泵吸反循环钻进工艺在某高铁深孔桥桩中应用的理论计算分析

泵吸反循环钻进工艺在某高铁深孔桥桩中应用的理论计算分析

王换强   

（中国有色金属工业西安勘察设计研究院有限公司  西安 710054）

摘 要: 以泵吸反循环工艺在某高铁深孔桥桩施工中的应用为例，通过理论计算分析控制砂石泵安装高度和泵流量来提高成孔的质量效率，为类似桩基工程施工设备选择提供依据。

关键词: 泵吸反循环；深孔桥桩；计算分析；砂石泵安装高度；泵流量

Abstract:Taking the application of pump suction reverse circulation technology in the construction of a high-speed railwaydeep hole bridge pile as an example, through theoretical calculation andanalysis to control the sand pump installation height and pump flow to improve the quality efficiency of hole formation, which provides a basis for the selection of construction equipment for similar pile foundation projects.

Keywords: Pump suction reverse circulation；Deep hole bridge pile；Calculation analysis；Sand pump installation height；Pump flow

0 工作原理

泵吸反循环工作原理是利用真空泵的抽吸作用使钻杆内腔形成负压状态，在钻杆内腔与孔口压力差的作用下，孔内的泥浆流向孔底，钻渣经钻杆内腔被抽排至地面两级（多级）沉淀池内沉淀后再次流入孔内，循环往复形成泵吸反循环。

1 工程概况

某高铁桥桩桩径为1.5m，桩长75m，钻孔灌注桩群桩基础，采用泵吸反循环成孔工艺。主要地层物理参数见表1：

表1 主要地层物理参数表

2 设备选型

采用国产GF-300型车载泵吸一体反循环钻机，整机自重25t，功率150kw，钻塔高度6m，车外形尺寸9×2.5×3.2m；砂石泵功率37kw，最大泵流量500m3/h，最大扬程40m；钻杆规格：229×2000mm。最大钻孔直径3000mm，最大钻进深度150m，抽渣最大粒径可达20cm。

3 计算分析

3.1泵吸反循环满足钻渣的上返条件

（1）采用雷廷格尔公式计算泵吸反循环钻机钻进中钻渣的等速沉降速度：

                     （3.1.1）

式中υ0－钻渣颗粒在泥浆中的等速沉降速度（m/s)；

k－沉降阻力系数，圆球状取4.0~4.5，其它取2.5~4.0；

δ－球状颗粒直径(m)；

γ0－钻渣重度（kN/m3）；

γ1－钻孔内泥浆重度（kN/m3）。

按工程最不利情况考虑，取值k=4.5，δmax=0.02 m，γ0=19.6kN/m3(加权平均重度)，γ1=11kN/m3，计算出υ0=0.56m/s。

（2）计算钻孔内冲洗液上返速度。按照以下公式计算：

                             （3.1.2）

式中υ－孔内泥浆上返速度（m/s）；

Q－泵流量（m3/h；

d－为钻杆直径（m）。

（3）钻杆直径d=0.219m，最大泵流量Q=500m3/h，可计算出υ=3.69m/s，冲洗液上返速度是最大粒径钻渣在泥浆中等速沉降速度的约7倍，满足钻渣上返条件。

3.2泵吸反循环钻进深度计算

利用泵吸反循环钻进工作过程，可以得出砂石泵吸入端简单的伯努力方程：

       （3.2.1）

式中Hmax－砂石泵最大扬程（m）；

ha－砂石泵安装高度（m）；

h1－钻孔实际深度（m）；

γ2－钻渣混合液重度（kN/m3）；

γ1－泥浆重度（kN/m3）；

γw－水重度（kN/m3），取10kN/m3；

g－重力加速度（m/s2），取9.8m/s2；

hs－总水头损失（含沿程和局部水头损失）（m）。

泵吸反循环的工作原理原理图如下：

图1 泵吸反循环的工作原理原理图

3.3计算总水头损失

泵吸反循环浆液循环属于紊流运动，总水头损失包括沿程水头损失和局部水头损失。局部水头损失包括钻头吸口处、弯头处和砂石泵吸口处水头损失。

（1）由沿程水头损失公式（3.3.1）、曼宁公式（3.3.2）、谢才公式（3.3.3）及圆管水力半径（3.3.4）联立求解得到新的沿程水头损失公式（3.3.5）如下：

                         （3.3.1）

                                                （3.3.2）

                               （3.3.3）

                                （3.3.4）

                    （3.3.5）

式中hy－沿程水头损失（m）；

Lz－钻渣流经钻杆和排渣管的总长度（m）；

d－钻杆内径（m）；

n－粗糙系数，取0.012；

（2）局部水头损失计算如下：

                                （3.3.6）

式中hj－局部水头损失（m）；

ζi－局部阻力系数，钻头吸口处取0.15，弯头处取0.36，吸口处取0.25。

（3）以75m桩基为例，胶管长度按10m取，经计算得hy=0.63m，hj=0.53m

总水头损失为1.16m。

3.4工程实例

（1）以桩径1.5m孔深75m桩为例，砂石泵安装高度（可调）6m，钻渣混合液重度13.87kN/m3，泥浆重度11kN/m3，水重度9.8kN/m3，冲洗液上返速3.69m/s，重力加速度g=9.8m/s2。代入式（3.2.1）可得砂石泵理论最大扬程29.82m小于砂石泵的标定扬程40m，满足要求。一般情况下钻孔与地层相关参数一定，砂石泵的理论最大扬要程主与安装高度正相关。即Hmax=23.82+ha。砂石泵的安装高度ha决定着砂石泵的实际扬程。

（2）砂石泵的扬程为定值40m时，钻孔深度与砂石泵安装高度负相关。冲洗液上返速度取临界条件0.49m/s。代入式（3.2.1）可得h1=132.5-3.4ha。可以看出，砂石泵的安装高度决定着钻孔的深度。砂石泵安装高度、钻进深度和理论最大扬程三者关系图2如下：

4 结论及建议

（1）通过理论计算可以指导施工，合理选择砂石泵和泵吸反循环钻机，节约成本，同时取得好的效果。

（2）通过降低砂石泵的安装高度来提高钻进深度和成孔效率。

（3）通过提高钻杆内冲洗液上返速度来提高钻进深度。提高冲洗液上返速度的同时容易造成重度差减小，对排渣有利但增加了水头损失。因此，要使砂石泵的流量、扬程和钻进速度相匹配。

（4）通过减少排渣管长度、降低泥浆重度、加减阻剂等减少沿程水头损失提高钻孔深度和合理利用经济型砂石泵及泵吸反循环钻机。

（5）加强专业作业人员和指挥人员的专业性培训，充分发挥泵吸反循环工艺在深孔桩成孔方面的优势。

参考文献

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[2]建筑地基处理技术规范[S]. JGJ 79-2012,北京:中国建筑工业出版社,2013.

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[4] 尹飞.王茂森.田野. 泵吸反循环钻进深度计算分析[J].西部探矿工程. 2008,(2).

[5] 叶新.泵吸反循环工艺在深孔灌注桩工程中的应用[J].中国市政工程.2006,(1).

作者简介：王换强（1985-）男，高级工程师，国家注册一级建造师，主要从事岩土施工、勘察、设计及测绘工作。