钻孔灌注桩.doc

本工程工期紧，计划施工工期仅2年半、工程涉及内容广，包括高架桥梁、道路工程、新建桥梁工程和排水工程；工程地质复杂，根据地质勘察资料中表明本工程部分地区存在不良地质；高架下沿线为城市主干道交通组织困难、相邻标段协调配合工作量较大，施工过程必须加强重视，利用合理高效的施工组织安排，施工工艺有效衔接等，对工程关键点、重点部位有效控制，确保工程安全、质量、文明施工的顺利进行。本工程坚持实事求是的原则，确保施工技术的可行性、先进性和合理性。科学合理地安排施工顺序，突出控制工期的工程节点，确保关键工程的进度计划和工期目标的实现，为桥梁贯通提供条件。如钻孔桩施工，由于靠近居民区、施工阶段原有道路进行翻交保通及邻近高压线施工，工艺选择时要考虑噪声低、能保证现场文明施工及满足临高压线施工的等特点的基础上进行选择；墩柱及箱梁施工，由于考虑到为清水混凝土，工艺选择时要考虑整体外观、线型、支架的牢固稳定、混凝土的可控稳定等特点的基础上进行选择；本工程桩基直径均为1200mm，局部桩基深度达70m，单桩混凝土最大达到80 m，属大直径大体量混凝土。根据工程地质勘察报告可知，本工程对于桩基施工来说，地层较复杂，主要体现在桩身范围内上部地层不稳定，容易发生坍孔或流砂现象；同时桩进入粉质粘土，钻进效率低等。同时该路段位于居民区，钻孔桩施工具有连续性、不间断的特点，施工过程中难免产生噪音，控制噪音是必须在工艺确定时必须考虑的因素。钻孔桩施工阶段施工场地的文明施工是一个头疼的问题，除了过程中加强保洁措施，还是要从源头进行控制即选择合理的施工工艺。钻孔桩工艺选择一般应遵循以下原则：1、“因机械制宜”，应考虑桩基施工单位的现有桩工机械设备，施工成熟经验，确定施工机械类型。2、“因环境制宜”，应考虑施工过程对环境的影响。如泥浆护壁钻孔桩应考虑泥水、泥土的处理。泥浆排放是否会造成对环境的影响，施工场地是否允许。3、“因造价制宜”，对采用的施工机械，在保证成桩质量的条件下应考虑施工成本。4、“因工期制宜”，根据工期和施工作业面的大小，选用施工质量号，施工速度快的施工机械。5、“因土层制宜”，根据施工现场地质条件，地下水位状况，比较技术经济指标，选择合理的桩工类型，施工方法。基于以上基本原则，本工区拟采用泥浆护壁法的正循环钻成孔灌注桩或旋挖钻成孔灌注桩，两种方法各具特点，具体如下：正循环钻成孔灌注桩适用桩身直径4002500mm，桩长不大于75m，适用土层为一般粘性土及填土、淤泥及淤泥质土、粉土、砂土、密实性砂土，地下水位以下及以上都可采用，噪声低，排浆对环境有影响。旋挖钻成孔灌注桩适用桩身直径8001500mm，桩长不大于60m，适用土层为一般粘性土及填土、淤泥及淤泥质土、粉土、砂土、密实性砂土，地下水位以下及以上都可采用，噪声低，排浆对环境有影响。工艺的确定通过工艺对比及结合现场实际情况，最终选择正循环钻成孔灌注桩进行首件施工，主要基于以下几点：根据桩长，本工程桩长大部分在70m左右，正循环钻成孔灌注桩桩长为不大于75m，满足要求。本工程桩身直径为1200mm，正循环钻成孔灌注桩适用桩身直径4002500mm，满足要求。根据工程地质报告，正循环钻成孔灌注桩适用本工程地质情况，满足要求。根据现场施工条件，工作面可同时展开，利于机械布置，虽然正循环钻孔灌注桩成桩时间较长，但通过增加设备可以弥补其缺点，从而保证工期。正循环钻孔灌注桩施工噪音低，可以满足在附近有居民区的条件下进行施工。通过合理布置，正循环钻孔灌注桩施工过程中泥浆污染较旋挖钻成孔灌注桩好控制，更利于现场文明施工的展开。首件桩成果分析及措施：1、施工采用GPS-20型正循环成孔效果较好，但必须确保桩架平稳及垂直度。2、本次试桩所选用的除砂设备，功率小、噪音低、效果好，能将泥浆中的砂筛除。泥、砂分离效果好。2、本次试桩位置上层粘土层较为坚硬，难以钻进，建议今后工程桩施工可以适当加快进尺速度，确保施工效率。3、在成孔钻进过程中要注意在淤泥质粉质粘土和粉土层泥浆性能指标控制，防止缩径塌孔等事故的发生。4、经后在开孔前检查设备各个部位零件是否完好，并进行试运行。并配备专业相应维修人员和配用零件及时处理设备故障。保证施工过程连续性。 5、二次清孔采用除砂机除砂，降低泥浆含砂率，缩短二次清孔时间，提高施工效率。 6、做好每车混凝土坍落度试验，不合格砼进行退场处理。做好退场台账和退场手续。通过首件桩的验证，正循环钻孔灌注桩成孔工艺满足施工要求，桩机型号确定为GPS-20型。根据相应地质资料及施工经验，施工前对本工区钻孔桩施工过程中可能产生的问题进行了汇总分析，具体如下：1、地面以下至粉质粘土层范围内的土层土质坚硬，难以钻进，该处容易产生扩孔现象；应对措施：该土层尽量放慢钻进速度。2、在桩机成孔施工中就地层分布情况分析，对于2-3粉土粉砂层(地面下11米25米)在钻进过程中如果泥浆比重控制不好 , 钻进速度过快,可能导致缩径.塌孔等现象。应对措施：在操作前对机组进行交底，熟悉土质条件和土层分布。根据土质条件，调整钻头斜撑角度，同时对钻头护圈加以改进。在操作过程中，对钻进速度 、泥浆比重、粘度等要调节好。同时备好膨润土，作人工制浆。在钻进至10米左右时,原土造浆比重不够时，须膨润土造浆。3、就地层分布情况分析, 对于4-1a* 4-3粉砂层(地面下53.1米75米)在钻进成孔过程中可能出现缩径、塌孔等现象，同时沉渣过大清孔不干净等问题。 应对措施：在钻进成孔过程中，泥浆比重的控制尤其重要，泥浆加大 ，把泥砂置换出孔外，同时把纯泥浆调换进孔内。保证孔壁不破坏。根据现场实际情况，在钻进过程中，孔口泥浆经过第一沉淀沟沉淀过滤后再通过泥浆泵抽入沉淀池，经过两次沉淀过滤再进入循环池，确保泥浆含砂率降低，孔底沉渣减小。4、鉴于地层土质情况含砂性过大，沉淀过快。在成孔过程中采用泥浆池（箱）做为循环池和沉淀池，可能导致一根桩完成后泥砂於积在池（箱）底。 应对措施：就以上可能出现情况，对于沉淀后的泥沙，每根桩要及时清理。5、在桩机成孔，一清结束后安装钢筋笼时焊接时间的控制。鉴于地层土质情况含砂性过大，沉淀过快，可能导致钢筋笼下放不到位。尤其对于下声测管的钢筋笼。 应对措施：在成孔后下钢筋笼这个过程中，各环节要协调配合，准备工作要充分，缩短卸钻杆及钢筋笼焊接的时间，增加辅助工及孔口对接电焊工。6、其它相关问题：A、在成孔结束后含砂率高引起粘度偏高，泥浆比重偏高情况；B、 声测管堵塞及在灌注砼时窜孔等；C、在灌注砼过程中桩孔塌孔导致导管卡在孔中，无法卸管，以致堵管。 应对措施：就以上出现情况，要保证成孔质量，就要对钻进速度 、泥浆比重、粘度等控制好。把泥砂置换出来后再调整泥浆浓度。如果经过第一沉淀沟和第二沉淀池沉淀过滤后含砂率还比较高时 ，就须设置除砂器辅助除砂，达到一清标准。导致声测管堵塞及窜出孔等，首先保证声测管的质量（合格供应商），在孔口对接时，螺纹口均须敷以胶水或生料带，再拧紧螺纹，同时每节下孔要隔三米铁丝绑扎牢固，同时每节需注满水，以防止泥浆进入，到桩顶处时注满水后放入塑料软管而后将封头封好后还须铁丝扎紧，混凝土浇筑完毕后将软管拔出。其次在浇注混凝土时，料斗的提升后再下放时一定要注意，防止导管连接法兰碰撞到声测管顶部，破坏声测管。在灌注砼过程中，要随时掌握浇灌混凝土方量，在保证导管埋深的前提下，一定要勤拔勤卸，以免埋管太深，同时确保混凝土车辆的衔接，停等时间不能太长。否则就会出现堵管卡管等现象发生。实际工程施工中钻孔灌注桩成孔需穿越近40m厚粉砂层，施工难度较大，为确保施工进度及施工质量，需专题研究深厚粉砂层中钻孔灌注桩施工关键技术。通过技术研究，在提高成孔效率的同时，减少孔底沉渣并保持孔壁稳定，明确相关技术指标，指导本工程及相关地质条件工程的施工。主要研究方向如下：1）不同成孔工艺与清孔工艺的配合研究2）施工工序的最优时间间隔3）深厚粉砂层中孔壁稳定的仿真分析技术4）深厚粉砂层中孔壁稳定控制技术当GPS-20钻机采用正循环成孔与清孔工艺时，孔斜、孔壁稳定性、缩径、扩孔均能满足设计要求，但成孔时间较长，且泥浆比重、含砂率较大，易造成孔底沉渣较厚，施工期间虽已通过除砂器净化循环泥浆，但孔内浆液的含砂率仍高于规范要求，且成孔及清孔时间较泵吸反循环工艺长，对成桩质量有较大隐患。当使用泵吸反循环成孔与清孔时，成孔时间大大缩短，且泥浆比重、含砂率、孔底沉渣能得到较好控制（可采用增加循环泥浆流径距离的办法，使泥浆内含砂率有效降低），使得成桩质量有充分保证。但该工艺在使用期间，由于泵吸作用，孔内较大石块时常会卡住主动钻管，或对泥浆泵的涡轮片造成损坏，造成较长时间的拆管与修复，给孔壁稳定带来不利影响。且整个泵吸环路需确保密闭，孔内泥浆方可在孔内外压力差的作用下，充分换浆。泵吸反循环工艺适宜深厚粉砂层中进行大直径钻孔桩施工，能起到有效降低孔内含砂率，稳定孔壁的作用。与回旋钻相比，旋挖机成孔时间短，速度快，可根据土层情况选用相匹配的钻头。为控制坍孔现象发生，护壁泥浆采用膨润土配置，掺入纯碱作为分散剂，防止泥浆离析。清孔时，仅需注入经处理过的泥浆，用钻头抓取孔底沉积或孔壁坍落的泥块即可，施工简便，质量保证，较适合于适于砂土、粘性土、粉性土。 鉴于旋挖机成孔是采用钻头强制切土的方法实现的，对土体扰动较大，特别是进行大直径粉砂层施工时，对护壁泥浆质量要求较高，并且钻头在孔内上下升降时，会对孔壁造成损伤，导致坍孔。 (3)分析总结 综合上述三种成孔与清孔工艺的利弊分析，在工期较为宽松的情况下，采用泵吸反循环工艺较为适宜。通过优化各工序的施工参数、间隔时间及泥浆性能等，对于在深厚粉砂层中进行大直径钻孔桩施工，能起到有效降低孔内含砂率，稳定孔壁的作用。1）工艺介绍：泵吸反循环是通过砂石泵的抽吸作用，在钻杆内腔形成负压，在孔内液柱和大气压的作用下，孔壁与环状空间的冲洗液流向孔底，将钻头切削下来的钻渣带进钻杆内腔，再经过砂石泵排至地面沉淀池内；沉淀钻渣后，冲洗液流向孔内，形成反循环。2）泥浆循环系统的设置首先需将沉淀池、循环池及制浆池分仓设置，各仓的容量应满足施工期间泥浆沉淀量的需要，并及时清除仓内沉淀物。其次，循环泥浆需通过循环池上方所设置的除砂机，以此降低含砂率。第三，通过增加循环泥浆流径路线的长度，来进一步减少泥浆中粉细砂的含量。3）钻进参数的控制根据不同地质特点，合理选择钻进参数，对于粘土层，宜使用中高档，适当减少钻压，加快钻进速度（4070转/分）。对于砂土层，宜使用中低档，适当增加钻压，减慢钻速（小于40转/分）。4）成孔工艺控制开钻前将钻头提高距离孔底3050cm，将孔内注满泥浆，打开真空管路使气水畅通，然后启动真空泵产生负压，待泥浆泵充满水时关闭真空泵，立即启动泥浆泵。当泥浆泵出口真空压力达到0.2Mpa以上时，打开出水控制阀，把管路中的泥水混合物排到沉淀室，形成反循环，启动钻机慢速开始钻进。开钻时先在孔内灌注泥浆，不进尺，只空载转动，使泥浆充分进入孔壁。泥浆比重等指标根据地质情况而定，一般控制在1.15左右。开孔时钻机轻压慢转，随着深度增加而适当增加压力和速度，在土质松散层时采用比较浓的泥浆护壁，且放慢钻进速度和转速，轻钻慢进以控制塌孔。待导向部位或钻头全部进入地层后，方可加速钻进。采用减压钻进，即钻机的主吊钩始终要承受钻具的重力，而孔底承受的钻压应不超过钻具之和（考虑浮力）的80%。5）泥浆指标的控制泥浆质量的好坏直接影响到成孔质量和桩基承载力的发挥。由于场地地层内存在较厚粉砂层，为减少孔壁坍塌和缩径的情况。我们根据试桩所积累的数据，总结了成孔及清孔阶段的泥浆性能指标：泥浆指标控制 表2比重粘度含砂率成孔阶段1.101.152025s小于5%清孔阶段1.051.101720s小于1%6)清孔工艺控制清孔应分二次进行。第一次清孔在成孔完毕后进行，第二次清孔在钢筋笼和导管安放完毕后进行。为有限清除孔底泥砂，二次清孔均采用泵吸反循环工艺。终孔后立即进行清孔，将钻锥提起50cm左右，并保持泥浆的正常循环，将相对密度1.051.15的泥浆流入孔内，将钻孔内悬浮较多的泥浆换掉，清孔时间根据泥浆比重及清孔过程中测量沉淀厚度来定。清孔过程中必须设有专人捞取钻渣，加快清孔的速度。清孔时间以换完孔内原浆为准，并随时作泥浆指标检测，取样宜从排浆口进行，泥浆指标同原浆。清孔时护筒中泥浆水位应注意保持稳定，以防止钻孔的任何塌陷。清孔时孔内水位要高出地下水位0.5m以上。清孔时间控制公式：h=V/Q其中：h:清孔时间 V：桩孔体积 Q：砂石泵流量一清时应将钻头提至距孔底0.5m左右，清孔时孔内输入泥浆量不应小于砂石泵排量，保证泥浆补足量，同时应合理控制泵量，避免吸塌孔壁。7）混凝土灌注本工程采用导管法浇注水下砼。施工采用商品砼，坍落度应控制在20020mm。本工程使用258mm、300mm导管浇筑水下砼，导管接头无漏水，密封圈完好无损，施工前做闭水试验。商品砼要求：砼坍落度控制在1822cm，石子采用525碎石，砼初凝时间控制在68小时，级配单应在砼开浇时随车附来。严格把好质量关，每天进场砼搅拌站须附送级配单。现场应仔细核对配合比组成情况，发现问题及时阻止更正。拌站后期附送砼质量证明单。砼浇筑前安放好漏斗和隔水板，导管底口离孔底40cm，首灌方量控制在34方，待灌满砼，拉出隔水板，漏斗中的砼开始灌下时，立刻向漏斗中继续输送砼，以确保砼浇灌的连续性，从而保证第一灌砼的浇灌量。砼开浇时，初灌量满足规范要求。混凝土初灌量应能保证混凝土灌入后，导管买入混凝土深度不小于1.0m，导管内混凝土柱和管外泥浆柱应保持平衡。混凝土初灌量按下式计算：浇灌砼过程中，导管的埋置深度宜控制在26m，严禁将导管提出砼面或埋入过深，测量砼上升高度由机长或班长负责。砼应连续浇注，完桩浇注时间面8小时。混凝土浇灌是确保成桩质量的关键工序，浇灌前应做好准备工作，泥浆必须符合下列技术要求:密度1.15,粘度为2026，孔底沉渣100mm，在砼浇灌过程中，保证能连续紧凑地进行。导管应勤提勤拆，一次提管宜控制在6m左右，并应控制砼液面上开高度，如遇异样，应勤测深度，拆除导管前应根据实测深度控制埋管。砼浇注前应使泥浆池留存足够的贮浆量，并能及时外运，以保证砼能连续浇灌并防止泥浆外溢。 8）通过试成孔研究得出主要参数控制如下：钻速控制二次清孔后泥浆指标控制08m826转/分密度1.15 Kg/m825m826转/分粘度1824秒时2550m2632转/分含砂率4%5070m1426转/分沉渣厚度0.2D（D为桩径）从钻孔灌注桩钻孔过程来看,由于地层土压力、孔隙水压力、地下水位及土体的蠕变等因素的影响,在成孔过程中或混凝土浇筑之前,孔壁处于不稳定状态之中,随时会出现滑裂或坍塌的危险。1）孔壁稳定的条件钻孔之前,孔壁土层处于原始力学平衡和相对稳定状态。钻头钻穿土层后,改变了孔壁周围土层所承受的原始应力,失去了原始平衡的稳定条件而发生应力集中,在上部地层压力作用下迫使孔壁土向孔内移动,造成孔壁失稳破坏而坍塌。在钻孔过程中,钻孔孔壁径向受力除了主动土压力Pa 和圆拱支撑力Pz 外,还受以下几种力的作用: 孔内水压力(或泥浆压力) Pm、地层水压力Pw、地下水向孔内渗流时产生的渗透力Fw、孔内水向孔壁渗流时产生的渗透力Fm、孔口地面超载产生的侧压力Pq。此外,施工中对孔壁产生的一些附加作用力,如钻头破土时对孔壁产生的激振力; 因操作不当产生的孔内液体压力激动而造成的抽吸力。这些作用力可以通过改进施工工艺或采取相应的技术措施,消去或减小对孔壁稳定性的影响。要使孔壁稳定,必须满足：Pz+ PmPa+ Pw+ Pq （1）Fm Fw （2）由土力学圆孔稳定原理知,要使孔壁稳定所需的支护应力为：P0= Pa- Pz= 0. 5Vdm0 （3）式中, d 为钻孔直径; P0 为阻止孔壁坍塌所需的支护应力; m0 是与2H /d 及h有关的参数。将式( 3)代入式( 1)有Pm - PwP0+ Pq。 ( 4)当Pm - Pw 这个压力大于所需的支护应力与地面荷载侧压力之和,孔壁就稳定，否则孔壁就会失稳。2）土体性质影响土体性质、泥浆情况、孔深、孔半径、施工机械等因素均会对钻孔灌注桩的孔壁稳定性产生影响，加之土体性质复杂、离散性大，因此孔壁稳定性技术分析一直是个难点。钻孔灌注桩孔壁稳定性不仅与土的物理力学性质、地下水位、泥浆护壁等因素有关，还与土体空间分布特性、边界条件等因素相关。有限元法作为一种成熟的分析方法，可以弥补理论解析方法的缺点，能很好地对土体应力状态、变形、土体分层情况、外界荷载等因素进行模拟。本课题参考相关文献资料采用有限元强度折减法，研究土体性质、泥浆相对密度、孔深、孔半径等因素对钻孔灌注桩孔壁稳定性的影响，有助于深入认识孔壁稳定性这一关键工程问题。有限元分析采用岩土工程数值分析软件Plaxis7.2，土体本构模型选用莫尔库仑理想弹塑性模型，由于条件所限相关数据分析引用相关文献数据。；砂性土分析根据有效应力原理，强度参数为有效应力参数。钻孔灌注桩孔壁稳定分析模型为轴对称模型，典型的计算分析模型如图1 所示，其中L 为孔深，D 为孔半径。泥浆作用通过施加静水压力来实现。孔壁稳定性判别指标为孔壁土体塑性区半径比s C (塑性区半径Rs 与孔半径D 比值，如图2 所示)和按有限元强度折减法计算得到的稳定性安全系数s F ，即成孔施工过程，孔壁土体经历了侧向卸荷的应力路径，土体向孔内变形属于侧向卸荷变形，变形分析时土体模量应采用考虑应力路径与应力水平影响的侧向卸荷变形模量。参考相关文献研究成果在砂土地基中，土体塑性区分布模式与塑性区半径大小随深度变化不大，且变形量很小，塑性区半径及塑性区半径比随着土体内摩擦角的增大而减小，孔壁稳定性安全系数随着内摩擦角的增大而增大。砂土地基中，土体内摩擦角大、土体抗剪强度随深度增加的速率快、同时侧压力系数小、成孔后孔壁土体侧向卸荷量小、孔壁土体竖向应力与侧向应力差也小，因此砂土地基中土体塑性区以及变形小。故砂土地基中孔壁稳定性问题主要是坍孔问题,孔壁土体产生一定的塑性区后,很容易发生破坏,同时这种破坏会向四周蔓延扩散,最终形成坍孔。3）泥浆相对密度的影响孔壁稳定性的一个重要影响因素是泥浆相对密度，泥浆不仅能提高孔壁土体的侧压力、减小侧向卸荷量，还能在孔壁形成泥皮防止无黏性土地基局部坍孔，提高孔壁稳定性。但泥浆相对密度太大会增大施工难度，泥浆相对密度过大、泥皮太厚会降低桩承载力。因此研究泥浆相对密度对孔壁稳定性的影响，为合理选取泥浆相对密度提供指导具有很重要的意义。砂土地基中，当泥浆侧压力小于静止侧压力时，孔壁有显著的塑性区，孔壁稳定性安全系数小，易发生坍塌孔。当泥浆侧压力等于或大于静止侧压力时，孔壁土体没有侧向卸荷，因此几乎没有塑性区，孔壁稳定性安全系数大，能有效减小坍孔的可能性。故对于砂土地基，需控制泥浆相对密度应使得泥浆侧压力不小于土体静止侧压力，以保证孔壁稳定性。4）孔半径及孔深的影响砂土地基中，孔壁稳定性也受到孔半径的影响，孔半径越大，孔壁稳定性越低，但孔壁塑性区半径比基本保持不变。砂土地基中，随着孔深的增大，深层土体卸荷量增大，但砂土内摩擦角大，因此土体抗剪强度随深度也增大，因此孔壁稳定性、塑性区半径以及侧向变形受孔深的影响不大，即砂土地基中浅层土体与深层土体均容易坍孔。5）分析与结论砂土地基中，土体内摩擦角大、土体抗剪强度随深度增加的速率快、同时侧压力系数小、成孔后孔壁土体侧向卸荷量小、孔壁土体竖向应力与侧向应力差也小，因此砂土地基中土体塑性区以及变形小；但由于是无黏性土，孔壁土体产生一定的塑性区后，很容易发生破坏，同时这种破坏会向四周蔓延扩散，最终形成坍孔。砂土地基中，当泥浆侧压力小于静止侧压力时，孔壁有显著的塑性区、孔壁稳定性安全系数小、易发生坍塌孔；当泥浆侧压力等于或大于静止侧压力时，孔壁土体没有侧向卸荷，几乎没有塑性区、孔壁稳定性安全系数大、能有效减小坍孔的可能性，因此砂土地基中最小泥浆相对密度应使得泥浆侧压力不小于土体静止侧压力。砂土地基中，孔壁稳定性也受到孔半径的影响，孔半径越大孔壁稳定性越低，但孔壁塑性区半径比基本保持不变，孔深对孔壁稳定性、塑性区半径以及侧向变形的影响不大，即砂土地基中浅层土体与深层土体均容易坍孔。砂土地基中，孔壁稳定性问题主要是坍孔问题，孔壁土体产生一定的塑性区后，很容易发生破坏，同时这种破坏会向四周蔓延扩散，最终形成坍孔，影响砂土地基孔壁稳定性的主要因素是泥浆相对密度，为保证孔壁稳定，砂土地基中最小泥浆相对密度应使得泥浆侧压力不小于土体静止侧压力。3.1.4深厚粉砂层中孔壁稳定控制方法上述分析可知对于深厚粉砂层中钻孔灌注桩的施工关键是控制孔壁稳定，防止出现坍孔现象。而影响粉砂层中孔壁稳定的主要因素是泥浆相对密度，所以为确保孔壁稳定必须对泥浆性能指标进行控制。由于反循环工艺特点，泥浆泵将对孔内泥浆产生负压力，反循环工艺对孔壁稳定因素有所削弱。故采用反循环工艺时对泥浆的参数要求更高。泥浆对孔壁的影响，主要表现在压力、摩擦力泥皮。压力和摩擦力分别与泥浆的密度和粘度相关，泥浆的密度越大，其对孔壁的压力越大，对孔壁稳定越有利。实践证明，通过提高泥浆密度来维护孔壁稳定是一项重要而常用的措施。泥浆粘度越大，泥浆流动对孔壁产生的摩擦力越大。但是过大的泥浆密度及粘度将影响成桩质量及工艺实施难度，故需要根据相关规范及研究文献结合工程地质情况合理选取泥浆指标，在保证成桩质量的前提下，提高工艺效率。在钻孔灌注桩施工中，泥皮对孔壁稳定的影响很大。泥浆在孔壁上形成不透水泥皮薄膜,阻止泥浆渗透至周围土中或者地下水侵入孔内与泥浆混合,促进孔壁的稳定。泥浆具有抑制地层的作用,主要表现为泥浆的凝胶作用。泥浆侵入土中孔隙成为静止的凝胶,凝胶化的泥浆固定了土颗粒的相对位置,在孔壁附近形成稳定的土层。而当壁面上土颗粒脱落进入泥浆时,凝胶状态泥浆有微弱的抵抗作用,阻止土颗粒的脱落,从而提高钻孔孔壁的稳定性。根据地质报告显示，成桩区域上层回填土厚度近2米，且桩基穿越粉砂层（层厚7.6米）及粉砂层（层厚10.3米)，为确保孔壁稳定，需采取如下措施：a. 采用优质膨润土泥浆或高分子聚合物泥浆,使泥浆具有凝胶作用和一定的抗剪强度,提高泥浆的护壁作用,增加孔壁的稳定性。b. 实际施工中,多采用重度较小的泥浆,这是因为其施工性好,易于泵吸泵送、管道输送压力小,携带土砂能力大、土渣易于在机械分离装置内分离。其次重度较小的适用泥浆的用土量少,节省膨润土原料的费用。但在一些不稳定地层(如易坍塌、漏失地层)中,为确保孔壁稳定,可采用加重剂以增大泥浆重度。c. 提高泥浆液面或降低地下水位,使泥浆液面与地下水位保持一定的高差等,以确保孔壁稳定,防止坍塌事故发生。d. 在施工过程中随时根据泥浆性能的变化,对泥浆加以调整或决定弃用。必要时可掺加一些外加剂, 如CMC (羧甲基纤维素) 类增粘剂、Na2 CO3 及铁铬木质素磺酸盐类分散剂、锯末及化纤短料类防漏材料等,以改善泥浆性能。e.根据相关规范及文献研究，结合深厚粉砂层地质情况，在多次的试成孔中不断调整优化泥浆指标。优化泵吸反循环施工参数及泥浆性能指标：转速控制粘土层：4070转/分粉砂层：40转/分泥浆指标比重：1.051.1粘度：1720含砂率：2%泵送量小于150m3/h清孔时间12hf.防止孔口填土坍落：由于在河边施工，河水涨落较为频繁，对孔壁造成冲刷，影响稳定。经过分析及以往经验，最终确定采用双护筒方式，外护筒采用直径2m（长度2m），内护筒采用直径1.7m（长度8m）。本标段工程内工程地质条件复杂，土层的差异性较大，同时部分施工位置下方有废弃管道、抛石等障碍物，因此开展复杂条件下钻孔桩施工工艺研究，包括：（1）不同成孔工艺（回旋、旋挖），成孔效率、成孔质量研究；（2）细粉砂层内成孔及清孔质量控制工艺研究；（3）水中墩钻孔桩施工循环系统设计及布置优化；（4）水中墩位于基础下方的大口径上水管（废弃）处理及有抛石河床上的成桩施工工艺选择；本标段工程内工程地质条件复杂，土层的差异性较大，部分软土层位为1-2层淤泥质粉质粘土，灰色，流塑状态，高孔隙比，高压缩性，层顶埋深0.05.6m，厚度一般为0.57.5m，局部地段（苏浏线北侧MK2+620MK3+100）为深切沟谷，层厚达7.732.1m，对地面道路施工的沉降以及工后沉降控制较为不利。同时，砂层分布广并多为细粉砂，土体颗粒质地极细，对于钻孔桩施工质量影响较大。同时在苏浏线大桥主桥桥位处（东半幅），下方有废弃的管道以及抛石，无法采用常规的成孔工艺施工。针对地质条件的特点，钻孔桩施工前，开展了钻孔桩成桩工艺的研究，包括成孔工艺的选择、参数控制、（人造）泥浆配比等，在施工前，采用回旋钻机和旋挖钻机分别进行了试成孔实验，收集施工参数，并对孔壁稳定性进行了检测。同时，在存在障碍物的河床上方，开展了针对性的成孔工艺研究，确定了采用冲击钻结合回旋钻成孔的施工工艺，成功地完成了在存在抛石的软土河床内的钻孔桩施工。（1）通过比较回旋钻进、旋挖钻进成孔工艺，分析其施工特点，并总结一套适用的钻孔桩施工方法；（2）根据现场地质条件，研究针对细粉砂层的清孔工艺，总结一套方法，包括循环系统的布置、人造泥浆的配比、以及除砂工艺等；（3）根据现场条件，设计一套适用于水中墩平台桩基施工的循环系统；（4）通过对抛石层上方成孔工艺的研究，总结一套利用冲击、回旋钻进相结合的成孔工艺，包括护筒设计、设备选用、工艺衔接、参数调节、孔壁围护措施等；（3）结论根据试成孔结果，结合工程特点，钻孔桩成孔采用回旋钻进或旋挖钻进均适用，但在施工时应注意：本工程黏土层质地坚硬，采用回旋钻进效率较低，在施工时可适当加快进尺速度，以提高成孔速度；利用旋挖钻进成孔效率较高，但需要控制孔壁稳定，注意工艺衔接，缩短裸孔暴露时间，同时，开孔时应采用指标较好的人造泥浆（或循环浆）；钻进至砂层时应注意控制进尺速度，防止缩径现象，同时对于旋挖机，在提升时要控制速度，防止对孔壁产生较大扰动；对于旋挖钻进成孔，通过检测仪检测得知，在钻孔结束12个小时后，缩径现象较严重，对于此次试成孔的缩径现象，提出以下两点措施：A，将此次试成孔的双底板捞砂钻头直径加大，且在易缩径的位置适当扫孔；B，在今后的施工过程中，可采用膨润土造浆或与回转钻上部土层优质原土浆结合，并加大泥浆比重，以支撑孔壁，缓解缩径现象。本工程施工阶段主要采用清孔工艺主要采用正循环，通过调节泥浆指标、优化循环系统布置、增加除砂设备等手段，加强对清孔质量的控制。正前期的试验中，还对反循环清孔工艺进行了研究，分析了其对于工程的适用性。（1）钢护筒内混凝土夹泥视护筒垂直度、变形具体情况，在钻头保径圈外设置钢丝绳刷，回转钻机将附着在护筒内壁的薄层泥予以清除，再卸掉钢丝绳刷继续钻进。在混凝土灌注前应严格控制二清泥浆的指标，减少沉淀厚度；采用大直径导管灌注混凝土，并使混凝土灌注连续进行，尽量缩短混凝土灌注总时间；混凝土在拌制过程中应加入缓凝剂，初凝时间不小于10小时。控制好混凝土的和易性，混凝土应保持足够的流动性，坍落度必须满足水下混凝土的灌注要求，本工程坍落度控制在1822cm，经常对坍落度进行测控，不符合标准的混凝土不得灌入孔内； 导管埋深的深度对灌注质量影响很大，根据水下混凝土流动扩散规律，埋深过小，往往会使管外混凝土面上的浮浆沉渣挟裹卷入混凝土内，形成夹层；埋深过大，导管底口的超压力减小，管内混凝土不易流出，为防止出浮浆沉渣挟裹卷入混凝土内现象。对灌桩时导管埋至要求：导管最小埋深不低于2米，导管最大埋深不超过6米。（2）坍孔为防止水头压力不足而导致孔壁失稳坍塌，施工过程中应注意确保孔内水位高于水位2m以上。坍孔时，应立即把钻具提到护筒内以上，立即分析坍孔原因，采取相对措施，若孔壁严重坍塌时，应立即回填，回填时，描绘回填方量与孔底上升曲线，以便决定采取相应的处理措施。（3）孔斜为防止钻孔偏斜，首先施工场地应平整。钻机就位后，调整钻机转盘的水平，保持钻塔天车转盘中心、桩孔中心三者在同一铅垂线上。施工时，机台应经常校核转盘、钻机水平，发现钻机倾斜时应及时采取措施。施工时，注意确保足够的压力，一方面满足钻进的要求，另一方面必须采用“减压钻进”以保证钻孔垂直度。钻进中当发现孔斜时，应立即进行上下扫孔，直到将钻孔扫直，方可继续钻进，严禁发生孔斜时，强行钻进至终孔。（4）漏浆松散砂层的钻进过程中很容易发生泥浆漏失，孔内泥浆一旦发生大漏失，无法维持孔内水头压力，可能导致大面积坍孔事故。因此，施工时应设立孔内泥浆液面观察岗，注意观察孔内泥浆液面情况，一旦发现液面下降，应及时采取应急措施。此外，应视现场条件储存一定量的泥浆，或从其它机台调集泥浆用于补浆。如果是由于钢护筒底部穿孔漏浆，则应接长护筒继续振入到安全深度。（5）浮笼将钢筋笼顶端予以固定，吊筋与钢护筒焊接牢固。控制水下混凝土灌注速度，确保匀速、连续供应。控制导管埋深、拔管速度和拔管时间，在混凝土灌注到钢筋笼主筋根数变化深度时，更要加倍关注。如发生浮笼现象，应立即停止输送混凝土，采用快提慢放的方法上下串动导管，可使钢筋笼回复。钢筋笼回复后，准确测量导管埋深，合理拔除导管，将导管底口拔至筋笼主筋根数变化处以上。（6）灌注混凝土堵管灌注遇堵管现象发生时，首先要正确地查找和分析堵管原因，针对性地采取处理措施。若为隔水球卡在管内，在深度不大时，可提出重下；或在允许的范围内，反复提升导管振冲；不合格混凝土造成的堵管，可通过反复提升漏斗导管来消除，或在导管顶部不断振动导管来解除堵管。（7）灌入的混凝土质量低劣。混凝土严重离析的原因多为混凝土搅拌不均，骨料级配不当，水灰比过大，使用的水泥品种不当或失效等引起的，灌注时发现混凝土严重高析时，不得向孔内灌入。应查明原因，重新拌合，如果仍不符合要求应予清除。对混凝土材料要进行现场质量检查验收，不符合要求的不得使用。经常检查混凝土的配比，以便及时发现和纠正水灰比。桩基深度范围内地基土大部分为高砂性软土，地基承载力低，桩基成孔难度大。高砂性地层钻进回转成孔自造泥浆因护壁和携带渣能力很差,极易引发孔壁坍塌、扩径、钻孔不规则、水下混凝土灌注严重超方等质量隐患。同时,还由于泥浆携砂呈饱和状态,泥浆泵停泵后即刻发生大量砂土和钻渣在孔底、孔壁沉淀下来,水下混凝土灌注前的二次清孔孔底沉淤厚度验收合格停泵转入水下混凝土灌注作业时,即使两工序间的时间间隔符合规范和设计要求,但孔底沉淤厚度待首灌混凝土剪入时早已超过要求。因此,泥浆中携带的过饱和渣土致使钻孔灌注桩施工中很多工序的工艺状况无法满足建筑基桩技术规程和设计的要求,从而引发诸多基桩质量隐患,甚至酿造质量事故。一般建筑工程一旦出现废桩可以采取补桩等措施进行处理，而公路桥梁的桩位价值高无法在承台旁边补桩，一旦出现废桩须冲掉重做。公路工程的钻孔灌注桩一般直径大，桩身长，单桩的承载力很高，这就更对桩身质量提出了严格的要求。3.1.1.高砂性土层大直径钻孔灌注桩施工技术的分析研究高砂性土层大直径钻孔灌注桩施工工艺及施工过程，结合昆山中环的工程特点，分析各工序的控制要点和施工措施，分析研究其质量控制体系。同时，研究其钻孔灌注桩施工工艺，在施工过程中研究高砂性土层大直径钻孔灌注桩成孔及成桩施工工艺，并研究高砂性土层大直径超深桩的适用施工设备、混凝土配合比和初凝时间等材料参数，为以后的公路桥梁建设施工过程中制定桩基施工方案提供了依据。由于钻孔灌注桩是在地下而且在水中成孔、灌注水下混凝土、加之成孔方法各异、地质条件的各种变化、混凝土灌注时间的长短、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，所以有必要对高砂性土层下钻孔灌注桩施工工艺进行深入的研究并提出施工过程中的质量控制措施。本章从影响钻孔灌注桩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，主要从桩机选型、泥浆置换工艺、泥浆循环系统、泥浆配比、成桩过程控制与应对这五个方面进行考虑。3.1.2 成桩设备的选择一、回旋钻机型号的选择回转钻机是一种在我国应用时间最长、范围最广、市场保有量最大的成孔机具，该种钻机除在卵、砾石层钻进较为困难外，在其它各种常见地层均有良好的适用性。根据地层不同，钻头可采用不同形式，特别是在钻进坚硬岩石层时需配置滚刀钻头或牙轮钻头，回转钻机的钻孔直径可达25m，深度可达百米。回转钻机具有应用范围广、护壁效果好、成孔质量高，施工无震动、无噪音、机具操作方便、造价较低等优点。但也存在成孔效率较低，施工现场用水量大、泥浆排放量大，扩孔率较难控制等缺点，特别是在坚硬地层中进度缓慢，施工成本直线上升。针对昆山中环这种高砂性土层下得大直径超深钻孔灌注桩，结合地层情况、施工场地环境、施工工期、安全文明施工等因素对施工钻机进行综合性条件选择，宜采用GPS20型或GPS30型回旋钻机，采用大型的回旋钻机，具有稳定性好，成孔效率高的特点，有利于保证钻孔灌注桩的成孔质量。二、回旋钻机与旋挖钻机的比较选择旋挖钻孔灌注桩技术被誉为“绿色施工工艺”，其特点是工作效率高、施工质量好、尘土泥浆污染少。旋挖钻机是一种多功能、高效率的灌注桩桩孔的成孔设备，可以实现桅杆垂直度的自动调节和钻孔深度的计量；旋挖钻孔施工是利用钻杆和钻斗的旋转，以钻斗自重并加液压作为钻进压力，使土屑装满钻斗后提升钻斗出土。通过钻斗的旋转、挖土、提升、卸土和泥浆置换护壁，反复循环而成孔。吊放钢筋笼、灌注砼、后压浆等同其他水下钻孔灌注桩工艺。昆山中环以高砂性土为主的地质条件，从地层特点的可钻性、从技术特点分析回转钻机和旋挖钻机都可满足成孔要求。采用回转钻进,其成本低,施工工艺相对成熟，成孔质量好,桩机自重轻,搬迁方便等优点较为适应；使用旋挖钻机, 一次投入费用较大，但可加快施工周期,提高钻进效益,确保工程进度。三、综合选择在实际施工过程中对钻机时间效率和经济效率进行比较，回旋钻机成孔质量相对可靠，施工无噪音、无震动、无挤压，机具设备简单，操作方便，费用较低；是昆山中环选择的主要施工机械。而旋挖钻机对特大桥等70m以上的超深桩成孔速度快、废浆少、适应性强，大大缩短了工期，但其设备昂贵且使用维护保养不便，因此可作为辅助机械选择性使用。本章研究的出发点也主要从回旋钻机来考虑。3.1.3 泥浆置换工艺的选择按泥浆循环排渣方式的方式不同，将回旋转钻孔机分为正循环钻进和反循环钻进。反循环又细分为泵吸、气举、孔底泵送(射流)三种。在素土层、粘土层及砂土层常采用正循环，在卵石层、砂卵石夹层、岩石层及孔底清渣常采用反循环。正循环钻进是泥浆自泥浆池由泥浆泵泵出，输入软管送往空心钻杆上部进口，通过空心钻杆一直到钻头底部喷射出，旋转中的钻头将泥浆润滑，并将泥浆扩散到整个孔底，携同钻碴浮向钻孔顶部，从孔顶护筒开口处溢排地面上泥浆槽，流回泥浆池。反循环钻进与正循环钻进的差异在钻进时泥浆直接注入钻孔内，泥浆下达孔底，经钻头拌和使孔内部浆液均匀达到护壁、润滑钻头、浮起钻碴，用真空泵抽吸，将钻渣从空心钻杆吸入软管，排回泥浆池。一、正循环工艺的优缺点正循环回转钻成孔由钻机回转装置带动钻杆和钻头回转切削破碎岩土，由泥浆泵往钻杆输进泥浆，泥浆沿孔壁上升，从孔口溢浆孔溢出流人泥浆池，经沉淀处理返回循环池。正循环是从钻杆内注循环泥浆，钻碴因比重轻于泥浆而自浮于泥浆中，并随泥浆上升到孔顶排出。随着钻碴的逐渐加多，泥浆浓度越来越大，又因钻渣沉淀而致重复碾磨，故效率较低。但浓泥浆有利于钻孔护壁，不易塌孔，用于流沙等容易塌孔的土层是适应的。 二、反循环工艺的优缺点反循环回转钻成孔由钻机回转装置带动钻杆和钻头回转切削破碎岩土，利用泵吸、气举、 喷射等措施抽吸循环护壁泥浆，挟带钻渣从钻杆内腔抽吸出孔外的成孔方法 。反循环是钻杆吸出夹带钻碴的循环泥浆，并孔顶补充泥浆以保持孔内液面，从而保证孔壁的稳定性。反循环可大大减少重复碾磨钻碴的无效劳动，可使钻进效率大幅度提高。用于岩层，砾石及密实土层较合适。 泵吸反循环是通过砂石泵的抽吸作用，在钻杆内腔形成负压，在孔内液柱和大气压的作用下，孔壁与环状空间的冲洗液流向孔底，将钻头切削下来的钻渣带进钻杆内腔，再经过砂石泵排至地面沉淀池内；沉淀钻渣后，冲洗液流向孔内，形成反循环。反循环与正循环的本质区别在于沉渣的冲洗、上返流速存在巨大差异，反循环冲洗液携带钻渣后迅速进入过水断面较小的钻杆内腔，可以获得比正循环高出数十倍的上返速度。根据钻探水力学原理，冲洗液在钻孔内的上返速度Va的1.2-1.3倍，即Va=（1.2-1.3）Vs。反循环钻进钻渣在钻杆内运动，是形态各异的钻渣群在有限的空间作悬浮运动，钻渣颗粒要占据一定液体断面，在这种特定条件下可以采用长春地质学院在利延哥尔公式基础上进行实验给出的公式计算颗粒悬浮速度Vs计算公式为： Vs=3.1k1（ds(rs-ra)/(k2r2)的1/2次方 Vs-钻渣颗粒群悬浮速度（m/s) ds-颗粒群最大颗粒粒径（m） rs-钻渣颗粒的密度(kg/dm3) ra-冲洗液的密度（kg/dm3) k1-岩屑浓度系数；k1=0.9-1.1，浓度越大，k1越小； k2-岩屑颗粒系数，k2=1-1.1,球形颗粒为1，越不规则，k2的值越大。 目前，泵吸反循环钻杆内径大多数为150mm，用上述公式计算可知，块状为120mm，rs为2.1kg/dm3，ra为1.05kg/dm3，悬浮速度为1.02m/s,按照Va=(1.2-1.3)Vs计算，Va达到1.33m/s就可以把几何尺寸小于钻杆内径的钻渣排除。目前常用8BS砂石泵额定排量为180m3/h，满负荷时冲洗液上返流速可以达到2.83m/s，可以看出该速度远大于钻渣上返所需流速1.33m/s的要求，因此进入钻杆内的钻渣能够被有效的抽吸上来。 而正循环钻进冲洗液携带钻渣后进入钻杆与孔壁形成的环闭空间后上返速度是很低的。试计算89mm钻杆与0.8m钻孔的环闭空间，断面积为0.495m2,当采用两台600型水泵并联送水，满排量时冲洗液的上返速度仅达到0.04m/s，根据上述公式可见正循环钻进只有依靠高浓度高密度泥浆来悬浮钻渣。 相比正循环，反循环钻进速度较快，清孔效果好，当泥浆性能较差、循环流量不当时很易发生坍孔。三、综合选择采用泥浆泵将泥浆从浆池通过泥浆管直接泵送到桩尖，泥浆带上渣从桩口往上涌出，通过泥浆沟流进泥浆池，过滤后再泵进桩尖，这是正循环桩机的循环过程。反循环桩机相反，泥浆泵的泥浆入口在桩尖，出口在泥浆池，过滤后通过泥浆沟进入桩口。反循环钻机是在桩尖抽浆，造成负压，在不稳定的地质中慎用，当反循环泥浆不能及时从泥浆沟流进桩口，造成泥浆面太低，易造成塌孔。因反循环是将渣直接从泵管抽出，钻进速度理论上讲是反循环钻进速度快，实际上也会快一点。正循环钻机和反循环钻机，都是通过钻井液(泥浆)的循环进行保护钻井井壁和出渣的，即通过钻井液(泥浆)的循环，把钻孔里的钻渣带出来.它们在钻进成孔的工艺上是相同的，适用的地层也基本相同。不同的就是钻井液(泥浆)的循环方式。正循环钻机的钻井液(泥浆)是由泥浆泵从泥浆池里抽到钻杆里，通过钻杆不断的输送到钻井里，然后从钻井井口自然的排出来，同时把钻渣带出到地面上来。由于它是靠钻井液(泥浆)的自然循环方式排渣，所以循环能力和排渣能力都比较弱，只能排出一部分钻渣，而且颗粒比较大的钻渣也不能排出来，钻井里残留的钻渣比较多，影响了钻进速度，钻具的磨损也比较大。反循环钻机的钻井液(泥浆)的循环方式则正好相反，它的钻井液是用泥浆泵从钻井的井口(钻杆外面)向钻井里输送，再用压缩空气或泥浆泵，从钻杆的中间抽出来，所以循环能力和排渣能力都比较强，不但排渣比较干净，而且颗粒比较大的钻渣也能排出来，像鸡蛋大的钻渣都能排出来。所以更适合于在卵石层等颗粒比较大的地层中钻进成孔。两者比较，正循环钻机排渣能力比较弱，但工艺比较简单，容易操作，正循环钻机的价格也比较便宜；反循环钻机排渣能力比较强，但工艺比较复杂，操作不当容易引起塌孔埋钻，而且反循环钻机的价格比较高。正循环钻机只要用一台泥浆泵,而反循环钻机则需要两台泥浆泵，或一台泥浆泵和一台空气压缩机。对昆山中环高砂性土层的钻孔灌注桩施工而言，反循环工艺要求复杂，且对孔壁稳定性不利，实际使用下来效率并不高，正循环清孔是比较合适的方法。3.1.4 泥浆循环系统的优化设置一、泥浆池的最优尺寸设定一般泥浆池是生产同时所进行钻孔泥浆用量的23倍体积，一般不需要太大，因为随孔深加大，不断拌制即可满足要求，沉淀池一般比较大，要考虑存放几个孔位的泥浆，即孔内灌注砼后，所流出的泥浆要全部回收至沉淀池内，具体体积大小要结合施工实际情况确定。例如昆山中环多数单桩有100方，所以泥浆池的容量大概应该在300方左右，而且由于是泥浆护壁的施工工艺，清孔所需水量很大，造成排出的泥浆量也会增大，故必须配有泥浆车，在灌注混凝土的时候将泥浆及时外运，以免造成路面清洁、下水管道堵塞等现象。二、循环沟的优化设置泥浆循环沟一般是指现场开挖的一条使泥浆从钻孔的护筒内流向泥浆池的沟槽。一般工程施工直接开挖一条直线型的泥浆循环沟通向泥浆池，但昆山中环土质呈高砂性且主要为粉砂和粉细砂，这种砂的特性就是不易沉淀，故需要将泥浆循环池设置成S型或多个S型组合，在有限的空间内降低泥浆流动速度，使泥浆中的砂得以沉淀，从而有利于降低泥浆的含砂率。三、整个泥浆循环系统的最优化设置因为昆山中环施工沿线均为既有道路，现场不确定因素较