简述正循环钻机在粉砂土地质中的应用

简述正循环钻机在粉砂土地质中的应用

孙杨 

       中国水利水电第六工程局有限公司，辽宁省沈阳市  110000

摘要：本文针对在粉砂土地质条件中施工钻孔灌注桩时，通过正、反循环钻机做为钻孔设备进行对比，在粉砂土地质条件中正循环钻机在实际应用中有成孔率高、桩壁完整性好的优势，也对正循环钻机在粉砂土地质条件的应用中进行了论证阐述。

关键词：正循环；钻孔灌注桩；粉砂土；

前言

在钻孔灌注桩的施工中经常选择正循环钻机和反循环钻机两种方案进行施工，正、反循环钻机工作原理不同。反循环钻机施工钻孔灌注桩适用于粘性土、砂性土、卵石和风化岩层，正循环钻机适用于黏性土、粉土、砂性土，由于在粉砂土地质条件下施工钻孔灌注桩极易塌孔，导致成孔率底，影响施工进度和施工质量，通过分析对比，在粉砂土地质条件下，采用正循环钻机成孔率及桩体完整性明显较高，相比反循环钻机，更适用于粉砂土地质。

1.工程概况

大江东产业集聚区江东大道提升改造工程位于杭州市钱塘区河庄街道，项目西起河庄大道以西，东至青六路以东，全长4.58公里。工程包含两条隧道：下穿河庄大道~青西三路隧道，全长2768米；下穿青西三路隧道~青东二路隧道，全长1337米。

2.应用背景

杭州地区土质多为粉砂土，在钻孔灌注桩施工时，常常因地质条件差，发生塌孔和断桩的问题，为后期基坑开挖带来较大影响，因成桩效果差影响止水效果，极易引起周边道路脱空及其他安全事故，同时影响施工进度。

为了解决上述问题，在施工钻孔灌注桩时，对正循环及反循环两种方案进行对比，解决粉砂土地质条件成孔率差的问题。

3.钻孔灌注桩的设计参数

江东大道提升改造工程（河庄大道西-青六路东）项目K4+350~K5+425施工段，全长约1.075km。

钻孔灌注桩的部位在拟建K5+010~K5+144区域，共计74根（Φ900， L=26/46/37/26/20/13m），采用C35水下混凝土灌注，桩头伸入底板10cm，主筋均锚入底板结构，锚固长度不小于40d。

本工程钻孔灌注桩主筋按桩截面环向布置，主筋净保护层为7cm。拟采用正循环钻孔灌注桩施工，桩底沉渣厚度应不大于10cm。

4.正循环钻机施工

4.1成孔原理

(1)正循环钻机

施工时，在底部钻头旋转的同时，采用高压泵通过钻杆把泥浆从钻头底部射出，随着下部土体被搅松后，钻渣混合泥浆随着泥浆从钻孔顶部上升溢出，流入泥浆池，形成正循环排渣。正循环成孔速度较快，适用于黏性土、砂性土、粉砂土等地质条件。正循环钻孔灌注桩施工流程见图4-1。

(2)反循环钻机

施工时，通过钻头旋转将下部土体搅松，泥浆从孔外流入桩内与松动土体混合后，钻进过程中使用真空泵把泥浆从钻头下部吸入钻杆后排出，流向泥浆沉淀池，形成反循环排渣。适用于黏性土、砂性土、卵石及风化岩层等。

图4-1 正循环钻孔灌注桩施工流程图

4.2护筒埋设

护筒起到保护孔口、隔离杂填土、控制桩位、标高的基准点的作用。每个桩位应按要求埋设护筒。根据地质情况，护筒按1.5m布设，护筒中心与桩位中心偏差值控制在2cm内，上部设置排浆孔2个，先进行测量定位，护筒埋设后采用粘土将护筒四周回填并捣实，以确保护筒的稳定。采用孔口护筒，保证钻机垂直作业，同时储存泥浆，确保泥浆高出地面或水面40至60cm，在钻进过程中，钻杆反复提升设备振动较大，通过护筒保护桩孔顶上部土体稳定避免坍孔。

4.3泥浆配制

（1）泥浆可以起到保护桩孔不坍、不缩的作用，砂性土质应选择优质泥浆，钻进过程中，钻孔内部以自然造浆为主，发现孔内有漏失、垮孔现象，可采用膨润土或木屑人工配制优质泥浆。

（2）布置泥浆循环系统，在灌注桩周边设置5m×5m×3m的泥浆池，为防止泥浆外泄污染环境，采用砖块砌筑。正循环钻机泥浆循环示意图参见图4-2：

图4-2正循环钻机泥浆循环示意图

（3）泥浆性能要求：

泥浆性能

4.4成孔钻进

为保障钻进平稳，成孔后桩体完整，钻孔垂直，增加钻头在孔底回转的稳定性，施工选择正循环钻机，钻头选用三翼条形刮刀，并在钻头上部带扶正器，钻杆安装导向钢丝绳。

钻进参数范围如下：

钻压：6～15KN

转速：40～124rpm

泵量：600～1200L/min

钻进中应根据地层情况，分三阶段控制钻进速度，钻进初期轻压慢转，正常钻进时，钻进速度每小时5m以内，终孔前降低钻进速度，有利于钻渣排出，降低孔底沉渣率。

4.5护壁

随钻进深度加深，孔壁受周边土压力的作用，易使孔壁发生形变。选用不同的泥浆性能参数，来平衡土周边土压力，防止孔壁坍塌和缩颈的发生。

泥浆性能参数一般选择原则是：根据泥浆物理性能和不同的地层情况，易塌孔地层选用较大值，不易塌孔地层选用较小值。[1]

泥浆性能参数指标控制范围如下：

漏斗粘度：18～25S

泥浆相对密度：1.05～1.25

含砂率：4%

4.6清孔

为了提高清孔质量，在保确保泥浆性能的前提下，共进行两次循环清孔，分别在终孔后和混凝土浇筑前各进行一次清孔。在成孔结束后，不提钻慢转进行首次正循环清孔，采用性能较好的泥浆来置换钻孔内稠度高的泥浆与钻屑渣。采用导管进行二次清孔，二次清孔后25分钟内进行混凝土灌注。超时，必须重新测量沉渣或再次进行清孔处理。

4.7钢筋笼制作入孔

提前加工灌注桩所用的钢筋笼，利用正循环钻机顶部滑轮组把钢筋笼分节吊入桩孔，现场焊接伸入孔内直至设计标高。

钢筋笼分段制作，加强筋和主筋电焊牢固，严禁损伤主筋。两根钢筋单面焊接长度达到10D，同一段面焊接点数不大于50%。加强箍圆度符合图纸及规范要求，确保钢筋笼垂直度不大于1％；允许偏差：主筋间距±1厘米；箍筋间距±2厘米；钢笼直径±1厘米；钢笼长度±10厘米；主筋保护层厚度7厘米，偏差控制在2厘米内。[2]为保证保护层厚度，在钢筋笼上焊接定位钢筋，每组间距2米，竖向排列，每组4根均匀设于桩基加劲箍四周。在钢筋笼上设置吊筋，吊筋牢固稳定，用于精确控制钢筋笼高程，同时在灌注混凝土时，起到固定作用防止钢筋笼上浮。

钢筋笼下放时，应注意不得将钢筋笼高起猛落、强行下放，下放过程应轻提缓放，遇到阻碍应查明原因后恢复下放。

4.8混凝土施工

图4-3导管法浇筑水下砼施工示意图

采用导管法进行水下混凝土灌注。选用密封效果好，整体刚性强的刚性导管，导管直径为Ф273mm，快速连接头选用T形螺纹接头。将导管垂直下放，逐节连接，导管下放至距离孔底约20至40厘米处。下放过程中使用导管固定卡盘进行固定(详见图4-4)，同时便于浇筑过程导管的拆卸。导管法浇筑水下砼施工示意图见图4-3。

图4-4 导管固定卡盘示意图

导管使用前做水密试验。水密试验水压不应小于孔内水深1.5倍静水压力，也不应小于导管壁和焊缝可能承受灌注混凝土时最大内压力的1.5倍。导管下放前应保证导管内部干净、畅通、无小孔眼，“O”型止水密封圈应完好无缺口。[3]按下式计算导管可能受到的最大内压力：

Pmax=1.3(rc³hxmax-rwHw)

式中:Pmax——导管可能承受到的最大内压力(kpa)

rc——砼容重(KN/m3)，取24.0kN/m3

hxmax——导管内砼柱最大高度(m)，取48m

rw——孔内泥浆的容重(KN/m3)，取12.0KN/m3

Hw——孔内泥浆的深度(m)，取46m

首批混凝土需要量计算式如下：

V= πD2/4×(H1+H2)+πd2/4×h

h=Hwrw/rc

其中：

V－灌注首批混凝土所需数量(m3)

D－钻孔直径(m)

H1－桩孔底至导管底端间距一般为0.4m

H2－导管初次埋置深度，H2≥1.1m

d－导管内径

h－桩孔内混凝土达到埋置深度H2时，导管内混凝土柱平衡导管外砼(或泥浆)压力所需的高度(m)

HW-首封完混凝土面到地面的距离

rW-—水或泥浆的容重 (KN/m3)

rc—混凝土的容重  (KN/m3)

在封闭底部之后，浇筑工作不得随意中断。如果导的管插入深度超出3米，应将其提高约1米，以确保混凝土可以顺畅流入桩内；如果导管的插入深度超出6米，应及时拆卸，灌注过程中保持导管插入混凝土2到6米为宜。灌注阶段如出现卡顿、堵塞情况，需对导管上下移动，间隔时间不得超出15分钟。[4]每次拆除上部导管前，精确计算导管埋深，保证拆除时导管不悬空，避免发生断桩，保障水下混凝土的灌注质量。当水下混凝土灌注至桩顶高程时，将导管反复起落达到混凝土密实的目的。

5.正循环钻机的应用效果

在粉砂土地质条件下，反循环钻机在钻进过程中，钻渣随泥浆被抽排出，残留泥浆稠度低，泥浆护壁效果一般，易造成孔壁土体失稳，导致塌孔，破坏成孔率。

正循环钻机在钻进过程中，钻渣大部分留在钻孔中，与泥浆混合后使泥浆稠度变大，产生较好的泥浆护壁效果，大大提高了成孔率和成孔质量。综上所述，在粉砂土地质条件下施工钻孔灌注桩采用正循环钻机可以有效防止塌孔、断桩的问题，保证成桩质量，在很大程度上保证了施工进度。

结语

本文主要对在粉砂土地质条件下，正循环钻机的应用效果进行了阐述，但也不一定详尽，只有结合工程实际情况选择最优方案，才能解突破技术的限制，不断提高工程质量和创新能力。在粉砂土地质条件下，正循环钻机凭借稳定性好和成孔率高等优势，被广泛应用，对今后在粉砂土地质条件下施工钻孔灌注桩提供了有效的技术支撑。