水中樁基礎(chǔ)沖擊鉆施工清孔工藝研討

唐頂峰， 劉學(xué)青， 楊大偉

(湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410004)

水中樁基礎(chǔ)沖擊鉆施工清孔工藝研討

唐頂峰， 劉學(xué)青， 楊大偉

(湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410004)

通過分析目前沖擊鉆鉆孔施工普遍采用的正循環(huán)泥漿清孔的不足，提出改進(jìn)措施，結(jié)合冷水江資江二橋樁基沖擊鉆孔施工清孔技術(shù)措施，為合適地質(zhì)、水文條件下沖擊鉆鉆孔施工如何優(yōu)化清孔工藝確保工程質(zhì)量提供了一些有價(jià)值的經(jīng)驗(yàn)，可供參考。

水中樁基； 沖擊鉆施工； 正循環(huán)； 泥漿清孔； 氣舉法清孔

0 前言

目前橋梁工程基礎(chǔ)施工采用沖擊鉆鉆孔屢見不鮮，原因是沖擊鉆鉆孔適用各種地質(zhì)條件，工藝簡(jiǎn)單，施工成本低，對(duì)樁徑2.5～1.2 m樁基鉆孔很有優(yōu)勢(shì)，但其配套工藝——正循環(huán)清孔工藝在目前施工環(huán)境(普遍現(xiàn)象)下先天不足，清孔后泥漿指標(biāo)幾乎達(dá)不到規(guī)范要求，不能保證清孔徹底，后遺癥是泥漿含砂(鉆渣小顆粒)率大，沉淀快，影響鉆孔樁豎直承載力，同時(shí)澆筑樁基混凝土后樁基上端鋼筋籠外圍基本上都是濃泥漿，混凝土并沒有填充鋼筋籠與孔壁間隙，導(dǎo)致樁基耐久性和摩擦力受到很大損失。針對(duì)這種普遍現(xiàn)象，工程技術(shù)人員有必要采取正確應(yīng)對(duì)措施避免質(zhì)量缺陷。

1 正循環(huán)泥漿清孔機(jī)理

正循環(huán)泥漿清孔是依靠泥漿泵抽取泥漿池泥漿通過泥漿管壓注至孔底，排擠(置換)原樁孔內(nèi)泥漿沿樁孔上流流入泥漿沉淀池，將泥漿中懸浮的鉆渣顆粒帶出樁孔，達(dá)到清除鉆渣，降低泥漿的相對(duì)密度、含砂率目的，防止樁底存留沉淀物過厚而降低樁的承載力。

2 正循環(huán)泥漿清孔工藝缺陷原因分析

正循環(huán)泥漿清孔之所以能將鉆渣顆粒帶出樁孔，主要是因?yàn)槟酀{有懸浮作用、動(dòng)能，通過克服重力作用將鉆渣帶出樁孔。泥漿本質(zhì)是復(fù)雜膠體相，懸浮作用直接跟膠體相性能有關(guān)，泥漿的粘度、比重、膠體率決定了懸浮作用，動(dòng)能是鉆渣顆粒流出樁孔的動(dòng)力，源源不斷的動(dòng)能大小決定清渣效果。鉆孔時(shí)鉆渣在泥漿懸浮作用、動(dòng)能作用下克服重力作用隨泥漿上浮流出樁孔，但清孔后泥漿粘度、比重越來越小，對(duì)鉆渣的懸浮作用也越來越小，當(dāng)泥漿動(dòng)能較小將不能完全克服鉆渣重力作用，鉆渣就不能隨泥漿排出樁孔，在重力作用下鉆渣隨泥漿上浮到一定高度速度變?yōu)? m/s(泥漿保持較小速度)，此時(shí)該鉆渣將反過來向下沉淀，下沉到懸浮與動(dòng)能作用大于重力作用時(shí)該鉆渣又開始上浮，結(jié)果是鉆渣懸浮在泥漿中上下來回浮動(dòng)。清孔后孔底泥漿管出口附近鉆渣基本都懸浮了(當(dāng)然清孔泥漿沖擊不到的地方鉆渣就沉淀在孔底)，孔底暫時(shí)干凈了，但當(dāng)停止泥漿循環(huán)后原先懸浮的鉆渣就慢慢沉淀下來，導(dǎo)致孔底有沉淀層。

正循環(huán)泥漿清孔往往不徹底。在做泥漿性能檢測(cè)試驗(yàn)時(shí)通常發(fā)現(xiàn)20 cm高度泥漿1～2 min即可看到沉淀，據(jù)此推測(cè)，孔底也很快有沉淀物，幾十米深樁孔一般在3～10 h左右完成沉淀，我們?cè)诶脤?dǎo)管正循環(huán)第2次清孔從停止循環(huán)至澆灌樁基混凝土?xí)r間間隔一般需要30 min左右，在此30 min內(nèi)肯定產(chǎn)生沉淀層，此沉淀層雖然不是很厚，量測(cè)時(shí)基本判別不出，并且在澆灌樁基第1批混凝土可以沖開沉淀物，但樁基鋼筋籠四周沉淀物并不能沖開，勢(shì)必影響樁基承載力。在灌注混凝土過程中鉆渣繼續(xù)沉淀，泥漿性能在混凝土催化下也發(fā)生膠凝變化，施工實(shí)踐證明普通泥漿在3 h后即變成粘稠濃漿(見圖1)，阻礙混凝土填充鋼筋籠外側(cè)空隙，造成樁基上端鋼筋籠外沒有包裹混凝土，從而留下質(zhì)量隱患，例如湘潭某橋就出現(xiàn)樁基鋼筋籠外露現(xiàn)象，事實(shí)上很多樁基出現(xiàn)類似現(xiàn)象，只是沒有去檢測(cè)罷了。

圖1 灌注樁基產(chǎn)生粘稠濃泥漿

正循環(huán)清孔泥漿流速不大，動(dòng)能很小，清孔效果較差。鉆渣顆粒等同于質(zhì)地堅(jiān)硬的小碎石或砂粒，表觀密度>2.5 kg/m3[1]，泥漿比重變?yōu)?.0～1.4(含泥沙)，靜止?fàn)顟B(tài)鉆渣都將沉淀。正循環(huán)時(shí)泥漿注入孔底，在出泥漿管時(shí)具有很高速度，動(dòng)能很大，出了泥漿管口進(jìn)入樁孔內(nèi)時(shí)即刻排擠、托舉、帶動(dòng)、攪合孔底泥漿，攜帶鉆渣往上流動(dòng)，因受到孔內(nèi)泥漿阻力流速迅速收斂，最后是勻速上升。注入泥漿的動(dòng)能W=Mv2/2，與質(zhì)量、速度相關(guān)，即與流量直接相關(guān)。以常用型號(hào)NL150A-16泥漿泵為例，流量P=120～180 m3/h[2]，假定達(dá)到平均流量P=150 m3/h，此時(shí)壓注泥漿流速為V=P/(π×d2/4)=5.31 m/s(d=150 mm)，由于壓注泥漿與流出泥漿量相當(dāng)，假設(shè)樁徑D=2.2 m，最終上升速度V=P/(π×D2/4)= 0.011 m/s，速度只有泥漿管出口速度的1/483，這個(gè)速度對(duì)鉆渣驅(qū)動(dòng)力也很小，對(duì)鉆渣的懸浮作用也很小，鉆渣就不能隨泥漿排出樁孔，清渣效果不行。

3 改善措施

通過對(duì)正循環(huán)清孔工藝缺陷分析，為保證工程質(zhì)量可以采取針對(duì)性措施。

一是改善泥漿性能。采用泥漿循環(huán)清孔必須依靠泥漿對(duì)顆粒懸浮作用，鉆渣沉淀快慢跟泥漿性能特別是膠體率有很大關(guān)系，但目前建筑市場(chǎng)鉆孔泥漿普遍為普通泥漿(開孔時(shí)使用粘土造漿，鉆孔過程利用鉆孔內(nèi)泥土本身造漿，適當(dāng)補(bǔ)充粘土造漿，清孔后出漿口泥漿比重變?yōu)?.14～1.18，含沙率2%～3%，黏度17～18 s)，膠體率嚴(yán)重不合格(規(guī)范要求大于98%)。改善泥漿性能需購買優(yōu)質(zhì)膨潤土、純堿、聚丙烯酰胺，鉆孔過程不時(shí)補(bǔ)充膨潤土造漿，技術(shù)上完全可行，但成本很高，施工單位往往從成本角度考慮不愿去做。優(yōu)質(zhì)泥漿循環(huán)時(shí)小顆粒鉆渣在沉淀池也不易沉淀，往往隨同泥漿流動(dòng)重復(fù)循環(huán)，清孔時(shí)需要兼顧鉆渣在泥漿池的沉淀，一般可以用一小股清水對(duì)著泥漿口沖洗，打破膠相體平衡促使鉆渣沉淀。

二是加大清孔泥漿動(dòng)能。只改善泥漿還不能達(dá)到清孔目的，清孔時(shí)間照樣比較長(zhǎng)，需要加大泥漿動(dòng)能才能達(dá)到事半功倍效果，正常情況下動(dòng)能越大，清孔速度越快，清渣效果越好。加大清孔泥漿動(dòng)能較容易，例如增加泥漿泵加大流量(正循環(huán)增加泥漿泵效果不明顯)，或改用氣舉反循環(huán)、泵吸反循環(huán)清孔加大孔底局部泥漿動(dòng)能，此方法技術(shù)可行，操作簡(jiǎn)易，成本較小，是施工單位首選。

三是加快混凝土灌注。加快混凝土灌注，要求攪拌站生產(chǎn)能力較強(qiáng)，施工組織科學(xué)、協(xié)調(diào)，人員、設(shè)備充足。

4 工藝改進(jìn)應(yīng)用實(shí)例

4.1 工程概況

冷水江資江二橋跨越資江，主橋?yàn)榭鐝?49 m+149 m獨(dú)塔雙索面預(yù)應(yīng)力斜拉橋，主墩位于資江河中央，有水中樁26根，樁徑D220 cm，樁長(zhǎng)45 m，樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高170.017 m。水面高程175 m左右，受下游水電站影響，水位標(biāo)高變化在2 m以內(nèi)。地質(zhì)為松散細(xì)砂0～2 m，其下為稍密～中密卵石1～3 m，下伏基巖，巖性較單一，主要為泥質(zhì)灰?guī)r夾泥灰?guī)r。主墩樁基采用搭設(shè)鋼管樁施工平臺(tái)沖擊鉆鉆孔方案。水中鉆孔平臺(tái)長(zhǎng)60 m，寬24 m，滿足鉆孔機(jī)具的要求，具體見圖2。

圖2 鉆孔平臺(tái)布置方案圖(單位： cm)

4.2 清孔工藝設(shè)計(jì)

4.2.1 清孔工藝設(shè)計(jì)

根據(jù)工程實(shí)際情況，先按正循環(huán)工藝設(shè)置泥漿循環(huán)系統(tǒng)，滿足鉆孔要求，終孔后改用氣舉法清孔，泥漿(廢棄)換成清水。清孔工藝流程如圖3所示。

圖3 清孔工藝流程圖

4.2.2 鉆孔泥漿正循環(huán)系統(tǒng)(圖4)

利用舊鋼護(hù)筒做一個(gè)泥漿桶，懸掛于施工平臺(tái)下，底部開孔0.3 m×0.3 m排渣門，以便及時(shí)清除桶內(nèi)鉆渣。在鋼護(hù)筒孔口下0.3 m左右開0.2 m×0.2 m孔，焊接泥漿槽連接泥漿桶，泥漿桶內(nèi)安設(shè)過濾溜槽，泥漿從鋼護(hù)筒流入泥漿桶，再用泥漿泵抽取注入鋼護(hù)筒，形成循環(huán)。一部分鉆渣隨溜槽排除，一部分鉆渣在泥漿桶沉淀，清出鉆渣另行處理。

4.2.3 氣舉法清孔

鉆孔過程采用泥漿正循環(huán)清渣，鉆孔到設(shè)計(jì)標(biāo)高后再進(jìn)行氣舉法清孔，本項(xiàng)目水中樁清孔后可達(dá)到清水孔標(biāo)準(zhǔn)。采用1臺(tái)12 m3空壓機(jī)，φ150 mm導(dǎo)管、φ50 mm高壓風(fēng)管。

圖4 鉆孔泥漿正循環(huán)系統(tǒng)

為避免塌孔，鋼護(hù)筒盡量穿過覆蓋層。氣舉反循環(huán)流量很大，必須要做好補(bǔ)水措施保持孔內(nèi)水頭壓力，否則孔外水壓力過大將把鋼護(hù)筒壓變形。為保持水頭壓力基本平衡要有足夠大補(bǔ)水量，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，專門設(shè)計(jì)了能滿足要求的簡(jiǎn)易補(bǔ)水裝置。在鋼護(hù)筒第1次振搗下沉到位后，在護(hù)筒側(cè)面離水面40 cm高度焊接一個(gè)上開口箱，然后在對(duì)應(yīng)位置將護(hù)筒開一個(gè)φ150 mm圓孔，補(bǔ)水孔用黏土包封堵后隨著鋼護(hù)筒第2次振打下沉淹沒到水面以下20 cm左右。補(bǔ)水孔如圖5。

圖5 補(bǔ)水孔方案圖(單位： cm)

4.2.4 實(shí)踐效果

4#墩部分樁采用正循環(huán)泥漿清孔，并配篩分器過濾砂粒，見圖6，終孔后清孔時(shí)間約24 h，泥漿比重在1.2左右，出漿口含沙率3%左右，安放鋼筋籠后導(dǎo)管二次清孔需要3 h左右，比重降為1.15，含沙率小于2%，量測(cè)發(fā)現(xiàn)此時(shí)沉淀較快。部分樁改進(jìn)工藝后采用氣舉法清孔，吸泥管長(zhǎng)50 m，插到孔底，出口設(shè)90°彎管，高壓風(fēng)管設(shè)在吸泥管外，排氣口設(shè)在吸泥管中間，入水深度大于15 m(不必設(shè)在導(dǎo)管底部附近)。清孔前先開啟補(bǔ)水門向孔內(nèi)供水，然后送風(fēng)清孔，補(bǔ)水門能滿足始終保持孔內(nèi)水頭高度。氣舉抽出泥漿直接廢棄至泥漿池，河水補(bǔ)充孔內(nèi)，孔內(nèi)抽出的泥漿手摸無顆粒感覺，表明泥漿換為清水，清孔時(shí)間約30 min，比重變?yōu)?.0～1.02，安裝下放鋼筋籠后不需二次清孔，孔底沉渣厚度為0 mm，氣舉法清孔見圖7。所有樁基都進(jìn)行了超聲波檢測(cè)，均為I類樁，鉆心抽樣檢測(cè)表明混凝土與巖石接觸良好，無沉淀層；采用正循環(huán)清孔樁基在承臺(tái)施工過程中發(fā)現(xiàn)鋼護(hù)筒與樁基間局部有滲水，采用氣舉法清孔樁基四周充滿混凝土，在承臺(tái)施工過程中沒有發(fā)現(xiàn)鋼護(hù)筒與樁基間滲水，見圖8。表1為部分樁基清孔后泥漿性能檢測(cè)對(duì)照表。

圖6 篩分機(jī)輔助清孔照片

圖7 空壓機(jī)氣舉清孔照片

圖8 樁基鋼筋籠與鋼護(hù)筒間混凝土飽滿

表1 部分樁基清孔后泥漿性能檢測(cè)對(duì)照表樁號(hào)清孔方法清孔 時(shí)間/h相對(duì)密度含沙率/%黏度/s沉淀 厚度/mm樁號(hào)清孔方法清孔 時(shí)間/h相對(duì)密度含沙率/%黏度/s沉淀厚度/mm4左1-1正循環(huán)271.16218204右1-1正循環(huán)301.15117214左1-2氣舉反循環(huán)0.51.0201704右1-2氣舉反循環(huán)0.51.0301704左1-3正循環(huán)301.15218264右1-3正循環(huán)291.16218174左1-4氣舉反循環(huán)0.61.0201704右1-4氣舉反循環(huán)0.51.0201704左2-1氣舉反循環(huán)0.51.0201704右2-1氣舉反循環(huán)0.51.1521704左2-2正循環(huán)281.15218204右2-2氣舉反循環(huán)0.61.0201704左2-3氣舉反循環(huán)0.61.0201704右2-3氣舉反循環(huán)0.61.0201704左2-5正循環(huán)281.16218214右2-4正循環(huán)281.1521820 注:4#墩樁徑設(shè)計(jì)值220cm,樁長(zhǎng)40～48m,根據(jù)地質(zhì)情況不同而不同。

5 結(jié)論

采用沖擊鉆施工樁基有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，但其清孔工藝需要改進(jìn)，也可以改進(jìn)。通過冷水江資江二橋水中樁施工實(shí)踐，沖擊鉆正循環(huán)鉆孔與終孔后氣舉法清孔是一個(gè)很好組合。此氣舉法是直接廢棄泥漿，效率高，成本低，操作簡(jiǎn)單，可以確保質(zhì)量，值得推廣(采用泥漿循環(huán)的氣舉反循環(huán)清孔，看似循環(huán)利用的泥漿在灌注樁基混凝土后還是廢棄了，施工單位要儲(chǔ)存后循環(huán)利用花費(fèi)成本比泥漿本身大很多)。但必須保證樁孔內(nèi)水頭防止塌孔，比較適合鋼護(hù)筒入巖或接近入巖且補(bǔ)水容易的施工條件，對(duì)鋼護(hù)筒未入巖但埋置較深的嵌巖樁只要保證水頭壓力同樣可以采取氣舉法清孔，此工藝要控制供氣量不要超過20 m3/min。

[1] JTG/F50-2011，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].

[2] 上海鄂泉泵業(yè)有限公司.NL150-16參數(shù)[Z].

2016-11-23

唐頂峰( 1970-) ，男，高級(jí)工程師，主要從事橋梁建設(shè)。

1008-844X(2017)01-0141-04

U 445.55+1

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