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摘要: 随着国家基本建设投入的增大以及高层建筑的发展，钻孔灌注桩现在被广泛地应用于高层建筑、公路桥梁等工程的基础工程。泥浆在钻孔灌注桩成孔、成桩过程中极其重要，本文的主旨是介绍泥浆护壁在钻孔灌注柱施工中的工艺控制。
关键词:钻孔灌注桩 泥浆护壁 泥浆指标 工艺
1．工艺概况:
泥浆护壁钻孔灌注柱适用于成孔较困难的地层。其优点是：
①设备构造简单，操作方便，所成孔壁较坚实、稳定，施工不受场地限制，适用范围广。
②无振动、无噪音、无污染、施工孔径大，施工操作简便、功效高，有较好的经济效果。
1.1泥浆护壁原理
泥浆护壁靠的是泥浆本身的比重是大于1或大于桩孔内壁岩土的比重，并占据了桩孔中的全部空间，由于它具用一定的流动性，对孔壁而言能产生水平侧压力，桩孔底部被冲碎的岩土被高压力泥浆泵压浆冲底反循环置换出来，孔壁在孔内泥浆的压力平衡下得以稳定。这个稳定性的强弱又随着泥浆稠度的变化而变化，泥浆稠度越大护壁能力越强。泥浆在静态的条件下时间越长，泥浆中的悬浮颗粒下沉量越大，上部泥浆护壁能力也随之降低。
1.2泥浆护壁钻孔灌注桩施工工艺流程（图1）
图1 泥浆护壁钻孔灌注桩施工工艺流程
2．导管法砼水下浇灌原理
对泥浆护壁钻孔桩而言，水下浇灌砼是指在孔内充满泥浆的条件下完成桩身砼的灌注。其工艺原理是砼的容重远远大于孔内泥浆的容重，当砼通过导管不停地输送到泥浆以下的孔底，并在导管四周由下往上翻涌时，孔内的泥浆也在砼的挤压下向孔口处上翻，慢慢从孔口溢出，最终完成水下砼的浇灌过程。泥浆向孔外溢出的速度及方量与导管输入到孔底砼的速度及方量相等。
3．钻孔灌注桩施工中泥浆护壁工艺控制
3.1场地平整，放样
对原地表面进行加固处理以满足桩机平稳安放及施工的需要。桩位放样完，埋设护筒。护筒内径比桩直径宜大10cm～15cm，长度视地质情况而定，水中桩筑岛施工时，护筒顶高出水面为2m。在钢护筒的上口面下20cm的位置割开20×20cm的方孔作泥浆外溢用。
3.2护壁泥浆制作及循环系统的设置
由于钻孔护壁和清孔的需要，需要制作一定数量的泥浆，同时为了施工场地的干燥，必须对泥浆制备和循环系统进行精心、合理的规划。
3.2.1泥浆坑选在不影响施工的地方，一般尺寸为2×4×1m。通常为了形成循环系统，还需要设置沉淀池两个，以及设置环形泥浆槽，中间可再设置若干支槽，形成泥浆循环网络和排水网络。沉淀池的容积应不小于泥浆坑的容积，两个轮换使用，一个进浆沉淀，一个关闸清理；并在沉淀池进出口设闸门，其上口应高出泥浆坑50cm。为保证施工现场的整洁、文明施工，泥浆坑和泥浆槽均用砖砌筑，坑壁和池底用水泥砂浆抹面。
3.2.2常用泥浆泵型号有3PN型，流量为108m3/h，扬程为21m，电机功率为22KW，重量为450kg/台，也可用更大的型号。每台泥浆泵还需配置一套三角架，一台手动葫芦。
3.2.3护壁泥浆一般由水、黏土（或膨润土）和添加剂按一定比例配置而成，可通过机械在泥浆坑、钻孔中搅拌均匀。泥浆的配置应根据钻孔的工程地质情况、孔位、钻机性能、循环方式等确定，调制好的泥浆应满足表1的要求。
表1泥浆性能指标
3.3钻进成孔
泥浆的好坏是成孔质量的重要保证之一，由于配置了高质量的泥浆，在长期停钻的情况下，沉积物很少，此外，优质的泥浆可使孔壁形成一层粘性好、密度大渗透性差的泥皮，这层泥皮可防止孔内泥浆外渗，大大减缓孔内水头降低的速度，这也是使孔壁稳定的有效措施。
3.3.1钻进开孔时应低锤密击（采用冲击钻时）或视地质情况采用一定压力满转，若入土为淤泥和粉土等软弱土层时，应向孔内投石块（采用冲击钻时）、粘土反复冲击，并同时造浆供浆，确保孔壁稳定。每钻进2m或地层变化处要从泥浆槽中捞取钻探样品查明土类并记录，以便与设计地质剖面图、资料等核对，同时根据实际地层变化，采用相应的钻进方式以及适当调整泥浆各项性能指标，如泥浆配方、比重等，确保顺利钻进、钻透地质变化层。
3.3.2如钻孔过程中泥浆的稠度不够，其所产生的水平侧压力小于孔壁的水平侧压力，造成孔壁不平衡失稳坍塌。塌孔漏浆后，桩身通过的土层，特别是流砂层、淤泥层的孔壁完全失去了维系其平衡条件造成坍塌。故钻孔过程中，必需严格按照地质情况，控制好泥浆稠度，以防坍塌。
3.3.3为防止由于水头差引起塌孔，必需保证护筒内水位高于地下水位线1～1.5m的水头高度，且控制护筒内水位与出浆口平齐，注意及时地补给护筒内泥浆，防止塌孔。
3.3.4在钻孔排渣、提钻头除土或因故停钻时，应安排专人值班补浆，保持孔内水头和要求的泥浆指标，防止塌孔事故，并尽可能缩短泥浆护壁时间，尽早成孔灌注。
3.3.5钻孔灌注桩因孔底沉渣和孔壁泥皮过厚往往导致承载力折减，形成上述质量通病的原因是该工艺采取了高浓度、高密度泥浆介质（冲洗液）施工的结果。故施工过程中，当孔壁泥浆皮沉淀较厚时，可用扫孔钻头上下往复，扫刷孔壁；严格控制孔底沉渣的厚度，采取定时清渣、排渣以及实验检测控制的方法。
3.3.6清孔。坚持先清渣、后清砂、再换浆的原则。清孔后检测泥浆的三大指标应该从孔中上中下取样进行检测，比重的差值控制在0.5范围以内。含砂率建议一次性清到2%以下，有利于二次换浆的效率。清孔时不宜将泥浆比重一次性清到位，控制在1.15～1.25之间为宜，防止下完钢筋笼以后二次清孔沉淀层难以上浮。
清孔方法一般有换浆、抽浆、掏渣、空压机喷射等。若孔壁土质较好不易塌孔时，可用空气及泥浆机清孔；用原土造浆清孔，清孔后泥浆比重控制在1.1左右；若孔壁土质较差时，可用泥浆循环清孔；清孔后的泥浆比重控制在1.15～1.25之间。在清孔过程中，必须及时补给足够泥浆，保持浆面稳定，并应保持孔内泥浆面高出地下水位1m以上。
凡是孔中循环出来的泥浆未经处理，不得排入城市地下管网，应采用专用罐车外运至指定地点处理。
3.4钢筋笼的下放
3.4.1钢筋笼的制作应符合设计与规范要求，长桩钢筋笼宜分段制作；钢筋笼保护层可采用混凝土垫块或定位筋竖向间距为2m～4m设置。
3.4.2钢筋笼吊放入孔时应居中，防止碰撞孔壁，钢筋骨架吊放入孔后，采用支撑或挂吊方式固定，使其位置符合设计及规范要求。钢筋笼在井口分段安装、下放，其连接方式可采用机械连接或主筋单面搭接焊接长度≥10d（双面搭接≥5d），并保证在安放导管、清孔及灌注混凝土过程中不发生位移。
3.5吊放导管
灌注水下混凝土采用钢制导管回顶法施工，导管的壁厚不宜小于3mm，内径为200mm～350mm，视桩径大小而定；导管接口之间采用丝扣或法兰连接，连接时必须加垫密封圈或橡胶垫，并上紧丝扣或螺栓。导管使用前应进行拼装水密承压（水压力一般为0.6MPa～1.0MPa）。采用吊机提升，检查接长后垂直度最大偏离中心≤50mm，确保导管口密封性。导管安放接触到孔底后，应上提300～500mm。
3.6终孔验收
钢筋笼、导管下放完成，混凝土灌注之前，沉渣厚度和泥浆性能指标应满足设计要求，一般应满足下列要求：
摩擦桩沉渣厚度≤150mm，端承桩沉渣厚度≤50mm，摩擦端承或端承摩擦桩沉渣厚度≤100mm；
泥浆性能指标在浇注混凝土前，孔底500mm以内的相对密度≤1.25，含砂率≤8%，粘度≤28s。
如沉渣厚度和泥浆性能指标超标，应再次清孔，但应注意孔壁的稳定，防止塌孔。
3.7混凝土灌注
3.7.1第二次清孔完毕（终孔验收），检查合格后应立即进行水下混凝土灌注，其时间间隔不宜大于30min。混凝土开始灌注时，漏斗下的封水塞可采用预制混凝土塞、木塞、水泥砂干拌球或导管内吊放钢板，封水塞应高于水面50mm～100㎜。
3.7.2首批混凝土的数量必须保证导管初次埋深≧1m以及填充导管底部的需要。混凝土灌注应连续，严禁中途停止，一根桩灌注时间不宜超过4h。
3.7.3在灌注过程中，应经常测探孔内混凝土面的位置，及时调整导管埋深，严禁将导管提出混凝土面，导管埋深宜控制在2m～6m。要有专人测量导管埋深及管内外混凝土面的高差，填写水下混凝土灌注记录。应时刻注意观测孔内泥浆返出情况，倾听导管内混凝土下落声音，如有异常必须采取相应处理措施。灌注过程中宜使导管在一定范围内上下窜动，并及时转动，防止起拔导管困难。
3.7.4在灌注将近结束时，由于导管内砼柱高度减小，超压力降低，而导管处的泥浆及所含渣土稠度增加，比重增大，如出现砼顶升困难时，可在孔内加水稀释泥浆，并掏出部分沉淀物，使灌注順利进行。在拔出最后一段长导管时，拔管速度要慢，以防止桩顶沉淀的泥浆挤入导管，形成泥心。
3.7.5灌注的桩顶标高应比设计高出一定高度，水位下一般为0.5m～1.0m，干孔中为0.3m～0.5m，以保证桩头混凝土强度，多余部分接桩前必须凿除，桩头应无松散层。
4．工程桩的保护及验收
在水下混凝土灌注完毕以后24小时内，距离桩位5m以内不得进行钻孔桩施工或其他具有振动性的作业，以保护新浇筑的砼。当桩身砼强度达到20％～30%以上时，即可开挖桩头，凿除多余部分，使桩面符合设计要求，且须注意截桩时不能损坏桩身。
为保证成桩质量，钻孔桩在施工完毕后经超声波检测，合格者方可使用。
5．结束语
综上所述，施工现场要加强质量管理，以预防为主，要充分重视并精心组织施工钻孔灌注桩桩基的各个施工环节，准确控制好泥浆在钻孔灌注桩施工工艺中的各项指标，制备高质量的泥浆，是保证成桩质量的关键因素。
注：本章论文的所有图表及公式以PDF形式查看
关键词:钻孔灌注桩 泥浆护壁 泥浆指标 工艺
1．工艺概况:
泥浆护壁钻孔灌注柱适用于成孔较困难的地层。其优点是：
①设备构造简单，操作方便，所成孔壁较坚实、稳定，施工不受场地限制，适用范围广。
②无振动、无噪音、无污染、施工孔径大，施工操作简便、功效高，有较好的经济效果。
1.1泥浆护壁原理
泥浆护壁靠的是泥浆本身的比重是大于1或大于桩孔内壁岩土的比重，并占据了桩孔中的全部空间，由于它具用一定的流动性，对孔壁而言能产生水平侧压力，桩孔底部被冲碎的岩土被高压力泥浆泵压浆冲底反循环置换出来，孔壁在孔内泥浆的压力平衡下得以稳定。这个稳定性的强弱又随着泥浆稠度的变化而变化，泥浆稠度越大护壁能力越强。泥浆在静态的条件下时间越长，泥浆中的悬浮颗粒下沉量越大，上部泥浆护壁能力也随之降低。
1.2泥浆护壁钻孔灌注桩施工工艺流程（图1）
图1 泥浆护壁钻孔灌注桩施工工艺流程
2．导管法砼水下浇灌原理
对泥浆护壁钻孔桩而言，水下浇灌砼是指在孔内充满泥浆的条件下完成桩身砼的灌注。其工艺原理是砼的容重远远大于孔内泥浆的容重，当砼通过导管不停地输送到泥浆以下的孔底，并在导管四周由下往上翻涌时，孔内的泥浆也在砼的挤压下向孔口处上翻，慢慢从孔口溢出，最终完成水下砼的浇灌过程。泥浆向孔外溢出的速度及方量与导管输入到孔底砼的速度及方量相等。
3．钻孔灌注桩施工中泥浆护壁工艺控制
3.1场地平整，放样
对原地表面进行加固处理以满足桩机平稳安放及施工的需要。桩位放样完，埋设护筒。护筒内径比桩直径宜大10cm～15cm，长度视地质情况而定，水中桩筑岛施工时，护筒顶高出水面为2m。在钢护筒的上口面下20cm的位置割开20×20cm的方孔作泥浆外溢用。
3.2护壁泥浆制作及循环系统的设置
由于钻孔护壁和清孔的需要，需要制作一定数量的泥浆，同时为了施工场地的干燥，必须对泥浆制备和循环系统进行精心、合理的规划。
3.2.1泥浆坑选在不影响施工的地方，一般尺寸为2×4×1m。通常为了形成循环系统，还需要设置沉淀池两个，以及设置环形泥浆槽，中间可再设置若干支槽，形成泥浆循环网络和排水网络。沉淀池的容积应不小于泥浆坑的容积，两个轮换使用，一个进浆沉淀，一个关闸清理；并在沉淀池进出口设闸门，其上口应高出泥浆坑50cm。为保证施工现场的整洁、文明施工，泥浆坑和泥浆槽均用砖砌筑，坑壁和池底用水泥砂浆抹面。
3.2.2常用泥浆泵型号有3PN型，流量为108m3/h，扬程为21m，电机功率为22KW，重量为450kg/台，也可用更大的型号。每台泥浆泵还需配置一套三角架，一台手动葫芦。
3.2.3护壁泥浆一般由水、黏土（或膨润土）和添加剂按一定比例配置而成，可通过机械在泥浆坑、钻孔中搅拌均匀。泥浆的配置应根据钻孔的工程地质情况、孔位、钻机性能、循环方式等确定，调制好的泥浆应满足表1的要求。
表1泥浆性能指标
3.3钻进成孔
泥浆的好坏是成孔质量的重要保证之一，由于配置了高质量的泥浆，在长期停钻的情况下，沉积物很少，此外，优质的泥浆可使孔壁形成一层粘性好、密度大渗透性差的泥皮，这层泥皮可防止孔内泥浆外渗，大大减缓孔内水头降低的速度，这也是使孔壁稳定的有效措施。
3.3.1钻进开孔时应低锤密击（采用冲击钻时）或视地质情况采用一定压力满转，若入土为淤泥和粉土等软弱土层时，应向孔内投石块（采用冲击钻时）、粘土反复冲击，并同时造浆供浆，确保孔壁稳定。每钻进2m或地层变化处要从泥浆槽中捞取钻探样品查明土类并记录，以便与设计地质剖面图、资料等核对，同时根据实际地层变化，采用相应的钻进方式以及适当调整泥浆各项性能指标，如泥浆配方、比重等，确保顺利钻进、钻透地质变化层。
3.3.2如钻孔过程中泥浆的稠度不够，其所产生的水平侧压力小于孔壁的水平侧压力，造成孔壁不平衡失稳坍塌。塌孔漏浆后，桩身通过的土层，特别是流砂层、淤泥层的孔壁完全失去了维系其平衡条件造成坍塌。故钻孔过程中，必需严格按照地质情况，控制好泥浆稠度，以防坍塌。
3.3.3为防止由于水头差引起塌孔，必需保证护筒内水位高于地下水位线1～1.5m的水头高度，且控制护筒内水位与出浆口平齐，注意及时地补给护筒内泥浆，防止塌孔。
3.3.4在钻孔排渣、提钻头除土或因故停钻时，应安排专人值班补浆，保持孔内水头和要求的泥浆指标，防止塌孔事故，并尽可能缩短泥浆护壁时间，尽早成孔灌注。
3.3.5钻孔灌注桩因孔底沉渣和孔壁泥皮过厚往往导致承载力折减，形成上述质量通病的原因是该工艺采取了高浓度、高密度泥浆介质（冲洗液）施工的结果。故施工过程中，当孔壁泥浆皮沉淀较厚时，可用扫孔钻头上下往复，扫刷孔壁；严格控制孔底沉渣的厚度，采取定时清渣、排渣以及实验检测控制的方法。
3.3.6清孔。坚持先清渣、后清砂、再换浆的原则。清孔后检测泥浆的三大指标应该从孔中上中下取样进行检测，比重的差值控制在0.5范围以内。含砂率建议一次性清到2%以下，有利于二次换浆的效率。清孔时不宜将泥浆比重一次性清到位，控制在1.15～1.25之间为宜，防止下完钢筋笼以后二次清孔沉淀层难以上浮。
清孔方法一般有换浆、抽浆、掏渣、空压机喷射等。若孔壁土质较好不易塌孔时，可用空气及泥浆机清孔；用原土造浆清孔，清孔后泥浆比重控制在1.1左右；若孔壁土质较差时，可用泥浆循环清孔；清孔后的泥浆比重控制在1.15～1.25之间。在清孔过程中，必须及时补给足够泥浆，保持浆面稳定，并应保持孔内泥浆面高出地下水位1m以上。
凡是孔中循环出来的泥浆未经处理，不得排入城市地下管网，应采用专用罐车外运至指定地点处理。
3.4钢筋笼的下放
3.4.1钢筋笼的制作应符合设计与规范要求，长桩钢筋笼宜分段制作；钢筋笼保护层可采用混凝土垫块或定位筋竖向间距为2m～4m设置。
3.4.2钢筋笼吊放入孔时应居中，防止碰撞孔壁，钢筋骨架吊放入孔后，采用支撑或挂吊方式固定，使其位置符合设计及规范要求。钢筋笼在井口分段安装、下放，其连接方式可采用机械连接或主筋单面搭接焊接长度≥10d（双面搭接≥5d），并保证在安放导管、清孔及灌注混凝土过程中不发生位移。
3.5吊放导管
灌注水下混凝土采用钢制导管回顶法施工，导管的壁厚不宜小于3mm，内径为200mm～350mm，视桩径大小而定；导管接口之间采用丝扣或法兰连接，连接时必须加垫密封圈或橡胶垫，并上紧丝扣或螺栓。导管使用前应进行拼装水密承压（水压力一般为0.6MPa～1.0MPa）。采用吊机提升，检查接长后垂直度最大偏离中心≤50mm，确保导管口密封性。导管安放接触到孔底后，应上提300～500mm。
3.6终孔验收
钢筋笼、导管下放完成，混凝土灌注之前，沉渣厚度和泥浆性能指标应满足设计要求，一般应满足下列要求：
摩擦桩沉渣厚度≤150mm，端承桩沉渣厚度≤50mm，摩擦端承或端承摩擦桩沉渣厚度≤100mm；
泥浆性能指标在浇注混凝土前，孔底500mm以内的相对密度≤1.25，含砂率≤8%，粘度≤28s。
如沉渣厚度和泥浆性能指标超标，应再次清孔，但应注意孔壁的稳定，防止塌孔。
3.7混凝土灌注
3.7.1第二次清孔完毕（终孔验收），检查合格后应立即进行水下混凝土灌注，其时间间隔不宜大于30min。混凝土开始灌注时，漏斗下的封水塞可采用预制混凝土塞、木塞、水泥砂干拌球或导管内吊放钢板，封水塞应高于水面50mm～100㎜。
3.7.2首批混凝土的数量必须保证导管初次埋深≧1m以及填充导管底部的需要。混凝土灌注应连续，严禁中途停止，一根桩灌注时间不宜超过4h。
3.7.3在灌注过程中，应经常测探孔内混凝土面的位置，及时调整导管埋深，严禁将导管提出混凝土面，导管埋深宜控制在2m～6m。要有专人测量导管埋深及管内外混凝土面的高差，填写水下混凝土灌注记录。应时刻注意观测孔内泥浆返出情况，倾听导管内混凝土下落声音，如有异常必须采取相应处理措施。灌注过程中宜使导管在一定范围内上下窜动，并及时转动，防止起拔导管困难。
3.7.4在灌注将近结束时，由于导管内砼柱高度减小，超压力降低，而导管处的泥浆及所含渣土稠度增加，比重增大，如出现砼顶升困难时，可在孔内加水稀释泥浆，并掏出部分沉淀物，使灌注順利进行。在拔出最后一段长导管时，拔管速度要慢，以防止桩顶沉淀的泥浆挤入导管，形成泥心。
3.7.5灌注的桩顶标高应比设计高出一定高度，水位下一般为0.5m～1.0m，干孔中为0.3m～0.5m，以保证桩头混凝土强度，多余部分接桩前必须凿除，桩头应无松散层。
4．工程桩的保护及验收
在水下混凝土灌注完毕以后24小时内，距离桩位5m以内不得进行钻孔桩施工或其他具有振动性的作业，以保护新浇筑的砼。当桩身砼强度达到20％～30%以上时，即可开挖桩头，凿除多余部分，使桩面符合设计要求，且须注意截桩时不能损坏桩身。
为保证成桩质量，钻孔桩在施工完毕后经超声波检测，合格者方可使用。
5．结束语
综上所述，施工现场要加强质量管理，以预防为主，要充分重视并精心组织施工钻孔灌注桩桩基的各个施工环节，准确控制好泥浆在钻孔灌注桩施工工艺中的各项指标，制备高质量的泥浆，是保证成桩质量的关键因素。
注：本章论文的所有图表及公式以PDF形式查看