硕士毕业论文-岩溶地区钻孔灌注桩的施工技术及其对桩基承载力的影响.doc

摘要摘要 在桥梁基础类型的设计选择方面，钻孔桩以其适用面广，施工技术要求相 对简单、成孔快、质量高、施工安全保障性强等特点，在铁路、公路、市政等 大型基础设施建设中得到广泛应用。岩溶地层钻孔桩施工的难点在于岩溶地貌 特征破坏了工程地质条件的连续性，与普通地质条件相比，技术难度复杂，病 害类型较多，常见的施工病害有漏浆、偏孔、卡钻、埋钻及漏混凝土等。本文 将在施工实践的基础上，对岩溶地区钻孔桩基础施工技术进行总结，并对常见 疑难问题和解决方法从施工工艺上加以完善和系统化。 本文首先从影响钻孔灌注桩承载性能的各种关键的施工因素出发，结合实 际工程对钻孔灌注的施工工艺进行研究，提出了一套施工控制质量体系，并针 对桩基的施工及质量事故分析发生的原因，给出了相应的解决措施；其次，针 对岩溶地区的特点，研究了岩溶地区钻孔灌注桩的施工方案和质量控制，及施 工对承载力的影响；最后，对某岩溶地区工程实例桩基施工工艺进行了研究， 为该项工程钻孔灌注桩的施工提供了理论保证，也为类似工程提供有价值的借 鉴。 钻孔灌注桩施工是一项相对而言较为敏感的工艺，每一道工序的施工都必 须认真严格的进行，任何一个疏忽都有可能给桩基带来施工事故或质量事故。 通过对钻孔灌注施工工艺的研究，可以更好的指导施工，加快施工进程，减少 质量事故，保证质量安全，提高社会、经济效益，对实际工程具有重要的理论 指导意义和应用价值。 关键词：关键词：钻孔灌注桩 施工工艺 质量控制 泥浆 清孔 护筒 岩溶地区 abstract as a kind of deep foundation，bored piles have been used and developed widely in the world，because of strong applicability，small influence for contiguous structure，strong aseismatic capability，little construction noise，no vibration，simple facility，convenient manipulation and construction safety etc.though it has possessed a set of better technique， many accidents of project have still been taking place continuosly，because bored piles are constructed underground and underwater. therefor， construction method of bored piles is investigated necessarily. firstly，this paper investigates deeply the key construction factors which affect the load-bearing capacity of bored piles.construction method of bored piles is investigated based on practical projects and quality control system is put forward.in view of the quality accident reason of piles construction，some measures are also put forward. at last，on the basis of the reservoir bridge practice，the methods for disposing of construction method and engineering accident are given and summarized，which would be the useful enlightenment for the construction method and the accident disposition of bored piles. construction of bored piles is a sensitive technics comparatively，every working procedure must be operated strictly，every carelessness will bring construction and quality accident possibly.researching the construction method of bored piles，can instruct the construction better，accelerates the construction process，decreases the quality accident， ensures the quality safety，improves the social and economic efficient，has important significance of theory instruction and practical application values to the practical projects. key words：bored pile ； construction method ； quality control ； slurry ； cleaning； hole； tube 目录 摘要 1 abstract 2 目录 3 第 1 章 绪论 .6 1.1课题工程背景及意义6 1.2灌注桩国内外发展概况6 1.3钻孔灌注桩的使用现状7 1.4钻孔灌注桩存在的缺陷9 1.5 本课题研究的内容 .9 第 2 章钻孔灌注桩施工工艺要点与质量控制.11 2.1成孔阶段的质量控制11 2.1.1钻进方法的选择 11 2.1.2正循环回转钻进施工法12 2.1.3反循环回转钻进施工法16 2.1.4冲击钻进 22 2.2清孔阶段的质量控制27 2.2.1清孔的目的 27 2.2.2清孔的质量要求 27 2.2.3清孔的方法 28 2.2.4清孔注意事项 30 2.3水下混凝土的灌注 30 2.3.1水下灌注混凝土的性能参数31 2.3.2混凝土灌注操作技术 31 2.3.3混凝土灌注速度 32 第 3 章岩溶地区钻孔灌注桩施工特点及技术措施.33 3.1岩溶地貌的特点 33 3.2岩溶地区钻孔灌注桩工程施工特点33 3.2.1成孔工艺比较 33 3.2.2施工中可能发生的情况34 3.2.3混凝土灌注特点 34 3.2.4施工的特殊措施 34 3.3施工技术措施 35 3.3.1一般溶洞的处理 35 3.3.2特大型溶洞的处理 35 3.4岩溶地区钻孔灌注桩常见质量事故及原因36 3.4.1斜桩，卡锤 36 3.4.2塌孔，扩孔 36 3.4.3泥浆沉淀 37 3.5岩溶地区钻孔桩施工质量控制要点38 3.5.1施工前的质量控制要点38 3.5.2施工过程中质量控制要点39 3.5.3清孔的质量控制 39 3.5.4混凝土浇筑质量的控制39 3.6桩基质量检测 40 3.7钻孔桩施工技术对承载能力的影响40 3.7.1施工工艺对承载能力的影响40 3.7.2桩顶荷载对承载能力的影响41 3.7.3超灌支盘对承载能力的影响41 第 4 章工程实例分析 .42 4.1工程概况 42 4.2施工方法及特点 42 4.2.1工艺流程： 42 4.2.2施工特点 42 4.2.3施工要点及注意事项 43 4.3施工情况分析 45 4.4常见事故处理 46 4.4.1漏浆坍孔 46 4.4.2卡钻脱锤 47 4.4.3埋钻 47 4.4.4漏混凝土 47 4.4.5偏孔 47 4.5本章小结 48 第 5 章结论与展望 .49 参考文献 .50 致谢 53 第 1 章 绪论 1.1 课题工程背景及意义 第十届国际土力学及基础工程会议上的桩基础总结中披露：在所有被调查 的就地灌注桩中有缺陷的大约占到 5%10%。 公路桥涵施工技术规范(jtj041-2000)中也只是对施工中的一些技术参 数进行了规定，并未详细地介绍施工工艺1。施工单位在对水下钻孔灌注桩的 施工过程中，也基本上是凭借施工经验进行施工的。 岩溶地质条件为桥梁钻孔灌注桩基础设计与施工中比较严重的地质病害。 桥梁荷载通过桩基础传递到地层中，桩基承载能力为桩周土的摩阻力和桩端支 承力之和。在岩溶地区，由于溶洞的存在，对桩基的承载能力产生重大影响， 如桩周的溶洞可能影响桩周土与桩基的摩阻力：如溶洞位于桩基的底部，可能 因溶洞顶板厚度不够，在桥梁荷载作用下，压碎顶板，桩基承载能力损失，而 引起桥梁结构的破坏。同时，岩溶在桩基施工过程中可能引起垮孔、偏孔、断 桩等施工事故。 本课题研究结合岩溶地区钻孔灌注桩施工的特点，深入研究钻孔灌注桩的 施工工艺，在施工前做好各项准备工作，并加强技术管理，尽量减少和避免事 故的发生，确保钻孔灌注桩的质量，为以后钻孔灌注桩的施工提供参考；优化 岩溶地区钻孔灌注桩的施工工艺、为设计提供借鉴，达到缩短工期，节省资金 的目的。 1.2 灌注桩国内外发展概况 灌注桩可分为人工挖孔桩和机械钻孔桩两大类。人工挖孔桩于 1893 年在 美国问世，至今已有 100 多年。当时美国芝加哥、底特律等大城市由于工地紧 张，高层建筑物不断增加，而且某些高强轻质的新材料相继开始生产，为高层 建筑设计施工创造了条件。但这些城市地表以下存在着厚度很大的软土或中等 强度的粘土层，建造高层建筑如仍沿用当时通行的摩擦桩，必然会产生很大的 沉降。于是工程师不得不考虑把桩设在很深的持力层，并且为满足承载力要求， 还必须把其截面设计得较大。但这样的桩不可能用木材制作，若用钢管、型钢 或钢筋砼预制，依靠当时的打桩设备又难以打至必要的深度，于是借鉴人类相 传的掘井技术，人工挖孔桩就在这样的情况下试验成功2。 钻孔灌注桩是在人工挖孔桩问世后约 50 年，亦即 20 世纪 40 年代初，随 着大功率钻孔机具研制成功，也是首先在美国问世的。随着二次世界大战后世 界各地经济复苏与发展，高层、超高层建筑物和重型构造物不断兴建，它们绝 大多数都选择了钻孔灌注桩。尤其自 20 世纪 7080 年代以来，钻孔灌注桩在 世界范围内出现了蓬勃发展的局面，其用量逐年上升，居高不下2-3。 一个世纪以来世界各地的灌注桩应用情况说明，它不仅解决了某些工程面 临的难题，更重要的是突破了一个沿袭了数千年的传统，这就是人类自从利用 天然木材制桩，以至 19 世纪 20 年代曾企图利用铸铁制作(因其性质脆而失败)， 乃至本世纪初开始成功地利用热轧型钢制桩，稍后又利用钢筋混凝土制桩，都 是采取先预制而后借助某种机具打入土中的传统。灌注桩取源于混凝土在上部 结构司空见惯的现浇工艺，为古老的桩基技术开创了一条崭新的工艺路线。 我国应用灌注桩始于上世纪 60 年代初，当时是在南京、上海、天津、河 南等地作为桥梁和港口建筑基础，自 70 年代中期后又陆续在广州、深圳、北 京、厦门等大城市应用于高层和重型建筑物，至 80 年代未 90 年代初，随着改 革开放步伐加快，灌注桩迅速发展，仅数年间已普及于全国除西藏外的各省、 市、自治区数以千计的大中城市及开发区，主要应用于包括软土、黄土、膨胀 土等特殊土在内的各类地基。据估计，近年我国应用灌注桩数量之多已堪称世 界各国之最，可谓起步虽晚而发展迅速。 自从大直径人工挖孔桩和钻孔桩相继在美国问世以后，小直径灌注桩于本 世纪 50 年代初在意大利脱颖而出。从此，灌注桩一方面向大直径发展，另一 方面向小直径发展。 1.3 钻孔灌注桩的使用现状 钻孔灌注桩是桥梁工程最常用的基础形式之一，它具有适应性强、对邻近 结构影响较小、抗震性能强、施工噪音小、无振动、所需设备简单、操作方便、 施工安全等特点；而且钻孔灌注桩可将所有上部结构传来的动载和静载均匀地 传递至深层稳定的土层中，从而大大减少了基础沉降和不均匀沉降，故钻孔灌 注桩被广泛采用。表 1-1 为 1999 年2005 年度某市交通局所有桥梁工程基础 形式的统计结果。 表 1-1 桥梁基础形式统计表 年度采用钻孔灌注桩 作为基础的桥梁 采用其它形式 基础的桥梁 备注 1999187采用钻孔灌注桩作为基础的桥中有大 桥、特大桥 3 座，采用其它形式基础的桥 均为小桥。 2000173采用钻孔灌注桩作为基础的桥中有大 桥、特大桥 2 座，采用其它形式基础的桥 均为小桥。 2001193采用钻孔灌注桩作为基础的桥中有大 桥、特大桥 4 座，采用其它形式基础的桥 均为小桥。 2002192采用钻孔灌注桩作为基础的桥中有大 桥、特大桥 2 座，采用其它形式基础的桥 均为小桥。 2003233采用钻孔灌注桩作为基础的桥中有大 桥、特大桥 2 座，采用其它形式基础的桥 均为小桥。 2004234采用钻孔灌注桩作为基础的桥中有大 桥、特大桥 5 座，采用其它形式基础的桥 均为小桥。 2005262采用钻孔灌注桩作为基础的桥中有大 桥、特大桥 3 座，采用其它形式基础的桥 均为小桥。 从表 1-1 中可以明显地看出：绝大多数桥梁的基础形式为钻孔灌注桩，而 且钻孔灌注桩被公认为是安全可靠且极为有效的基础形式之一。 在国外，钻孔灌注桩也广泛地被应用于各种跨度的桥梁，尤其是在特大桥 梁基础中的应用，譬如美国波士顿新桥，主跨为 227.08m 的五跨斜拉桥，两主 塔墩基础分别采用 142.44m 和 162.44m 嵌岩钻孔灌注桩。 随着越来越多的大跨桥梁和各种超高层建筑物的出现，钻孔灌注桩成为了 建筑物基础的首选之一，可谓起步虽晚而发展迅速。 1.4 钻孔灌注桩存在的缺陷 由于钻孔灌注桩是在地下而且在水中成孔，灌注水泥混凝土，加之成孔方 法各异，地质条件的各种变化，水泥混凝土浇注时间的长短，施工技术人员水 平及经验的高低等因素，钻孔灌注桩极易出现各种缺陷4。最常见的缺陷有缩 颈、扩径、短桩、断桩(夹泥)、混凝土离析及桩顶部分混凝土密实性差等，表 1-2 为近年来检测的某地区 1344 根钻孔灌注桩缺陷统计结果5。 表 1-2 钻孔灌注桩缺陷统计表 项目 数量 占总检测桩数的百分数 1.正常或基本正常 1134 84.4 2.缩颈 172 12.8 3.严重缩颈或离析 14 1.04 4.混凝土强度偏低 20 1.50 5.断桩 4 0.26 表 1-2 中的统计结果在一定程度上反应出了在当今施工水平上，钻孔灌注 桩存在着严重的质量问题，急需加强管理和成品检测6-8。 1.5 本课题研究的内容 本文对钻孔灌注桩的施工工艺进行了深入的探讨和研究，主要研究内容如 下： (1)结合工程特点对钻孔灌注的施工工艺进行系统的研究，分析研究其质量 控制体系； (2)结合岩溶地区的特点，重点研究了岩溶地区钻孔灌注桩的施工及其质量 控制； (3)结合工程实例，对某岩溶地区工程实例桩基施工工艺进行了研究，为 该项工程钻孔灌注桩的施工提供了理论保证，也为类似工程提供有价值的借鉴。 第 2 章 岩溶地区钻孔灌注桩施工工艺与岩溶处理 钻孔灌注桩施工过程主要可分为成孔阶段、清孔阶段、水下混凝土灌注阶 段等三大阶段。钻孔灌注桩是一项工序多、技术要求高、工作量较大、并需要 在一个短时间内连续完成的地下(或水下)隐蔽工程。要保质、保量、按期完成 施工工程，必须认真做好施工的各项准备工作。 2.1 成孔阶段的质量控制 2.1.1 钻进方法的选择 由于在桩基施工中所遇到的土层种类多种多样，在成孔时就要采取不同的 钻进方法，有时即使在同一孔中钻进，也需要几种方法交替使用。譬如，从钻 进效率和对地层适应性上，一般回转钻进优于冲击钻进，而对于卵砾石、硬岩 地层，冲击钻进又优于回转钻进。于是又有把几种方法结合起来的回转、冲击 反循环钻进，更好地满足了在复杂地层中的钻进。 实践证明：在钻孔桩施工中，没有一种万能的钻进方法可适应不同工程地 质，而必须根据不同工程地质状况和桩基直径、长度分别选用正循环、反循环、 潜水、冲击、冲抓、人工掘进等方法来解决，有些地层则需多种方法配合才行。 在选择钻进方法时，以下经验可供参考。 (1)粘土、粘性淤泥、淤泥质土层及粉砂层，可采用回转、冲抓、冲击及振 动沉管、内击沉管法等钻进。应用泥浆护壁时，粘性土及轻亚粘土可采取原土 造浆护壁，砂性土需要选用优质泥浆护壁； (2)厚大的砂性土层，可采用回转、冲抓、潜水法施工，但应采取优质泥浆 护壁； (3)充填物较密实的砾石层，粒径小于 20mm 时可采用正循环或反循环回转 钻进，当粒径大于 20mm 而小于反循环钻头吸渣口尺寸时，可用反循环钻进， 一般大于 100mm 直径的卵石层，采取冲击或冲抓钻进效果较好，但都应配以 优质泥浆护壁； (4)人工堆集的大块石层，块石间充填物质胶结较好，可采用十字钻头冲击 加粘土块护壁的方法钻进。块径大小不一，互相松散堆架在一起时，或采取人 工掘进开挖的办法钻进；或往孔中投入素混凝土，待混凝土达到一定强度和松 散的块石胶结以后，再下入护筒，采用冲击、冲抓法钻进。 目前国内钻孔灌注桩常用的成孔方法主要有正反循环回转钻进成孔、冲击 钻进成孔、冲抓锥成孔、螺旋钻成孔、振动沉管法成孔、潜水钻机成孔等方法。 这些方法各有特点，其适应地层、作业深度都有一定的局限性，因此在选择成 孔方法时，应根据工程的具体情况，结合现有的技术装备水平，进行技术分析， 合理选择。成孔方法的选择是否合理，不仅对桩的成孔质量和施工速度至关重 要，而且对混凝土浇灌质量乃至桩的承载力具有决定性的意义，所以对成孔阶 段必须进行严格的质量控制。 一般条件下的施工，所遇到的最多和大量的是第四纪覆盖层。本章将就最 适宜于第四纪覆盖层钻进施工并且在我国适应性最广，最有发展前途的正、反 循环施工法以及冲击钻进施工法进行探讨。 2.1.2 正循环回转钻进施工法 1、正循环回转钻进的施工特点与使用范围 正循环施工法是钻机回转装置带动钻杆和钻头回转切削破碎岩土，钻进时 用泥浆护壁、排渣；泥浆由泥浆泵输进钻杆内腔后，经钻头的出浆口射出，带 动钻渣沿钻杆与孔壁之间的环状空间上升到孔口溢进沉淀池后返回泥浆池中净 化，再供使用8-9。这样，泥浆在泥浆泵、钻杆、钻孔和泥浆池之间反复循环运 行，如图 2-1 所示。 每种成孔施工方法本身都具有优缺点，正循环回转钻进成孔施工法的优点 如下所述。 (1)钻机小，重量轻，狭窄工地也能使用； (2)设备简单，在不少场合，可直接或稍加改进借用地质岩心钻探设备或水 文水井钻探设备； (3)设备故障相对较少，工艺技术成熟，操作简单，易于掌握； (4)噪音低，振动小，工程费用较低。 但是由于桩孔直径大，正循环回转钻进时，其钻杆与孔壁之间的环状断面 大，因此存在泥浆上返速度低，挟带泥砂颗粒直径较小，排渣能力差，岩土重 复破碎现象严重等缺点。 图 2-1 正循环回转钻进成孔原理示意图 1-钻头；2-泥浆循环方向；3-沉淀池及沉渣；4-泥浆池及泥浆；5-泥浆泵； 6-水龙头；7-钻杆；8-钻机回转装置 从使用效果来看，正循环钻进劣于反循环钻进。反循环钻进时，冲洗液是 从钻杆与孔壁之间的环状空间流入孔底，并携带钻渣，经由钻杆内腔返回地面 的。由于钻杆内腔断面积比孔壁间的环状断面积小得多，故冲洗液在钻杆内腔 能获得较大的上返速度。而正循环钻进时，泥浆运行方向是从泥浆泵输进钻杆 内腔，再带动钻渣沿钻杆与孔壁间的环状空间上升到泥浆池，故冲洗液的上返 速度低。一般情况下，反循环冲洗液的上返速度比正循环快 40 倍以上。 为了缓解这个问题，一是增大泥浆排量来提高上返流速；二是保持泥浆质 量、提高泥浆比重和粘度，来提高泥浆悬浮钻渣的能力。 正循环钻进成孔适用于填土、淤泥层、粘土层、粉土层、砂土层、也可在 卵砾石含量不大于 15%、粒径小于 10mm 的部分砂卵砾石层和软质基岩、较硬 基岩中使用，桩孔直径一般在 1.8m 以下，钻孔深度一般约为 40m，某些情况 下，钻进深度可达 100m。 2、工艺流程与施工注意事项 正循环施工工艺流程如图 2-2 所示，施工注意事项有下面几点。 (1)钻机安装就位后，底座和顶端应平稳，在钻进和运行过程中不应产生位 移或沉陷。钻机的顶端或各种自制钻架和桅杆顶端等处要用缆风绳固定防止倾 覆。回转钻机顶部的起吊滑轮缘、转盘中心和桩孔中心应在同一铅垂线上，其 偏差不得大于 2cm10； 图 2-2 正循环回转钻进成孔工艺流程 (2)开孔时应先启动泥浆泵和转盘，稍提钻杆，在护筒内打浆，开动泥浆泵 进行循环，待泥浆均匀后开始钻进，进尺应适当控制。钻孔进行到护筒刃脚处 时，用低档慢速钻进，使刃脚处有坚固的泥皮护壁，钻至刃脚下 1 米后，可按 土质情况以正常的速度钻进； (3)如护筒底土质松软发现漏浆时，可提起锥头，向孔中倒入粘土，再放下 锥头倒转，使胶泥挤入孔壁堵住漏浆空隙，稳住泥浆继续钻进； (4)在粘土层中钻进，由于泥浆粘性大，钻头所受阻力也大，易糊粘，宜选 用尖底钻头，中等转速，大泵量，稀泥浆钻进； (5)在砂土或软土层钻进时，易坍孔，宜选用平底钻头，控制进尺，轻压， 低档慢速，大泵量，稠泥浆钻进； (6)在粘砂土或砂粘土夹卵、砾石层中钻进时，因土层太硬，会引起钻头跳 动，整车、钻杆摆动加大和钻头偏斜等现象，易使钻机超负荷损坏。宜采用低 档慢速，优质泥浆，大泵量，两级钻进的方法钻进； (7)两级钻进时，第一级钻头底面积可取钻孔面积的一半，其钻头直径可按 式(2-1)计算： （2-1） 40 . 1 d d 式中：d第一级钻锥直径，m； d第二级钻锥直径，m。 (8)钻进时，每进尺 58 米，应检查钻孔直径一次； (9)正循环钻孔应采用减压钻进，即钻机的主吊钩始终承受部分钻具(钻杆、 钻锥、压重块)的重力，而孔底承受的钻压不超过钻杆(钢丝缆)、钻锥和压块 重力之和(扣除浮力)的 80%，以避免或减少斜孔、弯孔和扩孔现象； (10)在较硬的碎石土中，宜用低档慢速、优质泥浆、慢进尺钻进，必要时 可分两级钻进，即第一级先钻井孔面积中心的一半，至适当深度后，再扩孔 按设计孔径钻进； (11)机动推钻钻进时，应适当放松起吊钻锥的钢丝缆，钻杆顶端不得降到 扶钻平台下面，以防掉钻； (12)大中桥钻孔时，应绘制钻孔地质剖面图，以便按不同土层选用适当的 钻头、钻进压力、钻进速度和泥浆； (13)必须及时填写钻孔施工记录，交接班时应交待钻进情况及下一班应注 意事项； (14)钻孔作业应分班连续进行；应经常对钻孔泥浆进行试验，不符合要求 时，随时更正；应经常注意土层变化，在土层变化处均应捞取渣样，判明土 层，并记入记录表中，以便与地质剖面图核对； (15)在河水或潮水涨落较大处钻孔时，应采取稳定钻孔内水头的措施； (16)升降钻锥时须平稳，钻锥提出井口时应防止碰撞护筒、孔壁和钩挂护 筒底部，拆装钻杆力求迅速； (17)因故停钻时，孔口应加护筒盖；严禁潜水钻机和钻锥留在孔内，以防 埋钻。 2.1.3 反循环回转钻进施工法 1、反循环回转钻进的施工特点与使用范围 反循环回转钻进施工是在桩顶处设置护筒(其直径比桩径大 15%左右)，护 筒内的水位要高出自然地下水位 2m 以上，以确保孔壁的任何部分均保持 0.02mpa 以上的静水压力保护孔壁不坍塌，因而钻挖时不用套管，钻机工作时， 旋转盘带动钻杆端部的钻头钻挖内土。在钻进过程中，冲洗液从钻杆与孔壁 间的环状间隙流入孔底，并携带被钻挖下来的岩土钻渣，由钻杆内腔返回地 面，与此同时，冲洗液又返回孔内形成循环，这种钻进方法称为反循环钻进。 反循环回转钻进成孔适用于填土、淤泥、粘土、粉土、砂砾等土层；当 采用圆锥式钻头可进入软岩；当采用滚轮式(又称牙轮式)钻头可进入硬岩。反 循环钻进成孔不适用于自重湿陷性黄土层，也不宜用于无地下水的地层。 反循环钻进施工按其冲洗液(水或泥浆)循环输送的方式、动力来源和工作 原理可分为泵吸、气举和喷射等三种方法。 图 2-3 泵吸反循环施工法 1-钻杆；2-钻头；3-旋转台盘；4-液压马达；5-液压泵；6-方型传动杆；7-砂石泵；8-吸渣 软管；9-真空罐；11-真空胶管；12-冷却水槽；13-泥浆沉淀池 (1)泵吸反循环施工原理 泵吸反循环钻进是利用砂石泵(离心式水泵的一种)的抽吸作用，在钻杆柱 内腔造成负压状态；在大气压力的作用下，处在钻杆与孔壁之间环状空间中 的钻孔冲洗液流向孔底。同时，回转装置带动钻杆、钻头回转钻进切割岩土， 钻下来的岩土钻渣与流向孔底的冲洗液混合形成钻渣与冲洗液的混合液。混 合液经钻头水口被吸入钻杆内腔，随即上升至水龙头经砂石泵和排渣管排入 地面泥浆循环系统。混合液在地面进行渣液分离处理，分离后性能符合要求 的冲洗液可继续使用，注入孔内，形成泵吸反循环钻进，如图 2-3 所示。 在某大桥的实际施工中，在钻深达 77m 左右的 77#墩上选用了 gps-15 型 钻机配 3pn 泵、滚刀钻头进行钻进。77#墩在水深 69 米（受潮汐影响） ，地 质图中有淤泥、砂、砾石土、全风化石英以及微风化石英砂岩，具体如图 2-4 所示。在钻进过程中，发现此方法可钻至 77m 的深度。随着钻进深度的加深， 发现其缺点也比较突出，即每次停机后排渣时，需要花较长的时间才能重新 吸泥工作，因此其效率较低。钻了四根桩后，改用了郑州钻探机械厂生产的 qj250-1 型气举法钻机，用气举法钻进。 图 2-4 某大桥 77#墩地质剖面图 (2)气举反循环施工原理 气举反循环是将压缩空气通过供气管送至钻杆内，使压缩空气、钻杆内 的冲洗液以及被切割下来的岩土屑等在钻杆内形成(视比重)比水还轻的泥砂水 气混合物(三相混合物)。在钻杆外侧水柱压力的作用下，钻杆内的泥砂水气混 合物与冲洗液不断上升涌出地面，将钻渣排出孔外，流入地面泥浆沉淀池或 贮水槽中，土、砂、砾和岩屑等在泥浆池内沉淀，冲洗液则再流入孔内，如 图 2-5 所示。 图 2-5 气举反循环施工法 1-气密式旋转接头；2-气密式传动杆；3-气密式钻杆；4-喷射嘴；5-钻锤； 6-压送胶管；7-转盘；8-油压泵；9-空压机；10-压气胶管；11-泥浆沉淀池 在钻进过程中，应注意以下几点。 初钻措施：由于气举法施工的原理造成，必须让钻锥下端埋入泥浆中 一定深度，即在孔底泥浆压强和杆底泥浆空气混合体压强基本相等时，才能 吸引浆渣上升。为了达到这一目的，首先用正循环开孔钻进 8.5m，再改用反 循环气举法钻进； 空压机送风和钻锥回转同时进行； 接长钻杆时，先将钻杆提升 3040cm，再停止钻锥回转，后送风数分 钟，将孔底钻渣吸尽，再放下钻锥，进行拆换钻杆工作，避免埋锥事故； 随时注意护筒口泥浆标高，始终保持孔内泥浆压力大于孔外压力 2kpa。 (3)喷射反循环施工原理 图 2-6 喷射反循环施工法 1-旋转盘；2-射水；3-沉淀池 喷射反循环施工法是把高压水通过喷嘴射到钻杆内，利用其流速使水环 流，把低位的泥砂水混合物与水一起吸上，通过钻杆流至地面处的泥浆池或 贮水槽中，土、砂砾和岩屑等沉淀下来，水则流回孔内，如图 2-6 所示。 (4)三种反循环特点与比较 由于气举反循环是利用送入压缩空气使水循环，钻杆内水流上升速度与 钻杆内、外液柱的重度差有关。孔浅时供气压力不易建立，钻杆内水流上升 速度低，排渣性能差，如果孔深小于 7m，则吸升是无效的；孔深增大后，只 要相应地增加供气量和供气压力，钻杆内水流就能获得理想的上升速度，孔 深超过 50m 后即能保持较高而稳定地钻进效率(如图 2-7 曲线 a)。泵吸反循环 是直接利用砂石泵的抽吸作用使钻杆内的水流上升而形成的循环。喷射反循 环是利用射流泵射出的高速水流产生负压使钻杆内的水流上升而形成循环。 这两种方法，驱动水流上升的压力一般不大于一个大气压。因此，在浅孔时 效率高，孔深大于 80m 时效率降低较大。根据上述特点，为了提高钻进效率， 充分利用各种反循环方式的最好工作孔段，有时可采用其中两种方式相结合 的复合反循环方式。国内的钻孔灌注桩施工由于桩孔深度较浅，多采用泵吸 反循环钻进成孔。 图 2-7 三种反循环回转钻进效率曲线图 a-气举反循环；b-泵吸反循环；c-喷射反循环 2、工艺流程与施工注意事项 （1）反循环施工工艺流程如图 2-8 所示。 图 2-8 反循环施工工艺流程 (2)施工中的稳定性控制 反循环施工法在深孔钻进情况下，无护筒又想保证不坍孔，必须注意以 下几点。 确保孔壁的任何部分的静水压力在 0.02mpa 以上，护筒内的水位要高 出自然地下水位 2m 以上； 在钻挖过程中，孔内泥浆一边循环，一边对孔壁形成一层泥浆膜； 泥浆比重非常重要。在粘土和粉土层中钻挖时，泥浆比重可取 1.021.04，在砂层等易坍孔土层中挖掘时，必须使泥浆比重保持在 1.051.08。在成孔时，由于地下水稀释等使泥浆比重减小，可添加膨润土等 来增大比重。膨润土溶液的浓度与比重的关系见表 2-1； 表 2-1 膨润土溶液浓度与比重的关系 浓度(%) 6 7 8 9 10 11 12 13 比重 1.035 1.040 1.045 1.050 1.055 1.060 1.065 1.070 注：膨润土比重按 2.3 计 与正循环不同之处，钻挖时保持孔内的泥浆流速比较缓慢。 钻挖速度同桩径、钻深、土质、钻头种类及泵的扬水能力有关。据日本 基础建设协会灌注桩施工指针推荐钻速可参考表 2-2。 表 2-2 反循环法钻挖速度与钻头钻速参考表 土质 钻挖速度(min/m) 钻头转速(次/m) 粘土 35 912 粉土 45 912 细砂 47 68 中砂 58 46 砾砂 610 35 2.1.4 冲击钻进 1、冲击钻进的施工特点与使用范围 冲击钻进施工是采用冲击式钻机或卷扬机带动一定重量的冲击钻头，在 一定的高度内使钻头提升，然后突放使钻头自由降落，利用冲击动能冲挤土 层或破碎岩层形成桩孔，再用掏渣筒或其它方法将钻渣岩屑排出。每次冲击 之后，冲击钻头在钢丝绳转向装置带动转动一定的角度，从而使桩孔得到规 则的圆形断面。冲击钻进成孔施工具有以下优点15。 (1)用冲击方法破碎岩土尤其是破碎有裂隙的坚硬岩土和大的卵砾石所消 耗的功率小，破碎效果好；同时，冲击土层时的冲挤作用形成的孔壁较为坚 固，相对减少了破碎体积； (2)在含有较大卵砾石层、漂砾石层中施工成孔效率较高； (3)钻进时孔内泥浆一般不是循环的，只是悬浮钻渣和保持孔壁稳定作用， 泥浆用量少，消耗小； (4)钻进过程中，只有提升钻具时才需要动力，钻具自由下落冲击岩土是 不消耗动力的，能耗小。和回转钻相比，当设备功率相同时，冲击钻能施工 比较大直径的桩孔； (5)在流砂层中亦能钻进。 在具有以上优点的同时，冲击钻进成孔施工也有以下缺点。 (1)利用钢丝绳牵引冲击钻头进行冲击时，大部分作业时间消耗在提放钻 头和掏渣上，钻进效率较低。随桩孔加深，掏渣时间和孔底清渣时间均增加 很多； (2)容易出现桩孔不圆的情况； (3)容易出现孔斜、卡钻和掉钻等事故； (4)由于冲击能量的限制，孔深和孔径均比反循环钻成孔施工小。 冲击钻成孔适用于填土层、粘土层、粉土层、淤泥层、砂土层和碎石土 层；也适用于砾卵石层、岩溶发育岩层和裂隙发育的地层施工，而后者常常 是回转钻进和其它钻进方法施工困难的地层。桩孔直径通常为 6001500mm，最大直径可达 2500mm；钻孔深度一般为 50m 左右，某些情 况下可超过 100m。 2、工艺流程 钻（冲）孔桩基施工工艺流程如图 2-9 所示。 注：虚线框为水中桩基施工项目 图 2-9 钻(冲)孔桩基础施工工艺流程 2.1.5 质量控制措施 钻孔、清孔(包括钢筋骨架下放完毕)后，其质量检验的标准如表 2-3。 表 2-3 钻孔灌注桩成孔质量允许偏差 编号 项目 允许偏差 附注 1 孔的中 群桩：不大于 10cm 斜桩以水平面偏差值计算 心位置 单排桩：不大于 5cm 2 孔径 不小于设计桩径 3 倾斜度 直桩：小于 1/100； 挖孔小于 0.5/100 斜桩：小于设计斜度的2.5 4 孔深 摩擦桩：不小于设计规定 柱桩：比设计深度超深不小于 5cm 5 孔内沉淀土厚度 摩擦桩：不大于设计规定或 1020cm 柱桩：不大于设计规定 6 清孔后泥浆指标 相对密度 1.031.10；胶体率98% 粘度 1720s；含砂率2% 注：编号 6 是指换浆法清孔后，在泥浆中灌注水下混凝土的要求； 挖孔桩成孔质量标准：编号 1、2、3、4 与钻孔桩同编号；5 处孔底清理应 达到无松土与坍石；编号 6 挖孔桩无此要求。 (1)施工过程控制 桩位控制 项目经理部根据设计图纸及甲方给定的基准点，进行桩位放线定位，标 定桩位和高程，完成后并应二次复检。一般桩位定位可用 300mm 以上长钢筋 定位。桩基轴线的控制点设置在不受施工影响的地方。钻机就位前，必须认 真核对桩位；若发现桩位有移位或被破坏，应根据相近控制点重新定位，并 与相邻桩位复核，护筒埋设严格按前述要求进行。钻机就位后，必须周正稳 固，确保在施工中不发生倾斜、位移，钻架垂直地面，钻头中心必须对正桩 位中心。 垂直度控制 开孔时可用水平尺校正钻机平整度，并在钻进过程中时常检测，确保钻 机水平。钻进时主动钻杆应始终与滑车保持在一条垂直线上，所用钻杆不得 弯曲，发现弯曲现象及时更换。 保证钻具的垂直导向，防止钻杆晃动过大引起超径，桩孔较深时，钻孔 时应使用扶正加压装置。使用锋利钻头，轻压慢转穿透地表层。钻进过程中， 根据地层、设备等实际情况及时调整钻进参数。 钻进过程中，如发现孔斜、缩径、坍孔现象或沿护筒口周边冒浆、地面 下沉等情况，应停止钻进，经采取措施后，方可继续钻进。 孔径控制 根据地层实际情况，选择钻头。如地层较软、稳定，可用稍小于桩径的 钻头直径，若钻进风化岩等较硬地层，可用同径钻头等。 保证泥浆质量，调节泵量，以减小泥浆对孔壁的冲刷。上下钻时，发现 阻力大的易缩径地段，应上下来回反复窜动，以保证孔径达到设计要求。 孔深控制 准确丈量钻具长度，准确测量孔位或桩基标高，严格按钻具长度进行孔 深控制。因为用测绳等设备进行孔深控制，由于沉渣的影响或参照物的变化， 孔深可能会有误差。 对端承桩，应及时准确记录进入持力层时的深度、标高，即确定顶板深 度，严格按设计要求，控制进入持力层的深度。 孔底沉渣的控制 使用优质泥浆，提高携砂、排渣能力，泥浆比重控制在 1.11.3。终孔时， 用较大泵量冲孔 1015 分钟，并用净浆置换孔底沉淀泥浆，以降低施工泥浆 的比重。泥浆必须经过净化处理后方可重复使用。混凝土浇注前半小时内， 必须测量孔底沉渣厚度，并做记录，达到设计或规范要求后方可开始浇注， 否则应再次清孔。 孔壁稳定性控制 为确保成孔过程中孔壁的稳定，避免孔壁坍塌、埋钻等质量事故的发生， 主要应对成孔过程中的泥浆进行控制。 遇地层为砂层时，必须用优质泥浆护壁。可就地选用塑性指数 1017 的 粉质粘土调制。 施工过程中，泥浆采取净化回收利用，但应随时淘汰劣质泥浆，补充新 泥浆。 施工中提升钻具或因故停钻时，必须保持孔内浆面达到溢流口，利用泥 浆压力的作用，防止坍孔，保持孔壁稳定性、完整性。 (2)成孔质量现场检验方法 孔深，一般用标准测绳吊锤测量。孔深较大时，应用校正钻杆和钻具 方法进行检测； 孔径(含孔形)，一般可用自制的一根 3 米长、外径等于桩孔直径的圆管 或钢筋笼下入孔内。如果能顺利下入，则保证了孔径不小于设计尺寸，同时 又检验了孔形，并