于志偉

廣東省地質(zhì)局第一地質(zhì)大隊(duì) 廣東 珠海 519000

隨著建筑工程技術(shù)不斷進(jìn)步，大量新材料，新技術(shù)在施工工程中得到應(yīng)用，全國(guó)各大城市競(jìng)相建設(shè)超高層建筑，特別是長(zhǎng)江三角洲和珠江三角洲等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)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(duì)復(fù)雜，對(duì)樁基礎(chǔ)的單樁承載力較高，灌注樁的樁徑、樁長(zhǎng)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(shí)間長(zhǎng)，效果差，復(fù)雜地質(zhì)條件下成樁風(fēng)險(xiǎn)加大。為解決超長(zhǎng)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(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，我們對(duì)氣舉反循環(huán)工藝進(jìn)行了改進(jìn)，經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，此改進(jìn)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(duì)比分析

二次清孔是指灌注樁成孔深度已達(dá)到設(shè)計(jì)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(duì)孔內(nèi)泥漿進(jìn)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(diǎn)分析

正循環(huán)二次清孔是采用泥漿泵通過(guò)導(dǎo)管把泥漿注入孔底，流動(dòng)的泥漿卷起樁底的固體沉渣，沉渣隨著泥漿流動(dòng)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(shí)，固體顆粒下降，速度逐漸增大，R值也隨之增大。當(dāng)R值達(dá)到足以使作用在固體顆粒上的三種力保持平衡時(shí)，即R=G-P時(shí)，固體顆粒將以恒速V0下降。通過(guò)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(duì)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(hào)，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(shí)，如采用4PN(2)型泥漿泵（流量138m3/h）進(jìn)行正循環(huán)二次清孔，則泥漿泵最大功率工作時(shí)，漿液的上返速度僅達(dá)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(shí)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(guò)增加泥漿濃度來(lái)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(guò)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(duì)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(shí)泥漿需要較長(zhǎng)時(shí)間的泥漿置換（假如樁長(zhǎng)為50m，則需要1小時(shí)完成一次泥漿置換），如果孔底沉渣較多或粒徑較大時(shí)，往往需要8～10小時(shí)（最大超過(guò)24小時(shí)）才能完成清孔，清渣效率低下，清孔質(zhì)量得不到保障，且長(zhǎng)時(shí)間清孔對(duì)泥漿護(hù)壁泥皮進(jìn)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(diǎn)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(guò)砂石泵的抽吸作用，在導(dǎo)管內(nèi)腔形成負(fù)壓，在孔內(nèi)液柱和大氣壓的作用下，將孔底沉渣帶進(jìn)導(dǎo)管內(nèi)腔，再經(jīng)過(guò)砂石泵排至地面沉淀池內(nèi)，泥漿經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)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(fù)壓，下面的泥漿在負(fù)壓的作用下上升，并在氣壓動(dòng)量的聯(lián)合作用下，不斷補(bǔ)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(dòng)，因?yàn)閷?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(guò)小，及時(shí)用泥漿泵將優(yōu)質(zhì)（含砂率低）泥漿補(bǔ)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(chǎng)實(shí)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(guò)小，經(jīng)反循環(huán)抽出泥漿中的所含泥沙（沉渣）無(wú)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(huì)停留在底部，泥漿攜渣能力下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)形成板結(jié)，二次清孔時(shí)間較長(zhǎng)，隨著泥漿在樁孔內(nèi)反復(fù)循環(huán)，長(zhǎng)時(shí)間沖刷護(hù)壁泥皮，地質(zhì)條件較差地方會(huì)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(guò)程中，需不斷補(bǔ)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(jìn)工藝

為解決傳統(tǒng)的氣舉反循環(huán)二次清孔工藝實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的上述問(wèn)題，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)傳統(tǒng)氣舉反循環(huán)二次清孔工藝進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的氣舉反循環(huán)二次清孔工藝施工要點(diǎn)：清孔設(shè)備安裝時(shí)，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(huì)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(guò)厚時(shí)，可以先用測(cè)繩實(shí)測(cè)孔底沉渣厚度，循環(huán)啟動(dòng)可先適當(dāng)增大L4（距離實(shí)測(cè)沉渣面0.5～1.0m），等循環(huán)順暢時(shí)再逐節(jié)接長(zhǎng)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(zhǎng)度決定了風(fēng)管氣體壓力的大?。ㄔ颍翰粠?chǔ)氣罐的空壓機(jī)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(zhǎng)度宜控制在（L2+L3）的2/3左右，同時(shí)小于空壓機(jī)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(zhǎng)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(gè)，間距20cm，管底用鋼板封堵，鋼板開有4個(gè)Φ8直徑的圓孔。開啟空壓機(jī)前應(yīng)先往樁孔內(nèi)補(bǔ)足泥漿，清孔完成后，先關(guān)閉空壓機(jī)，再停止補(bǔ)漿。在清孔時(shí)，由于孔底部存在較大負(fù)壓，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)漿，保持孔內(nèi)水頭高度，避免因補(bǔ)漿不及時(shí)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(dòng)導(dǎo)管；c.停止送氣，向?qū)Ч軆?nèi)供漿，在孔口返漿時(shí)再進(jìn)行送氣?？諌簷C(jī)的送風(fēng)量應(yīng)該逐漸增加，樁底沉渣較厚時(shí)，應(yīng)當(dāng)增加空壓機(jī)風(fēng)量，同時(shí)上下晃動(dòng)導(dǎo)管，使沉渣更容易排出。必要時(shí)，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(jìn)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(lái)的沉渣含水量較?。ǔ使虘B(tài)），可以和樁芯土一起處理，可以有效控制泥漿對(duì)環(huán)境污染或水質(zhì)污染。在清孔過(guò)程中，要隨時(shí)采用泥漿三件套測(cè)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(shí)踐效果與評(píng)價(jià)

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(tái)子項(xiàng)樁基工程設(shè)計(jì)采用大直徑旋挖灌注樁，樁徑有φ1200mm、φ1500mm、φ1800mm、φ2000mm、φ2500mm五種。施工場(chǎng)地原始地貌單元屬于濱海灘涂地貌，原地勢(shì)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(lái)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(hào)②）該層于場(chǎng)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(hào)③3）該層于場(chǎng)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(jì)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(zhǎng)超80m（地面標(biāo)高約4.0m），該工程項(xiàng)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(xì)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(shí)間超過(guò)8小時(shí)，最長(zhǎng)超過(guò)24小時(shí)，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(shí)，由于樁徑較大（最大樁徑2500mm），樁長(zhǎng)較長(zhǎng)（平均樁長(zhǎng)80m），鉆孔內(nèi)已有泥漿方量較大（φ2500mm直徑灌注樁方量達(dá)到450m3左右），需大量?jī)?yōu)質(zhì)泥漿進(jìn)行置換，施工現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地狹小，施工機(jī)械較多，無(wú)法布置較大泥漿池，所以泥漿置換效率較低，清孔時(shí)間超過(guò)4小時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間清孔，泥漿對(duì)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(chǎng)施工因素結(jié)合以往施工經(jīng)驗(yàn)，我們對(duì)傳統(tǒng)氣舉反循環(huán)清孔工藝進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的氣舉反循環(huán)清孔工藝一般在2小時(shí)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(shí)間，提高了清孔效率[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

改進(jìn)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(shí)間過(guò)長(zhǎng)等問(wèn)題，提高了二次清孔效率，保證了復(fù)雜地質(zhì)條件下超長(zhǎng)大直徑灌注樁的成孔和灌注質(zhì)量，從工期、質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)等角度來(lái)看，該改進(jìn)施工工藝具有明顯優(yōu)勢(shì)。