海水环境冲击钻孔灌注桩清孔质量控制

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　　摘要：阐述在海水环境下桩基施工过程中清孔方法所存在的问题，结合现场施工条件，改进清孔方法及施工工艺，并提出有效的检测方案，以供类似工程参考。
　　关键词：海水环境 清孔 沉渣质量控制
　　一、概述
　　 清孔是钻孔灌注桩施工中重要的一环，其主要目的是降低泥浆相对密度、粘度、含砂率等指标，清除钻渣，减少孔底沉淀厚度，防止桩底沉渣过厚造成桩基承载力降低。当前常见的主要清孔方法有两种：正循环换浆法和反循环抽浆法。通常正循环换浆法用于冲击钻施工，反循环抽浆法则应用于回旋钻施工。
　　 正循环换浆法，即通过泥浆泵将较大比重的泥浆通过泥浆管注入孔底，利用泥浆的比重悬浮起钻浆，并通过泥浆自孔底向孔口的流动将钻渣排出孔外。
　　 反循环抽浆法，即通过空压机和风管在排渣管（导管）一定深度位置注入压缩空气，使压缩空气与导管内的泥浆混合后形成气、水混合物，从而与导管外的孔内泥浆形成负压，使得风管内的水、气混合物在负压下向风管口流动，在导管底口产生的“吸力”，将孔底的钻渣及泥浆抽出孔外。除渣后的部分泥浆再循环至孔内，同时补充新的泥浆。
　　 在海水环境中，由于海水中富含的Cl－、Mg2+、Ca2+，从而会降低泥浆的粘度和胶体率，使得泥浆悬浮能力较差，一旦静置，泥浆中土颗粒则极易聚集和下沉，清孔排渣困难。因此，在海水环境中实施钻孔，通常需采取专门的海水泥浆配方，通过在泥浆中加入如聚阴离子纤维素PAC等来提高泥浆保持粘度和胶体率的能力，同时增强泥浆的耐盐抗钙性能。但对于大多数工程而言，聚阴离子纤维素PAC等添加剂的成本相对较高，而施工中由于钻孔墩位的不停变换，泥浆的回收和利用较为困难。因此，选用不加添加剂的普通泥浆的情况就普通存在，在这样的施工条件下，海水环境中的钻孔灌注桩清孔质量更显重要。
　　 二、海水中冲击钻钻孔沉渣原因分析
　　 （1）原因一
　　 冲击钻第一次清孔大多正循环排渣。由于泥浆中含有大量的土颗粒，受海水泥浆粘度及胶体率差的影响，土颗粒在海水的悬浮能力较差，当泥浆携带钻渣由孔底向孔口流动至一定高度后，不同粒径的土颗粒就会在不同高度位置停滞，悬浮于半空中。而随着第一次清孔时泥浆的不停循环，孔中部的泥浆浓度越来越大，土颗粒相互吸附，形成较大颗粒，就又逐渐沉向孔底。这样不仅降低了第一次清孔的效率，而且还会在下钢筋笼的过程中，由于此时泥浆相对处于静置，从而在孔底形成较厚的沉渣，甚至可达数米。这些较厚的沉渣往往在二次清孔时也无法彻底清除，特别是孔底钢筋笼四周。且这些浓泥浆一但与泥浆中的砂结合，形成板结，则更不易清除，从而导致沉渣超标。
　　 （2）原因二
　　 冲击钻在临近终孔时，此时由于孔深基本处于该桩最大深度，排渣较为困难。通常作法为抛填粘土，从而增加泥浆比重以利于排渣。而此时由于即将面临终孔，从为防止超钻和减小对孔底持力层的破损的角度出发，通常情况下采用50cm小冲程冲击，以缩小进尺，减少孔底持力层的破坏；同时也以此挠动底部钻渣，使之悬浮后经正循环排出。但如此一来，由于钻头仅在50cm有限的小冲程上、下活动，钻头的旋转角度很小，从而导致孔底所抛粘土和聚集下沉的土颗粒无法被钻头挠动到，无法形成泥浆，相反则可能吸附于于孔底，形成所谓的“死泥”。从而导致在一、二次清孔时均无法吸出，形成沉渣。
　　 （3）原因三
　　 通常钻孔桩二清采用气举反循环清孔，效率较高且好。但对于板结物往往效率及效果将大为折减。其原因在于深泥浆与泥浆中的细砂、粉细砂、钻渣结合形成的板结物通常较致密，从而使得二清时流动的泥浆很难浸入到其内部，从而导致“吸力”大为降低，这也是为什么气举反循环能把10~20cm左右卵石吸出却未必能够将孔底沉渣吸干净的原因。
　　 在二次清孔时，虽然会将导管沿孔四周作上、下移动，但由于此时导管的直径与孔深相差极为悬殊，系一个细柔杆件，从而使得导管口虽然在沿孔四周作移动，但导管底口由于沉渣的影响，移动的轨迹通常仅限于孔中心的一定范围。在导管作上、下活动时，由于导管的自重破坏了孔底中心位置的沉渣，从而使得孔底中心位置沉渣会吸出，但孔的四周仍无法有效吸出，从而形成锅底状沉渣；
　　
　　 气举反循环清孔锅底状沉渣形成示意图
　　采用措施
　　 针对上述海水环境中清孔存在的困难和方法上的不足，改进清孔工艺、加强一清质量、控制终孔后泥浆中的细砂含量和土含量等措施。
　　 1、优化清孔方法。采用正、反循环结合法清孔，即一清和二清采用正反循环交替清孔。桩孔终孔后一清时，首先保证在孔底锤头反复挠动的情况下，用正循环清孔，之举在于冲散孔内粗粒径钻渣和孔底残余的粘土；之后再进行反循环清孔，其作用时快速排出因正循环作用悬浮起来钻渣及泥块，并初步调整泥浆指标。二次清孔则主要采用反循环，其作用是进一步降低泥浆中的砂率和泥浆比重；期间根据实际情况穿插采用正循环清孔，其作用冲起并悬浮钢筋笼四周及孔底的沉渣，避免锅底状沉渣的出现。两者相互作用，达到将沉底沉渣清理干净并及时排出孔外的目的。
　　 2、为了防止粘土没及时转化成泥浆而吸附于孔底的状况出现，严禁杜绝在摩擦桩2m~3m，端承桩50~100cm范围内严格直接向孔内投注粘土造浆的作法，期间泥浆指标如不能满足排渣要求，则采用方法（1）：人工造浓浆补浆；方法（2）下风管采用反循环排渣，即将反循环排渣管下钻头顶3～4m，在冲击钻进时，同时开启反循环排渣，完成最后1～2m钻进。
　　 3、增加配置泥浆旋流分离器和配套的空压机，降低泥浆中的土颗粒和含砂量，减少海水环境中板结层厚度，保证第一次清孔、第二次清孔质量；
　　4、为防止孔壁泥皮过厚，在入岩前钻头上加焊钢筋箍，刮除孔壁多余泥皮；且下放钢筋笼时，底节钢筋笼添加足够的圆形垫块，用于钢筋导向，避免钢筋笼箍筋大面积刮落泥皮。
　　针对以上措施存在正循环与反循环相互频繁切换的问题，为保证钻孔效率，提高清孔质量，通过改进气举反循环导管体系，来达到正、反循环交替的便捷。正反循环交替清孔工艺示意图如下：
　　
　　 自行设计的正反循环结合清孔接头
　　 其原理图如下：
　　 反循环：蝶阀开，顶面三通管接空压机高压皮管，压缩空气通过风管进入导管，带动泥浆经过闸阀从排渣管排出，形成反循环。
　　
　　 蝶阀开、三通接空压机，反循环
　　 正循环：闸阀关闭，三通管接沉降池泥浆泵，泥浆通过风管顺导管进入孔底，带动沉渣从孔口排出，形成正循环。
　　
　　 蝶阀关、三通接循环池泥浆泵，正循环
　　清孔质量的检查方法
　　 根据《公路桥涵施工技术规范》中对钻孔灌注桩清孔的要求，摩擦桩：符合设计要求，当设计无要求时，对于直径≤1.5m的桩，≤300mm；对桩径>1.5m或桩长>40m或土质较差的桩，≤500mm。支承桩：不大于设计规定。混凝土浇注前泥浆指标应达到以下要求：相对密度：1.03～1.10；粘度：17～20Pa・s；含砂率：<2％；胶体率：>98％。
　　 根据现场施工经验，清孔前桩底沉渣过厚或清孔时间过长时，孔底沉渣易板结，一般平底测锤无法量测准确，另外摩擦桩终孔后由于一清、二清的反复清孔，易将桩底软土层吸附成锅底或凹凸不平状，使得桩底标高发生变化，这些给量测孔底沉渣厚度带来了困难。如何有效而准确地来判断清孔后的沉渣厚度，结合实践经验，可通过以下两点方法来判断沉渣指标是否满足要求：1）对于基岩较硬桩基，可使用重4kg平底测锤在孔底多个方向下放撞击基岩的反弹情况来判断。2）对于摩擦桩或基底较软桩基，可通过同时在多个相同位置下放相同重量的平底测锤和尖头测锤量取孔深，若所测孔深相差较小，也可反映桩底清孔较理想。
　　 五、结语
　　 实践证明，在海水环境中，采取以上清孔方法及施工控制措施，清孔效果彻底，减少了孔底沉渣厚度，压缩了清孔时间，提高了清孔效率和清孔质量，降低了施工成本。经取芯验证表明砼芯与基岩结合密实，成桩质量可得到保证。
　　注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。

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