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旋挖鑽孔樁沉渣產生原因及清孔處理!

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旋挖鑽孔樁沉渣產生原因及清孔處理!

發布日期:2020-03-20 作者: 點擊:

旋挖鑽機自動化水平高,適應能力強。但受不同鑽機的機械性能、人員操作水平、現場技術管理能力等存在的差異,特別是受場地地層條件的影響,加之行業尚未編製相關旋挖鑽孔樁施工技規範,沒有形成係統的工法研究,施工過程中大量的旋挖成樁的質量問題也隨之產生,樁底沉渣過厚即是較普遍的質量通病之一。 樁底沉渣超標或過厚對樁基質量將產生嚴重的影響,主要體現在:沉渣過厚嚴重製約樁端承載力的發揮和增大樁的沉降位移,對樁基上層建築整體結構安全會造成巨大不良隱患。

鑒於以上問題,現行樁基規範對鑽孔灌注樁孔底沉渣厚度提出了明確要求。在《建築樁基技術規範》(JGJ94-2008)中,規定端承樁沉渣厚度≤50mm,摩擦樁沉渣厚度≤100mm,許多地方性行業規範也出台明確規定對此進行約束。然而在實際施工中,由於對旋挖鑽機操作人員培訓不夠,現場技術管理人員對施工工序把握不嚴,特別是受複雜地層的影響,造成樁底沉渣超標問題依然嚴峻。

因此,如何在旋挖鑽孔樁施工過程中預防樁孔沉渣的產生,合理選擇樁孔的二次清孔工藝,保證孔底沉渣滿足設計和規範要求,成為困擾業界對旋挖鑽機的客觀評價和使用前景。 本文結合深圳地區旋挖鑽孔灌注樁施工情況,分析了旋挖樁孔底沉渣產生的原因,提出了幾種有效的二次清孔方法,論述了不同清孔方法的特點,提出了綜合優化選擇的方法。 

01

旋挖樁樁底沉渣原因分析及控製措施

旋挖鑽孔灌注樁樁底沉渣可能產生於旋挖鑽機施工的鑽進成孔、安放鋼筋籠、灌注混凝土等多個環節中,分析認為沉渣產生的原因大致分為以下幾類:

1.1 樁孔孔壁塌落 

1.1.1原因分析  樁孔孔口填土層不穩定塌落孔內;泥漿比重過低,懸浮能力差;提升鑽具太快,形成孔內向上的抽吸作用;提鑽時孔內泥漿液麵下降,未及時補充孔內泥漿;鑽具提放刮碰孔壁;下放鋼筋籠刮碰孔壁;終孔後未及時灌注砼,孔壁浸泡時間過長。

 1.1.2控製措施  孔口安放鋼護筒保護孔口,護筒長度根據地層條件,適當加長;加大泥漿比重,提高泥漿的粘度,減少孔底沉澱;控製旋挖每回次進尺,嚴禁鑽筒打滿提鑽,避免抽吸現場;鑽具提高孔口前,及時補充孔內泥漿,保持泥漿液麵高度;鑽具提放時保持對中,慢提、慢放,防止刮碰;下放鋼筋籠保持對中、垂直;終孔後及時灌注樁身混凝土,減少輔助作業時間。

 1.2 泥漿沉澱 

 1.2.1原因分析  

泥漿性能參數不合格,護壁效果不佳;灌注前等待時間過長,泥漿發生沉澱;泥漿含砂率高。

1.2.2控製措施  

配製合適參數的泥漿,並及時檢測、調整泥漿性能;縮短灌注等待時間,避免泥漿沉澱;設置泥漿沉澱池或者泥漿分離器將泥漿中泥砂沉澱分離,並調整泥漿性能。

 1.3 鑽孔殘留 

 1.3.1原因分析  

鑽具鑽底變形或者磨損過大,渣土泄露生成沉渣;鑽底結構本身限製,如鑽齒布置高度、間距等原因造成渣土殘留過多生成沉渣。 

 1.3.2控製措施  

選用合適鑽具,經常檢查鑽底結構;減小旋轉底和固定底間隙;及時補焊保徑條,更換磨損嚴重的邊齒;合理調整鑽齒布置角度、間距;增加清渣次數,減少樁底殘留。 

 1.4清孔工藝 

 1.4.1原因分析  

清孔時的抽吸作用造成垮孔;清孔時泥漿性能不達標,沉渣無法攜帶出孔底;清孔工藝選擇不合理,沉渣無法清除幹淨。 

1.4.2控製措施    

清孔時控製泵的抽吸力,減少對孔壁的衝擊;清孔時換漿,並調整好泥漿性能指標;根據鑽孔情況,選擇適合的二次清孔工藝。

旋挖鑽孔灌注樁二次清孔技術  

旋挖鑽孔施工過程中應采取適當措施避免沉渣產生,在鋼筋籠、灌注導管安放後,對沉渣過厚的樁孔,須選用合適的二次清孔工藝進行沉渣處理。二次清孔是在完成旋挖成孔、下入鋼筋籠和灌注導管後,利用灌注導管清除孔底沉渣的關鍵工序。樁孔二次清孔工藝的合理選擇,對清除孔底沉渣,保證樁身工程質量極其重要。 目前,業內旋挖樁樁孔二次清孔技術按泥漿循環方式可分為以下三類:泥漿正循環清孔、反循環清孔和鑽具無泥漿循環清孔。

02

泥漿正循環清孔

2.1.1 工藝原理  

泥漿正循環清孔工藝是普遍采用的一種清孔方式,是由泥漿泵泵送的泥漿經過膠管,與孔口的灌注導管連接,並把泥漿送到孔底;送到孔底的泥漿懸浮並攜帶孔底沉渣,再經過灌注導管與孔壁之間的環狀空間返回地麵,流入循環溝、沉澱池,然後進入泥漿池循環使用。 正循環二次清孔工藝原理見圖1示。

圖1正循環二次清孔原理示意圖

2.1.2 清孔操作注意事項  

泥漿正循環清渣運行時須注意以下事項:

 (1)選擇合適的泥漿泵,泥漿流量過大,對孔壁衝刷大,容易塌孔;泥漿流量小,沉渣上升速度慢,清渣效果差,耗費時間長。實際施工中,流量、揚程作為選擇泥漿泵的依據,可根據樁孔直徑大小配製功率在12~30KW之間的3PN泥漿泵。  

(2)減少管道接口,避免管道直徑劇烈變化、運行方向劇烈變化,減小泥漿循環係統中的沿程阻力和局部阻力消耗。 

(3)泥漿循環過程中,泥漿循環係統中含有較多的粗顆粒或岩渣,會反複循環帶入孔內,影響清孔效果。應定期對沉澱池、泥漿池廢渣進行清理,可加大、加長泥漿循環溝,並派專人溝內撈渣。 

(4)清孔過程中,根據清渣效果適時上下提放、左右移動導管,加快擾動孔底沉渣,以達到快速清渣的效果。

2.2泥漿旋流器正循環清孔 

2.2.1 工藝原理

為減少正循環二次清孔過程中泥漿中粗顆粒含量大,提高泥漿性能指標,縮短清孔時間,提升清孔效果,在泥漿正循環清孔係統中,引進了泥漿旋流器輔助清孔,即:在泥漿泵泵送泥漿入孔底的膠管上,在地麵串聯泥漿旋流器,在泥漿被泵入孔底前將泥漿中的粗顆粒排出,預先進行漿渣有效分離,保證優質泥漿進入孔底,減少岩渣的重複帶入,並有效地提高了泥漿的攜渣能力,大大縮短清孔時間,既提高工效,又保證清孔效果。泥漿旋流器二次清孔工藝平麵布設見圖2示。


圖2旋流器二次清孔示意圖


2.2.2  清孔操作注意事項 

 泥漿旋流器正循環二次清孔憑借旋流裝置對泥漿進行有效分離,其操作簡便、分離效果好,是普通泥漿正循環清孔係統的升級工藝,是我公司擁有的實用新型專利技術,同時被評為2011年度深圳市工程建設市級工法、廣東省工程建設省級工法,具有實用性、有效性,為二次清孔提供了新的可靠選擇。

 泥漿旋流器正循環二次清孔時應注意: 

(1)派專人負責旋流器工作狀態,觀察排渣口是否堵塞;如出現旋流器進口部分吸入塊石、牡蠣殼、水泥塊等較大異物時,會使進漿速度降低,應及時清除。 

(2)如果旋流器進口泥漿中的固相粗顆粒含量過高,或底流口閥門調節過小,會使旋流器過載,會導致底流口堵塞,可通過調節底部閥門,以保持底部排渣通暢。 

(3)旋流器出渣口設置專門的排渣池,並及時進行清理排渣。 

(4)旋流器的選擇應與泥漿泵量相匹配。

2.3  泵吸反循環二次清孔 

2.3.1 工藝原理  

為保證清孔滿足設計和規範要求,對大樁、深樁通常的做法是采用泥漿泵吸反循環工藝。泵吸反循環二次清孔是利用砂石泵的抽吸作用,在灌注導管內腔造成負壓狀態,在大氣壓力作用下,處在灌注導管與孔壁之間環狀空間中的泥漿流向孔底,被吸入灌注導管內腔,隨即上升至地麵泥漿循環係統,經泥漿沉澱池沉澱處理後,再由泥漿池、泥漿循環溝流入孔內。 泵吸反循環二次清孔工作原理見圖3示。


圖三泵吸反循環二次清孔工作原理示意圖


2.3.2  清孔操作注意事項  

采用泵吸反循環二次清孔具有抽吸能力強、清孔時間短、孔底幹淨的特點,但清孔時需注意: 

(1)清孔時需增加6BS反循環砂石泵,整體循環係統管路布設較複雜,反循環現場操作專業性較強,真空度的形成具有一定的難度。 

(2)由於泵吸反循環砂石泵流量可達180m3 /h,抽吸能力超強,形成的負壓對孔壁穩定有一定的影響,對深厚淤泥、砂層厚的樁孔,應控製反循環流量。 

(3)清孔時,應注意保持護筒內泥漿麵的水頭高度,保持回流入孔內的泥漿量與抽吸量平衡一致。泵吸反循環泥漿使用量較大,需控製好泥漿的性能和參數,做好廢漿廢渣的處理。

 2.4 氣舉反循環處理方法 

 2.4.1 工藝原理  

氣舉反循環清孔是在導管內安插一根長約2/3孔深的鍍鋅管將高壓空氣送入導管內2/3孔深處,與導管內泥漿混合,經充氣後在導管內產生低壓區,連續充氣導管內外壓差不斷增大,當達到一定的壓力差後,平衡打破,則迫使泥漿在高壓作用下從導管內上返噴出,同時孔底岩渣被高速泥漿攜帶從導管上返噴出孔口。 氣舉反循環原理如下圖4示。

圖4  氣舉反循環原理


2.4.2  清孔操作注意事項  

氣舉反循環二次清孔工藝壓力差大,流速快,攜渣能力強。清渣工藝運行時,除減少阻力、移動導管、分離泥漿中泥砂等,還須注意: 

(1)氣舉反循環設備配置較為複雜,在進行實際工作之前必須進行一定的調試和優化,尤其是空壓機選型,設置合適的進氣管長度直接影響循環清渣效率。 

(2)氣舉反循環會引起樁孔底部產生抽吸負壓,在不穩定地層使用須防止塌孔。

(3)反循環作業過程中,須始終保持護筒內泥漿液麵的水頭高度,保持回流入孔內的泥漿量與抽吸量平衡一致,防止產生塌孔。

2.5 “潛水電泵+泥漿淨化器”二次清孔係統 

2.5.1 工藝原理  

為解決大直徑樁、超深樁的二次清孔效果差、泥漿循環複雜、泥漿排放量大等難題,我司研發出“潛水電泵+泥漿淨化器”二次清孔係統, 即:采用潛水電泵與灌注導管連接,當潛水電泵開動時,直接抽吸孔底沉渣,形成泥漿反循環;潛水電泵用膠管與泥漿淨化裝置相連,抽吸上來的泥漿進入泥漿淨化係統,實現漿渣分離,渣直接排出裝車外運,泥漿重新通過泥漿淨化器出口流入孔口,以保持孔內泥漿液麵高度,維護孔壁穩定,並循環使用,以達到清孔的目的。 

“潛水電泵+泥漿淨化器”二次清孔係統工作原理見圖5、圖6示。

圖5 “潛水電泵+泥漿淨化器”二次清孔係統原理圖

圖6 “潛水電泵+泥漿淨化器”二次清孔現場布設圖


2.5.2  清孔操作注意事項  

(1)泥漿淨化裝置型號的選擇將根據潛水電泵型號、處理能力等綜合考慮,當潛水電泵流量不大於100 m3/h時,可選擇ZX-100型;當潛水電泵流量大於或等於100 m3/h時,可選擇ZX-200型,以達到流量和處理能力之間的平衡,滿足泥漿淨化能力的需求。 

(2)孔口潛水電泵是二次清孔過程中重要的機具設備,潛水電泵分別與灌注導管和泥漿淨化裝置相連,形成泥漿反循環二次清孔工藝;為了確保潛水電泵的密封性,一般將潛水電泵沉入到泥漿液麵下,防止漏氣。 

(3)清孔係統安裝完成後,進行專項檢查,包括:灌注導管離孔底高度、各接口的密封性、泥漿淨化裝置的穩定性、各類電器的安全性等,檢查符合要求進行二次清孔。 

(4)清孔過程中,密切監測孔口泥漿液麵的高度,保持潛水電泵抽排泥漿量與回流的泥漿量基本一致,以確保孔內泥漿的水頭高度,以保持孔壁穩定。 

2.6旋挖鑽鬥清孔(無泥漿循環清孔)

 2.6.1 工藝原理 

 旋挖鑽鬥清孔即利用專用的撈渣鑽鬥清除孔內的沉渣,在鑽進成孔過程和灌注混凝土前,不需要使用泥漿正循環或反循環進行孔內清孔的一種清孔方式。這種清孔方式,主要由旋挖鑽鬥撈取鑽孔底沉渣,同時依靠泥漿起到保護孔壁穩定和懸浮沉渣的作用,使孔內泥漿中的粗顆或鑽渣在較長時間內處於懸浮狀態,在鋼筋籠、灌注導管安裝後,孔底保持少沉渣或無沉渣。 

2.6.2 旋挖鑽鬥無泥漿循環清孔實踐  

(1)工程概況:深圳福田中心區國信金融大廈樁基礎大直徑鑽孔灌注樁樁徑為φ1800、φ2000、φ2200、φ2600mm,樁孔深度38~41mm,樁底持力層為入中風化花崗岩2m或入微風化花崗岩0.5m,微風化花崗岩抗壓強度達到75MPa。 

(2)樁基礎施工及清孔措施:樁基礎施工選擇三一重工SR420Ⅱ旋挖鑽機,孔口埋設3m護筒,采用納基粉、氫氧化納、CMC調製成化學泥漿。 以樁徑φ2600mm孔為例: 上部填土、粉質粘土、殘積土及強風化岩層(約38m深)采用旋挖取土鑽鬥按直徑φ2200mm、φ2600mm分二級依次成孔,由於旋挖成孔以靜態泥漿無循環鑽進,且成孔速度快(約需6h),孔壁泥波薄,因此,此階段泥漿控製在比重1.08~1.20、粘度18~20S。 下部中風化、微風化岩層堅硬、入岩深,旋挖硬岩鑽進采用分級擴孔,即先用直徑φ800mm截齒鑽筒鑽進,鑽至設計終孔深度後,直接取出岩芯;終孔深度確定後,依次采用直徑φ1300mm、φ1500mm、φ1800mm、φ2000mm、φ2200mm、φ2400mm、φ2600mm旋挖鑽鬥或鑽筒從上而下擴孔鑽進,每級孔鑽進完成後,采用撈渣鑽鬥清孔。這種岩層分級擴孔、撈渣,縮短了每級孔鑽進硬岩的施工時間,減小硬岩鑽進的阻力,提高入岩鑽進效率。為減小鑽具截齒與硬岩摩擦的熱能,岩層鑽進時泥漿控製為低比重、中粘度,比重為1.05~1.15、粘度18~22S。 在終孔後、下入鋼筋籠、灌注導管之前,采用氫氧化納調整孔底段泥漿性能,使孔底以上10m左右範圍內形成小比重(比重1.05~1.10)、大粘度(粘度22~25S)泥漿,使孔底段泥漿狀態處於絮狀,保持泥漿中的粗顆粒處於懸浮狀態,確保在鋼筋籠、灌注導管安放後,孔底沉渣滿足設計要求。 

(3)旋挖鑽進、成樁效果:國信大廈旋挖樁施工直徑φ2600mm、深度41m、入中(微)風化花崗岩3m的樁,采用無泥漿循環清孔,每2.0~2.5天完成成樁;施工直徑φ2000mm及以下樁,每天可完成2~3根。  

2.6.3 旋挖鑽鬥無泥漿循環清渣注意事項  

(1)做好孔口、孔壁的保護。采用旋挖撈渣鑽鬥清渣,應充分做好孔口護筒埋設,切實維持好護筒內泥漿液麵的水頭高度,防止鑽進過程中孔口垮塌和孔壁坍孔。由於樁徑大,每次旋挖鑽鬥提離孔口前,護筒內泥漿麵都會下降1.2m左右,此時需進行及時補漿,維持護筒內液麵高度。 

(2)撈渣鑽鬥結構合理。鑽進至樁孔設計持力層深度後,使用截齒撈砂鬥在不加壓的情況下空轉數圈,使得樁底盡量平坦,便於清渣;岩層鑽進清渣導板盡量短小或平底,以便於孔底渣土進入筒體;清渣導板高度越小,清渣效果越理想。清渣鑽鬥鑽底結構必須依據截齒鬥底形狀進行對應修改,盡量減小導板和中心錐高度。 

(3)泥漿管理是關鍵。旋挖鑽機應設置專門的泥漿班組,派專人負責泥漿的調製和管理。

(4)控製泥漿性能是旋挖鑽鬥清渣過程中的關鍵,要想實現無泥漿循環清孔,必須科學合理掌握泥漿的調配,並動態使用好泥漿。如:上部土層鑽進時間短,此時應適當加大泥漿比重,維護孔壁穩定;岩層鑽進回轉阻力大,時間相對較長,泥漿比重可適當降低;終孔後旋挖鑽鬥撈渣處理後,由於需要安放鋼筋籠、灌注導管,此時將泥漿調製成低比重、高粘度,使底部段泥漿形成絮狀和稠度,提升泥漿的懸浮能力,避免泥漿內固相顆粒沉入孔底。 

(5)鑽具清渣後,縮短輔助作業時間,即刻下籠灌注樁身混凝土,最大限度減少孔底沉渣量。

03

旋挖鑽孔樁孔底沉渣二次清孔技術對比分析

從適用範圍、設備配置、清渣效率、泥漿使用量共4個方麵進行對比分析所述清渣方法特點: 

3.1適用範圍  

(1)正循環清渣:包括旋流器正循環清渣,其適用於直徑和深度都較小的樁孔,便於泥漿攜帶沉渣上返,一般樁徑1.5m及以下,深度40m以內。否則需要配置超大功率泥漿循環泵才能實施。 

(2)反循環清渣:包括泵吸反循環、潛水電泵+泥漿淨化器反循環清孔、氣舉反循環清渣,其適用於樁徑1.5m以上的大直徑樁,為使循環有足夠的壓力差,一般要求樁孔深度大於10m,泵吸反循環樁深可達80m左右,氣舉反循環孔深可超過100m。

(3)鑽具清渣采用撈渣鑽具配合泥漿清孔,其適用於所有旋挖鑽進工藝,尤其適合長護筒、全護筒鑽進及泥漿循環容易引起塌孔的情況。 綜上所述,正循環清渣適用範圍較小,反循環清渣適用範圍較大,鑽具清渣適用範圍最廣。

3.2設備配置  

(1)正循環清渣:所需設備為泥漿泵、導管等; 

(2)旋流器正循環清渣:所需設備為泥漿旋流器、泥漿泵、導管等; 

(3)泵吸反循環清渣:所需設備為砂石泵、導管; 

(4)氣舉反循環清渣所需設備:空壓機、泥漿泵、導管、進氣管、接頭等; 

(5)潛水電泵+泥漿淨化器反循環清孔:潛孔電泵、泥漿淨化器、導管等; 

(6)鑽具清渣:配置與樁徑適應的清渣鑽頭。 在以上六種清渣工法中,反循環係統所需設備最多,係統結構也較複雜,操作有一定的技術難度,如反循環真空度的掌握等。另外,鑽具清渣無需太多外配設備,但由於旋挖清渣鑽鬥價格與普通旋挖鑽具接近,大直徑清渣鑽具價格較為昂貴,並且孔徑不同時需要不同直徑的清渣鑽鬥,初期投資較多是它與泥漿循環清渣相比存在的缺點。

3.3 清渣效率  

在以上正循環、反循環、鑽具無泥漿循環清渣工法中,以鑽具清渣效率最高,通常經過3~5次提放清渣即可滿足灌注要求;氣舉或泵吸反循環次之,清渣耗時往往在2~4h之間,而正循環清渣效率最低,往往耗時4~6h。然而,實際清渣時間與設備配置、工程地質特征、泥漿質量等因素密切相關,難以一概而論。 

 3.4 泥漿使用量  

以上六種清孔工藝中,反循環泥漿使用量最大,正循環次之,鑽具清渣最小。

04

旋挖鑽孔樁清渣工藝優化選擇

對於旋挖鑽孔樁清渣及二次清孔工藝的優化選擇是確保樁孔質量的關鍵,抖音版富二代app認為主要應把握以下幾點:

(1)旋挖鑽孔樁清渣方法較多,F2富二代官方APP提倡的是沒有最好、隻有合適,每一種工藝方法都必須與設備、人員、地層、環境相適宜,能簡單處理,就不複雜操作,以達到清孔效果為目的。 

(2)小直徑樁、淺樁,由於樁孔斷麵小、清孔深度小,采用泥漿正循環二次清孔能較好滿足要求。 

(3)對於大直徑樁、超深樁,采用泥漿正循環清孔速度慢、效果差,此時必須采用泥漿反循環清孔工藝。反循環清孔工藝中,根據孔徑、孔深,合理選擇泵吸或氣舉循環工藝。 

(4)在二次清孔過程中,泥漿淨化裝置(如旋流器、黑旋風係列)的使用,能快速分離泥漿中的固相粗顆粒,減小泥漿含砂率,提高泥漿的性能,可加快漿渣分離,提高清孔速度、保證清孔質量、減少泥漿量排放,可以起到事半功倍的效果。 

(5)鑽具無泥漿循環清渣,是旋挖鑽孔樁施工中值得提倡的一種清孔新工法,其最大的特點是在鑽孔安放鋼筋籠、灌注導管後,可以保持孔底少沉渣或無沉渣,無需再進行二次清孔,具有清渣效果好、輔助設備少,大大提升了成樁效率,最大限度地發揮出了旋挖機高效的特性。這項清渣技術已在國信金融大廈、阿裏巴巴大廈、阿裏雲大廈在、人壽大廈等一批旋挖樁基工地上運用,取得了令人滿意的效果,應大力推廣。 

(6)深圳地區旋挖樁施工隊伍眾多,且以個體擁有數量大,旋挖鑽機性能、管理水平、樁機工操作能力差別大,其往往倉促上馬、缺乏培訓,對旋挖樁施工技術、操作技能掌握不足,尤其對鑽進泥漿性能的掌握大多數一知半解,往往難以達到預期的效果。因此,在二次清孔具體操作時,應根據實際情況,調整清孔工藝。特別是如采用鑽具無泥漿循環清渣工藝,其實際運用技術含量高,在安放鋼筋籠、灌注導管後,在灌注混凝土前如測量孔底沉渣不能滿足設計要求,則必須采用泥漿正循環或反循環進行二次清孔。


  END 

來源:岩土工程市場

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