反循环钻孔灌注桩施工技术在工程中的应用

反循环钻孔灌注桩施工技术在工程中的应用【摘要】通过对某高层结构基础中353根桩采用反循环钻孔灌注桩进行施工。总结了在非自重失陷性黄土地质条件下的采用反循环作业的方法对钻孔灌注桩的施工工法和作业难点。为失陷性黄土地基条件下高层建筑结构的桩基础施工提供一定的建议。

【关键词】反循环作业；钻孔灌注桩；桩基础；高层建筑

随着国家基本建设投入的增大以及高层建筑的发展，钻孔灌注桩现在被广泛应用于高层建筑、公路桥梁等桩基础的施工。冲(钻)孔灌注桩以其承载力高，沉降量小，经济，施工方便，且适用范围广，能穿越地下水位上下的各类复杂地层，形成较大的单桩承载力，适应各种地质条件和不同规模的建筑物等优点被广泛应用。但由于冲(钻)孔灌注桩是一种桩孔和桩身均不可见的桩基形式且由于目前施工单位的素质参差不齐，对施工中的关键环节控制不严，在施工中常发生桩孔倾斜、塌孔与缩径、梅花孔、钢筋笼上浮、桩底沉渣过厚或桩底混浆等等质量问题，导致质量达不到设计要求。发生质量事故后，加固处理难度大，不仅影响工程质量和工期，且处理成本较高，造成投资浪费。因此，有必要对冲(钻)孔灌注桩施工中出现的问题进行分析，探讨其成因并提出预防措施及处理方法[1-7]。

1钻孔灌注桩反循环工艺的基本原理

泵吸反循环是通过砂石泵的抽吸作用，在钻杆内腔形成负压，在孔内液柱和大气压的作用下.孔壁与环状空间的冲洗液流向孔底，将钻头切削下来的钻渣带进钻杆内腔，再经过砂石泵排至地面沉淀池内;沉淀钻渣后，冲洗液流向孔内，形成反循环。反循环与正循环的本质区别在于沉渣的冲洗、上返流速存在巨大差异，反循环冲洗液拚带钻渣后迅速进人过水断面较小的钻杆内腔，可以获得比正循环高出数十倍的上返速度[6-7]。

根据钻探水力学原理，冲洗液在钻孔内的上返速度va为钻渣颗粒悬浮速度的vs的1.2-1.5倍左右，当反循环钻进钻渣在钻杆内运动时，形态各异的钻渣群在有限的空间悬浮运动。在这种条件下采用利延哥尔公式计算颗粒悬浮的速度vs为：

（1）

其中为钻渣颗粒悬浮速度，单位m/s;为颗粒群最大粒径，m；为钻渣颗粒的密度，；为冲洗液密度，；为岩屑浓度系数，取0.9-1.1；浓度越大，越小。为岩屑颗粒系数，取1.0-1.1，当为球形颗粒时取1.0；颗粒越不规则，越大。

2工程概况

西安某高层建筑，建筑面积41539m2，高度98m，地下一层，地上25层，框架-剪力墙结构，基坑尺寸为63.5m×55.6m。地基处理采用桩基，据勘探资料，工程桩施工所遇到的土层自上向下依次为：杂填土；黄土状土；古土壤；粉质粘土；细砂；中砂；粉质粘土；中砂；粉质粘土；中砂；粉质粘土；中砂；粉质粘土组成，地貌单元属渭河ⅱ级阶地。施工场地属非自重湿陷性黄土场地。水文地质资料：实测施工场地稳定水位深度为12.8m－13.00m，相应绝对标高69.71m-369.91m。地下水属于潜水类型。地下水年变化幅度在1.5米之间。地下有4~6.5m的砂层，对处理处理地基设计院要求用反循环灌注桩。φ800直径灌注桩，设计桩长35.1m，单桩竖向极限承载力≥9600kn,总桩数为250根（其中3根φ800试桩，桩长36.1m。12根φ800锚桩，桩长36.1m）。φ600直径灌注桩，设计桩长27.1m单桩竖向极限承载力≥4600kn，总桩数为103根。桩身混凝土强度等级：φ800试桩位c45，锚桩及其余工程桩均为c40。

3钻孔灌注桩的施工技术

3.1施工前准备

3.1.1场地平整、清除杂物,回填土应夯打密实，并接通水、电源，做好三通一平的准备工作；

3.1.2设置闭合导线网并与市政高级控制点闭合。

3.1.3挖泥浆池、沉淀池、储水池、准备合格粘土或膨润土；

3.1.4埋设护筒,护筒四周应夯实,顶端高出地面30cm,底部埋深1.5-2.0m,护筒直径比桩径大20cm,上下正直,护筒中心线平面偏差小于5cm。一般用钢质护筒,钢板厚0.8-1.0cm。护筒用人工或机械方法埋设,并探明地下障碍物；

3.1.5桩架就位。机架要平直,机座垫稳,不能软硬不均,一般桩机下垫枕木。钻孔过程中机架不能移位，并不能产生不均匀沉降；

3.1.6你将指标的控制：泥浆指标：粘土层16°-17°,砂层17°-19°,含砂率不超过8%,胶体率90%以上,比重1.2-1.4左右。泥浆质量直接影响钻孔进度；

3.1.7现场开挖后，用砖砌泥浆沉淀池断面尺寸为2500mm×4000mm（宽×深）、泥浆池断面尺寸为2500mm×4000mm（宽×深）和清水池断面尺寸为2.5米×4.0米（宽×深）以及循环槽，砖砌体表面用水泥砂浆抹面，防止失水过多，引起池壁坍塌。主循环槽的断面尺寸为800mm×1000mm（宽×深），支循环槽断面尺寸为400mm×400mm.坡度不小于1/100，以满足砂石泵正常工作需要；

3.2关键施工过程及其质量控制

3.2.1钻孔施工：循环系统采用自流回灌式系统，简单而且清渣容易，循环可靠。循环路线为：泥浆池→泥浆槽→孔口→钻杆与钻孔环状空间→钻头→钻杆内孔→水龙头→砂石泵→排浆胶管→沉淀池→泥浆池

钻机移动采用吊车吊运就位，到位后用枕木垫平钻机，并用水平尺从不同四个方向测量转盘是否水平，若不水平加垫薄木板精心调平，加以固定，保证钻机正常钻进时运行平稳，不发生晃动，确保钻机的天车、转盘和桩位中心三点在一条垂直线上。钻机移位时，由有经验的操作手进行操作，并有专人统一指挥，电缆有专人照看，防止将电缆拉断造成事故。钻孔按下列要求进行操作：

（1）开孔采用人工挖孔，挖孔深度为1.5m左右，便于钻机反循环钻进。

砂石泵启动前，钻头提离孔底0.2m，孔内冲洗面与孔口平齐，砂石泵启动后，待形成正常反循环后开机轻压慢速，下放钻头到孔底，逐渐加大转速和调整钻压。

（2）钻进中认真细心观察进尺情况和砂石泵的排水出渣情况，当排量减小和出水量中含钻渣量大时，控制钻进速度，防止因循换密度大或管道堵塞而中断循环。

（3）加接钻杆时，先停钻并将钻具提离孔底0.1m维持冲洗液循环1-2分钟，以清洗孔底、钻具中的钻渣，然后停泵加接钻杆。

（4）对钻孔进程中出现塌孔的异常情况，采用停机并将钻具提离孔底，控制泵量，保持泥浆循环，吸除坍落物，保持水头压力以控制防止孔壁继续塌孔。恢复正常钻进后，控制泵的排泥量不宜过大，避免吸垮孔壁。

（5）钻孔达到设计要求孔深后，将钻具提离孔底100mm左右，保持泥浆冲洗液继续循环一定时间，当返回地面泥浆不含泥渣时，停机测量桩底标高，校正孔深，符合设计要求并现场监理及技术人员验收合格后才可提钻。

（6）提钻时要求操作平稳，防止钻头拖刮孔壁，并向孔内补浆，保持孔内水头高度，防止坍孔。

（7）随时检查管路密封，防止假循环造成烧钻事故。

（8）钻头和钻杆下孔前，要求钻机操作人员认真检查，发现有裂痕的钻杆、钻具严禁下孔内，防止钻具脱落。对钻进中发现的异常声响和蹩车情况，要求立即停机，经现场技术人员找出原因并采取措施后才同意开钻。

3.2.2清孔施工：

（1）钻孔到设计深度,施工单位提出终孔要求,需由现场监理工程师决定,并进行孔径,孔偏斜度、孔深的验收。验收方法是制造一个长度等于4-6倍桩径,直径等于孔径的钢筋笼,将钢筋笼吊放入孔,并顺利放到设计要求的孔底,说明孔径和偏斜度达到要求。孔深用测绳和钢尺丈量。钢筋笼放不到底时还需要修孔直至孔壁铅直,钢筋笼能顺利放到底为止；

（2）清孔方法是用原浆换浆法清孔,清孔后泥浆指标比重1.15-1.20之间,含砂量小于4%,粘度20-22°,孔底沉渣小于5cm。为防止孔内沉渣大于规范要求,一般用抽吵筒先将孔内泥砂打掉再换浆；

（3）清孔时应保持钻孔内泥浆面高于地下水位1.5-2.0m防止塌孔；

（4）清孔达到要求,由监理工程师再次验收孔深,泥浆和沉渣厚度。经监理工程师签证,同意隐蔽,灌注混凝土,再进行下道工序；

3.3水下混凝土施工

开始灌注前，导管下端距孔底0.5-0.6m，把隔水塞用铁丝仅仅悬挂于导管内。先灌入一定质量的水泥砂浆（配合比为水泥：水：砂=1：0.5：1.5），再灌入设计要求的混凝土，初灌后检查混凝土面高度，保证埋管深度大于1.5米。混凝土均匀连续的注入导管，严禁中途停工，满足埋管深度要求并及时测量孔内混凝土面高度，适时拆卸倒灌，导管和埋置深度控制在2-7米。灌注过程中注意观察孔口返水情况，若出现返水偏小时，应检查原因及时处理，防止堵管事故发生。若发生堵管事故，则可以采取上下活动导管方法进行处理，要控制好高度，不得使导管埋深小于2m。灌注接近桩顶时，导管内外混凝土面高差减小，混凝土面上升困难，此时应控制到管内混凝土注入量，同时加密混凝土面高度测量次数，及时掌握灌注情况，为了保证桩头强度，混凝土超过设计标高50厘米.测量混凝土时，要从桩面对称的2个和4个位置测量混凝土面，最低处为混凝土面高度。测量时要及时、准确记录孔内混凝土量，混凝土面上升高度、导管拆除长度、导管埋深及孔内导管长度等数据，作为灌注桩水下混凝土灌注施工纪录的工程资料。此外，还应注意，混凝土要连续浇注,中断时间不超过30分钟。浇灌的桩顶标高应高出设计标高0.5m以上。泵送混凝土直接输送至工作面，施工中应保证场地清洁卫生,泥浆不可到处外溢,泥渣应及时清除。

4常见质量问题及其处理措施

4.1持力层判断不准确

4.1.1引起持力层判断不准确的原因有：因持力层厚度变化较大及中风化花岗岩层埋深太深，碎块状强风化花岗岩层误判为中风化花岗岩层。

4.1.2常见的预防措施及处理方法是：①对桩基础持力层变化较大的场地，应适当加密地质勘探孔，必要时进行补充勘探；②以地质资料的的深度为基础，结合钻机的受力、主动钻杆的抖动情况和孔口模样进行综合判定；③持力层的判断必须由地勘单位人员判定。

4.2孔口高程及钻孔深度误差

4.2.1引起孔口高程及钻孔深度误差的原因有：①于地质勘探完成后场地再次回填，计算孔口高程时疏忽引起的误差；②施工场地在施工过程中废渣的堆积、场地硬化等导致地面不断升高，孔口高程发生变化所造成的误差。

4.2.2常见的预防措施及处理方法是：

①认真校核原始水准点和各孔口的绝对高程，每根桩开孔前复测一次孔口高程；②钻孔的终孔标准应以桩端进入持力层深度为准，不宜以固定孔深的方式终孔（设计定长的桩除外，如：本工程纯地下室抗拔桩）；③钻孔到达桩端持力层后应及时取样鉴定，并由地勘单位人员分入岩岩面判定、终孔岩面判定二次确认。

4.3桩孔倾斜

4.3.1引起桩孔倾斜的原因有：

①桩机架在施工中逐渐倾斜；②所用桩锤偏心过大或掉齿；③冲进过程中遇有探头石或障碍物；④桩施工现场地质岩层走向的坡度很大，或孔底土质不均匀，岩石强度不一。

4.3.2常见的预防措施及处理方法是：

①压实、平整施工场地，安装机台时应严格检查钻机的平整度和主动钻杆的垂直度，发现偏差应立即调整；②定期检查钻头、钻杆、钻杆接头，定时检查桩锤，发现问题及时维修或更换；③在软硬土层交界面或斜岩面钻进，应低速低钻进；④发生斜孔后，若斜孔较严重的可向桩孔内回填块石和粘土块，然后用低锤密冲，反复矫正。

4.4塌孔与缩径

4.4.1引起塌孔与缩径的原因有：

①地层复杂，砂层、卵石层和淤泥层的整体性较差；②钻进进尺过快；③护壁泥浆性能差，施工至夹层部位时，仍采用劣质泥浆，在冲孔桩锤的连续作用下，夹层部位的孔壁不稳定；④成孔后放置时间过长没有灌注混凝土；⑤另外，在石灰岩地区进行桩基施工时，由于石灰岩地区地下溶洞裂隙发育期连通性好，当桩孔碰到地下溶洞、溶槽时，会因泥浆漏失而使桩孔内泥浆面骤然下降，孔壁突然失去泥浆静压力的作用而向桩孔内坍塌。

4.4.2常见的预防措施及处理方法是：

①冲（钻）孔灌注桩穿过较厚的砂层、砾石层时，成孔速度应控制在2m/h以内，泥浆性能主要控制其密度为1.3~1.4g/cm3，粘度为20~30s，含砂率≤6%，若孔内自然造浆不能满足以上要求时，可采用加粘土法改善泥浆的性能，通过对泥浆的除砂处理，控制泥浆的密度和含砂率；②立即将桩锤提起，并抛填小石块和粘土块，致塌孔位置以上1~2m，并待其沉积后重新反复冲击造壁；③无特殊原因，钢筋笼安装完成，二次清孔后立即灌注混凝土。④若以上方法仍没有效果，那么，须征得设计同意采用其它有效的处理方法。

4.5钢筋笼上浮

钢筋笼上浮经常发生在冲（钻）孔桩施工的最后环节：水下混凝土的灌注过程中。

4.5.1造成钢筋笼上浮的主要原因有：

①导管底端接近钢筋笼底端时，灌注混凝土的速度太快，混凝土流出时冲击力较大，推动钢筋笼向上浮动；②埋管过深，混凝土时间过长，表层混凝土已近终凝，使混凝土与钢筋之间产生了一定的握裹力，此时若导管底端未及时提升到钢筋笼底端以上，混凝土从导管流出后向上升时，会带动钢筋笼上浮；③提管时法兰盘钩住钢筋笼。

4.5.2常见的预防措施及处理方法是：

①钢筋笼的顶端若在钢扩筒范围内，可将其焊到钢护筒上，若在钢护筒以下，则可用钢管套在钢筋上顶压；②当导管底端接近钢筋笼底端时，适当放慢灌注速度，并控制好导管的埋深，以减少混凝土的上冲力；③尽量缩短混凝土的整体灌注时间，若整体灌注时间较长