復(fù)雜地質(zhì)條件下超長大直徑灌注樁的二次清孔工藝研究與應(yīng)用

于志偉

廣東省地質(zhì)局第一地質(zhì)大隊 廣東 珠海 519000

隨著建筑工程技術(shù)不斷進步，大量新材料，新技術(shù)在施工工程中得到應(yīng)用，全國各大城市競相建設(shè)超高層建筑，特別是長江三角洲和珠江三角洲等經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，但是上述地區(qū)普遍存在大面積軟土地層，地質(zhì)條件相對復(fù)雜，對樁基礎(chǔ)的單樁承載力較高，灌注樁的樁徑、樁長相應(yīng)增大，施工難度不斷加大，特別是樁底沉渣控制難度加大。傳統(tǒng)正循環(huán)和氣舉反循環(huán)二清孔工藝清孔時間長，效果差，復(fù)雜地質(zhì)條件下成樁風(fēng)險加大。為解決超長大直徑灌注樁二次清孔的難題，結(jié)合以往類似施工經(jīng)驗及現(xiàn)場實際情況，我們對氣舉反循環(huán)工藝進行了改進，經(jīng)實踐驗證，此改進工藝清孔效率較傳統(tǒng)工藝明顯提升，灌注樁施工質(zhì)量得到了有效保障。

1 二次清孔工藝的對比分析

二次清孔是指灌注樁成孔深度已達到設(shè)計規(guī)定值（或稱終孔）、樁的鋼筋籠已經(jīng)放入成孔內(nèi)且混凝土尚未澆灌前對孔內(nèi)泥漿進行置換，將孔底固體沉渣和孔內(nèi)懸浮泥砂顆粒排出孔外。根據(jù)清孔設(shè)備和泥漿循環(huán)方向的不同一般分為正循環(huán)式清孔、泵吸反循環(huán)式清孔、氣舉反循環(huán)式清孔[1]，施工中正循環(huán)式和氣舉反循環(huán)式清孔最為常見。

1.1 正循環(huán)清孔的原理及缺點分析

正循環(huán)二次清孔是采用泥漿泵通過導(dǎo)管把泥漿注入孔底，流動的泥漿卷起樁底的固體沉渣，沉渣隨著泥漿流動上升，最終隨著泥漿一起排出孔口，從而將孔底沉渣逐漸清除干凈。如果孔底存在較多的大顆粒固體沉渣，則需要加大泥漿泵的流量和泥漿的濃度（提高泥漿的攜帶固體顆粒的能力）。假定固體沉渣顆粒為球形，其重力為G，顆粒在液體中的浮力為P，球形顆粒在液體中的沉降阻力為R。當(dāng)G＞P時，固體顆粒下降，速度逐漸增大，R值也隨之增大。當(dāng)R值達到足以使作用在固體顆粒上的三種力保持平衡時，即R=G-P時，固體顆粒將以恒速V0下降。通過推導(dǎo)可得出沉降速度（即雷廷格爾公式）為：

表1 固體顆粒直徑的大小對應(yīng)的沉降速度關(guān)系表

常用的泥漿泵有PNL立式泥漿泵和PN臥式泥漿泵兩種型號，共有1PN、2PN、3PN、4PN、6PN、2PNL、3PNL七種規(guī)格，見表2，灌注樁施工中最常用的是3PN(L)和4PN型泥漿泵。

表2 PN(L)型泥漿泵性能參數(shù)表

當(dāng)灌注樁直徑為1.8m（截面面積為2.54m2）時，如采用4PN(2)型泥漿泵（流量138m3/h）進行正循環(huán)二次清孔，則泥漿泵最大功率工作時，漿液的上返速度僅達到0.015m/s，根據(jù)雷廷格爾公式反推，則清孔泥漿密度為1.2×103kg/m3時所能攜帶的最大固體顆粒的粒徑僅為1.53×10-5m，由此可知，正循環(huán)二次清孔隨著樁徑的增大，泥漿所能攜帶的固體顆粒物的直徑變小，正循環(huán)二次清孔只能通過增加泥漿濃度來懸浮固體沉渣，從而將沉渣排出孔外，根據(jù)《建筑樁基工程技術(shù)規(guī)范》（JGJ94-2008）6.3.2的相關(guān)要求：在清孔過程中，應(yīng)不斷置換泥漿，直至灌注水下混凝土；混凝土灌注前，孔底500mm以內(nèi)的泥漿相對密度小于1.25；含砂率不得大于8%；黏度不得大于28s。綜上所述，正循環(huán)二次清孔時泥漿需要較長時間的泥漿置換（假如樁長為50m，則需要1小時完成一次泥漿置換），如果孔底沉渣較多或粒徑較大時，往往需要8～10小時（最大超過24小時）才能完成清孔，清渣效率低下，清孔質(zhì)量得不到保障，且長時間清孔對泥漿護壁泥皮進行反復(fù)沖刷，易引起塌孔。

1.2 氣舉反循環(huán)清孔的原理及缺點分析

反循環(huán)清孔通常采用兩種工藝，一種是泵吸反循環(huán)，另一種是氣舉反循環(huán)。泵吸反循環(huán)清孔工藝是通過砂石泵的抽吸作用，在導(dǎo)管內(nèi)腔形成負壓，在孔內(nèi)液柱和大氣壓的作用下，將孔底沉渣帶進導(dǎo)管內(nèi)腔，再經(jīng)過砂石泵排至地面沉淀池內(nèi)，泥漿經(jīng)過沉淀后再流入孔內(nèi)，形成反循環(huán)。氣舉反循環(huán)清孔工藝的原理是：將壓縮空氣通過安裝在導(dǎo)管內(nèi)的風(fēng)管送至導(dǎo)管內(nèi)約2/3高度位置，高壓氣體通過風(fēng)管下部的氣漿混合器與泥漿混合，在導(dǎo)管內(nèi)形成一種密度小于泥漿（約為1.1～1.3）的漿氣混合物（密度約為0.6），漿氣混合物因其比重小而上升，在導(dǎo)管內(nèi)氣漿混合器底端形成負壓，下面的泥漿在負壓的作用下上升，并在氣壓動量的聯(lián)合作用下，不斷補漿，上升至氣漿混合器的泥漿與氣體形成氣漿混合物后繼續(xù)上升，從而形成流動，因為導(dǎo)管的內(nèi)斷面面積大大小于導(dǎo)管外壁與樁壁間的環(huán)狀斷面面積，便形成了流速、流量極大的反循環(huán)，攜帶沉渣從導(dǎo)管內(nèi)返出，排出導(dǎo)管以外。為防止鉆孔中泥漿水頭過小，及時用泥漿泵將優(yōu)質(zhì)（含砂率低）泥漿補充到孔內(nèi)，從而形成循環(huán)系統(tǒng)[2]。

傳統(tǒng)的氣舉反循環(huán)二次清孔工藝可能存在因現(xiàn)場實際條件限制，孔外泥漿循環(huán)沉淀池布置條件有限，導(dǎo)致泥漿循環(huán)沉淀池過小，經(jīng)反循環(huán)抽出泥漿中的所含泥沙（沉渣）無法完全沉淀，泥沙又隨泥漿重新流入孔內(nèi)，繼續(xù)參與循環(huán)，循環(huán)泥漿含砂率偏高，大部分泥沙（沉渣）會停留在底部，泥漿攜渣能力下降，嚴(yán)重時會形成板結(jié)，二次清孔時間較長，隨著泥漿在樁孔內(nèi)反復(fù)循環(huán)，長時間沖刷護壁泥皮，地質(zhì)條件較差地方會造成塌孔。再者，傳統(tǒng)的氣舉反循環(huán)二次清孔工藝產(chǎn)生的廢棄泥漿較多，二次清孔過程中，需不斷補充優(yōu)質(zhì)泥漿，沉淀池的清掏的沉渣含水量高（呈液態(tài)），隨意排放污染環(huán)境，廢棄泥漿和清掏的沉渣處理難度較大。

圖1 氣舉反循環(huán)二次清孔工藝示意圖

2 氣舉反循環(huán)二次清孔改進工藝

為解決傳統(tǒng)的氣舉反循環(huán)二次清孔工藝實際應(yīng)用中出現(xiàn)的上述問題，需要根據(jù)現(xiàn)場實際施工經(jīng)驗，對傳統(tǒng)氣舉反循環(huán)二次清孔工藝進行改進，改進后的氣舉反循環(huán)二次清孔工藝施工要點：清孔設(shè)備安裝時，應(yīng)將堵頭板、送風(fēng)管接頭安裝緊密，確保不漏氣、管路暢通，否則會直接影響清孔效果。導(dǎo)管底部距孔底距離L4保持在0.5～1.0m，當(dāng)孔底泥漿密度、粘度較大或沉渣過厚時，可以先用測繩實測孔底沉渣厚度，循環(huán)啟動可先適當(dāng)增大L4（距離實測沉渣面0.5～1.0m），等循環(huán)順暢時再逐節(jié)接長導(dǎo)管下放至正常距離。風(fēng)管在導(dǎo)管內(nèi)下放深度L2的長度決定了風(fēng)管氣體壓力的大?。ㄔ颍翰粠夤薜目諌簷C提供的氣體壓力與外部荷載壓力相等），為保證氣體的壓力和流量，L2的長度宜控制在（L2+L3）的2/3左右，同時小于空壓機最大額定壓力水柱深度。風(fēng)管采用高壓空氣膠管，方便安拆，膠管直徑2～3cm，膠管底部安裝1m長度的氣漿混合器，氣漿混合器可以采用DN50鋼管制作，管壁圓周方向開4排圓孔，直徑8mm，每排5個，間距20cm，管底用鋼板封堵，鋼板開有4個Φ8直徑的圓孔。開啟空壓機前應(yīng)先往樁孔內(nèi)補足泥漿，清孔完成后，先關(guān)閉空壓機，再停止補漿。在清孔時，由于孔底部存在較大負壓，應(yīng)及時補漿，保持孔內(nèi)水頭高度，避免因補漿不及時導(dǎo)致坍孔。向?qū)Ч軆?nèi)送風(fēng)開始后，如果出漿口未見泥漿冒出，可采取如下措施：a.加大送風(fēng)壓力；b.將導(dǎo)管上提一定高度，并上下活動導(dǎo)管；c.停止送氣，向?qū)Ч軆?nèi)供漿，在孔口返漿時再進行送氣。空壓機的送風(fēng)量應(yīng)該逐漸增加，樁底沉渣較厚時，應(yīng)當(dāng)增加空壓機風(fēng)量，同時上下晃動導(dǎo)管，使沉渣更容易排出。必要時，可以采用榔頭敲擊導(dǎo)管，減少堵塞的可能性。用膠管將導(dǎo)管出漿口直接與泥沙分離器的進漿口連接，經(jīng)氣舉反循環(huán)抽出的泥漿經(jīng)泥沙分離器凈化后的泥漿可直接回流至樁孔，增加泥漿的循環(huán)使用，泥沙分離器分離出來的沉渣含水量較小（呈固態(tài)），可以和樁芯土一起處理，可以有效控制泥漿對環(huán)境污染或水質(zhì)污染。在清孔過程中，要隨時采用泥漿三件套測定泥漿指標(biāo)，防止發(fā)生坍孔事故。清孔完成后，孔內(nèi)的泥漿比重應(yīng)處于1.15～1.25，黏度20～28s，含砂率＜8%。

3 工程實踐效果與評價

橫琴口岸及綜合交通樞紐開發(fā)工程C區(qū)主體建筑及南北側(cè)交通平臺子項樁基工程設(shè)計采用大直徑旋挖灌注樁，樁徑有φ1200mm、φ1500mm、φ1800mm、φ2000mm、φ2500mm五種。施工場地原始地貌單元屬于濱海灘涂地貌，原地勢低洼，后經(jīng)人工填土，填砂抬高，現(xiàn)在地形較平坦。按地質(zhì)年代和成因類型來劃分，勘察鉆探揭露巖土層分為人工填土層（Q4ml）、海相沉積層（Q4m）、海陸交互相沉積層（Q4mc）和燕山三期（γ52-3），其中淤泥層（層號②）該層于場地分布普遍，各鉆孔均有揭露，厚度5.9～21.1m，平均13.56m，層底標(biāo)高為-21.78～-9.19m，礫砂（層號③3）該層于場地分布普遍，各鉆孔均有揭露，厚度21.5～46.8m，厚度變化較大，平均32.22m，層底標(biāo)高為-86.06～-61.96m，設(shè)計樁端持力層為中風(fēng)化花崗巖，層頂標(biāo)高為-93.79～-64.09m，平均樁長超80m（地面標(biāo)高約4.0m），該工程項目，礫砂層較厚，主要組分為石英質(zhì)礫砂和粗砂，其中礫石約占35%，粗砂約占25%，中砂約占15%，細砂約占10%，含5~15%粘粒，礫砂呈次棱角狀，導(dǎo)致灌注樁成孔后泥漿含砂率較高（＞10%），孔底沉渣的固體顆粒較大，再加上樁徑較大，采用傳統(tǒng)正循環(huán)清孔工藝，清渣效率極低，清孔時間超過8小時，最長超過24小時，固體顆粒大部分懸浮于泥漿中，泥漿停止循環(huán)后，固體顆?？焖傧陆?，導(dǎo)致孔底沉渣超標(biāo)。采用傳統(tǒng)氣舉反循環(huán)清孔工藝時，由于樁徑較大（最大樁徑2500mm），樁長較長（平均樁長80m），鉆孔內(nèi)已有泥漿方量較大（φ2500mm直徑灌注樁方量達到450m3左右），需大量優(yōu)質(zhì)泥漿進行置換，施工現(xiàn)場場地狹小，施工機械較多，無法布置較大泥漿池，所以泥漿置換效率較低，清孔時間超過4小時，長時間清孔，泥漿對孔壁反復(fù)沖刷，又易導(dǎo)致礫砂層位置孔壁失穩(wěn)坍塌。根據(jù)上述復(fù)雜地質(zhì)條件和現(xiàn)場施工因素結(jié)合以往施工經(jīng)驗，我們對傳統(tǒng)氣舉反循環(huán)清孔工藝進行了改進，改進后的氣舉反循環(huán)清孔工藝一般在2小時內(nèi)清孔完成（沉渣厚度，泥漿指標(biāo)均滿足規(guī)范要求），大大縮短清孔時間，提高了清孔效率[3]。

4 結(jié)語

改進后的氣舉反循環(huán)二次清孔工藝成功解決了傳統(tǒng)正循環(huán)和反循環(huán)清孔中存在的沉渣懸浮、置換困難、清孔時間過長等問題，提高了二次清孔效率，保證了復(fù)雜地質(zhì)條件下超長大直徑灌注樁的成孔和灌注質(zhì)量，從工期、質(zhì)量、經(jīng)濟等角度來看，該改進施工工藝具有明顯優(yōu)勢。