）300(一般土层)（岩层）70（泵吸）50以上（气举）100150钻杆内径（mm）1502

44、00200320330220320410460250150150旋转盘扭矩（KN.m）303060180360551753504001004050旋转盘最大转速（rpm）4040199182118109124840起吊能力（kn）24060060018001800900150027003500600350750发动机功率（kw）4545751452901101803003601105575排土方式气举加喷射气举加喷射气举加喷射气举加喷射气举加喷射泵吸气举喷射喷射泵吸泵吸泵吸泵吸泵吸泵吸泵吸泵吸气举气举气举钻机质量（kg）3300330060001600022000220068001300015

45、50039500900011000保护孔壁方法静水压静水压静水压静水压静水压静水压静水压静水压静水压静水压静水压静水压钻头型式三翼式滚轮式三翼式滚轮式三翼式滚轮式三翼式滚轮式三翼式滚轮式滚轮式耙式滚轮式耙式滚轮式耙式滚轮式耙式并用式三翼式滚轮式滚轮式技术协作德国维尔特德国维尔特德国维尔特德国维尔特德国维尔特 日本反循环钻机 续表钻头型式适用范围特点多瓣式钻头（蒜头式钻头）一般图纸（粘土、粉土、砂和砂砾层）粒径比钻杆小10mm左右的卵石层效率高、使用较多，在N值超过40以上的硬土层中钻挖时，钻头刃口会打滑，无法钻挖三翼式钻头N值小于50的一般土质（粘土、粉土、砂和砂砾层）钻头为带有平齿状硬质合金

46、的三叶片四翼式钻头硬土层，特别是坚硬的砂砾层（无侧限抗压强度小于1000kpa的硬土）钻头的刃尖钻挖部分为阶梯式圆筒形，钻挖时先钻一个小圆孔，然后成阶梯形扩大抓斗式钻头用于粒径大于150mm的砾石层圆锥形钻头无侧限抗压强度为10003000kpa的软岩（页岩、泥岩、砂岩）滚轮式钻头（牙轮式钻头）特别硬的粘土和砂砾层及无侧限抗压强度大于2000kpa的硬岩钻挖时需加压力50-200KN，需用容许荷载为400KN的旋转连接器和扭矩为30-80KN·m的旋转盘。切削刃有齿轮型、圆盘型、钮式滚动切刀型等。并用式钻头土层和岩层混合存在的地层此类钻头是在滚轮式钻头上安装耙形刀刃，无需繁琐地更换钻

47、头，进行一贯的钻挖作业扩孔钻头主用于一般土层或专用于砂砾层形成扩地桩，以提高桩端阻力2.1.3 施工工艺一、施工程序（一）设置护筒（二）安装反循环钻机。（三）钻挖。（四）第一次处理孔底虚土（沉渣）。（五）移走反循环钻机。（六）测定孔壁。（七）将钢筋笼放人孔中。（八）插入导管。（九）第二次处理孔底虚土。（十）水下灌注混凝土，拔出导管。（十一）拔出护筒。二 、施工特点（一）反循环施工法是在静水压力下进行钻挖作业的，故护筒的埋设是反循环施工作业中的关键。 护筒的直径一般比桩径大15%左右。护筒端部应打入在粘土层或粉土层中，一般不应打入在填土层或砂层或砂砾层中，以保证护筒不漏水。如确实需要将护筒端部打

48、入在填土、砂或砂砾层中时，应在护筒外侧回填粘土，分层夯实，以防漏水。（二）要使反循环施工法在无套管情况下不坍孔，必须具备以下五个条件。 1确保孔壁的任何部分的静水压力在0.02MPa以上，护筒内的水位要高出自然地下水位2m以上，见图2.1-5。图2.1-5 孔内泥浆与地下水位的关系2泥浆造壁在钻挖中，孔内泥浆一面循环，一面对孔壁形成一层泥浆膜。泥浆的作用如下：将钻孔内不同土层中的空隙渗填密实，使孔内漏水减少到最低限度；保持孔内有一定水压以稳定孔壁；延缓砂粒等悬浮状土颗粒的沉降，易于处理沉渣。3保持一定的泥浆比重在粘土和粉土层中钻挖时泥浆比重可取1.021.04。在砂和砂砾等容易坍孔的土层中挖掘

49、时，必须使泥浆比重保持在1.051.08。当泥浆比重超过1.08时，则钻挖困难，效率降低，易使泥浆泵产生堵塞或使混凝土的置换产生困难，要用水适当稀释，以调整泥浆比重。在不含粘土或粉土的纯砂层中钻挖时，还须在贮水槽和贮水池中加入粘土，并搅拌成适当比重的泥浆。造浆粘土应符合下列技术要求：胶体率不低于95%;含砂率不大于 4%；造浆率不低于0.0060.008m3kg。成孔时，由于地下水稀释等使泥浆比重减小，可添加膨润土等来增大比重。4钻挖时保持孔内的泥浆流速比较缓慢。5保持适当的钻挖速度 钻挖速度同桩径、钻深、土质、钻头的种类与钻速以及泵的扬水能力有关。在砂层中钻挖需考虑泥膜形成的所需时间；在粘性

50、土中钻挖则需考虑泥浆泵的能力并要防止泥浆浓度的增加。表2.1-5为钻挖速度与钻头转速关系酌参考表。 反循环法钻挖速度与钻头转速的参考表 表2.1-5土质钻挖速度（min/m）钻头速度（次/min）粘土3-59-12粉土4-59-12细砂4-76-8中砂5-84-6砾砂6-103-5 注：本表摘自日本基础建设协会“灌注桩施工指针”。（三）反循环钻机的主体可在与旋转盘离开30m处进行操作，这使得反循环法的应用范围更为广泛。例如，可在水上施工，也可在净空不足的地方施工。（四）钻挖的钻头不需每次上下排弃钻渣，只要在钻头上部逐节接长钻杆（每节长度一般为3m），就可以进行深层钻挖，与其它桩基施工法相比，越

51、深越有利。三、施工注意事项（一）规划布置施工现场时，应首先考虑冲洗液循环、排水、清渣系统的安设，以保证反循环作业时，冲洗液循环通畅，污水排放彻底，钻渣清除顺利。1循环池的容积应不小于桩孔实际容积的1.2倍，以便冲洗液正常循环。2沉淀池的容积一般为620 m3，桩径小于800mm时，选用6 m3；桩径小于1500mm时，选用l2 m3；桩径大于1500mm时，选用20 m3。 3现场应专设储浆池，其容积不小于桩孔实际容积的1.2倍，以免灌注混凝土时冲洗液外溢。 4循环槽（或回灌管路）的断面积应是砂石泵出水管断面积的34倍。若用回灌泵回灌，其泵的排量应大于砂石泵的排量。（二）冲洗液净化1清水钻进时，钻渣在沉淀池内通过重力沉淀后予以清除。沉淀池应交替使用，并及时清除沉渣。2泥浆钻进时，宜使用多级振动筛和旋流除砂器或其它除渣装置进行机械除砂清渣。振动筛主要清隙粒径较大的钻渣，筛板（网）规格可根据钻渣粒径的大小分级确定