灌注桩技术之钻孔灌注桩简介

灌注桩技术是在地基处理时用长螺旋钻机、锅锥钻机、冲击钻机、旋挖钻机、沉管机械或人工挖孔等方法成孔到预定深度，放入钢筋笼、浇灌混凝土，振捣成桩或者长螺旋钻孔压灌桩后插筋成桩。钻孔机具及工艺的选择,应根据桩型、钻孔深度、土层情况、泥浆排放及处理条件综合确定。
  钻孔灌注桩施工
  (一)钻孔机械设备
  目前常见的钻孔机械有：长螺旋钻机、回转（锅锥）钻机、冲击钻机、旋挖钻机、沉管机械、潜水钻机、钻扩机、全套管钻机(即贝诺特钻机)。
  1．长螺旋钻孔机
  长螺旋钻孔机(图1～1)由主机、滑轮组、螺旋钻杆、钻头、滑动支架、出土装置等组成，用于地下水位以上的粘土、粉土、中密以上的砂土或人工填土土层的成孔，成孔孔径为300mm～800mm，钻孔深度8～30m。配有多种钻头，以适应不同的土层.
图1～1 长螺旋钻孔机：

1～电动机；2～变速器；3～钻杆；4～托架；5～钻头；6～立柱；7～斜撑；8～钢管；9～钻头接头；10～刀板；11～定心尖
  2．回转钻孔机
  回转钻孔机由机械动力传动，配以笼头式钻头，可以多档调速或液压无级调速，在泥浆护壁条件下，慢速钻进排渣成孔，灌注混凝土成桩。设备性能可靠，噪音振动小，钻进效率高，钻孔质量好。该机的钻孔直径可达2．5 m，钻进深度可达50～100 m，适用于碎石类土、砂土、粘性土、粉土、强风化岩、软质与硬质岩层等多种地质条件。
  3．潜水钻机
  潜水钻机(图1～2、1～3)适用于粘性土、粘土、淤泥、淤泥质土、砂土、强风化岩、软质岩层，不宜用于碎石土层中。这种钻机以潜水电动机作动力，工作时动力装置潜在孔底，耗用动力小，钻孔效率高，电动机防水性能好，运转时温升较低，过载能力强，钻架对场地承载力要求低，可采用正循环、反循环两种方式排渣。缺点是：钻孔时采用泥浆护壁，易造成现场泥泞；采取反循环钻孔时，如土体中有较大石块，则容易卡管；容易产生桩侧周围土层和桩尖土层松散，使桩径扩大、灌注混凝土超量。
图1～2 潜水钻机示意图：

  1～钻头；2～潜水钻机；3～电缆；4～护筒5～水管；6～滚轮；7～钻杆；8～电缆盘；9～卷扬机；10～10kN卷扬机；11～电表；12～起动开关
图1-3潜水钻 ：

                   l～泥浆管；2～防水电缆：3～电动机；4～齿轮减速器；5～密封装置；6～钻头；7～合金刃齿；8～钻尖
  4．钻扩机
  钻扩机是钻孔扩底灌注桩的成孔机械。常用钻扩机是双管螺旋钻扩机，它的主要部分是由两根并列的开口套管组成的钻杆和钻头，钻头上装有钻孔刀和扩孔刀，用液压操纵，可使钻头并拢或张开。开始钻孔时，钻杆和钻头顺时针方向旋转钻进土中，切下的土由套管中的螺旋叶片送至地面。当钻孔达到设计深度时，操纵液压阀使钻头徐徐撑开，边旋转边扩孔，切下的土也由套管内叶片输送到地面，直到达到设计要求为止。
  5．全套管钻机
  该机由法国贝诺特公司首先开发和研制而成，故又称为“贝诺特钻机”，它在成孔和混凝土浇筑过程中完全依靠套管护壁。钻孔直径可达2．5m，钻孔深度可达40m，拔管能力达到5000 kN。
  全套管钻机按结构形式可分为两大类：整机式和附着式，全套管钻孔机施工具有以下优点：
  (1)除了岩层以外，任何土层均适用；
  (2)挖掘时可确切地分清持力层土质，因此可随时确定混凝土桩的深度；
  (3)在软土中，由于有套管护壁，不会引起塌方；
  (4)可钻斜孔，用于斜桩。
  不足之处是：机身庞大沉重，套管上拔时所需反力大，由于套管的摆动使周围地基扰动而松散。
  (二）钻孔灌注桩施工工艺
   钻孔灌注桩是先成孔，然后吊放钢筋笼，再浇灌混凝土而成。依据地质条件不同，分为干作业成孔和泥浆护壁(湿作业)成孔两类。
   1．干作业成孔灌注桩施工
  成孔时若无地下水或地下水很小，基本上不影响工程施工时，称为干作业成孔。主要适用于北方地区和地下水位低的土层；
  (1)施工工艺流程：场地清理→测量放线定桩位→桩机就位→钻孔取土成孔→清除孔底沉渣→成孔质量检查验收→吊放钢筋笼→浇筑孔内混凝土。
  (2)施工注意事项。干作业成孔～般采用螺旋钻成孔，还可采用机扩法扩底。为了确保成桩后的质量，施工中应注意以下几点：
  ①开始钻孔时，应保持钻杆垂直、位置正确，防止因钻杆晃动引起孔径扩大及增多孔底虚土。
  ②发现钻杆摇晃、移动、偏斜或难以钻进时，应提钻检查，排除地下障碍物，避免桩孔偏斜和钻具损坏。
  ③钻进过程中，应随时清理孔口粘土，遇到地下水、塌孔、缩孔等异常情况，应停止钻孔，同有关单位研究处理。
  ④钻头进入硬土层时，易造成钻孔偏斜，可提起钻头上下反复扫钻几次，以便削去硬土。若纠正无效，可在孔中局部回填粘土至偏孔处0．5 m以上，再重新钻进。
  ⑤成孔达到设计深度后，应保护好孔口，按规定验收，并做好施工记录。
  ⑥孔底虚土尽可能清除干净，可采用夯锤夯击孔底虚土或进行压力注水泥浆处理，然后快吊放钢筋笼，并浇筑混凝土。混凝土应分层浇筑，每层高度不大于1．5m。
  2．泥浆护壁成孔灌注桩施工
   泥浆护壁成孔灌注桩是利用泥浆护壁，钻孔时通过循环泥浆将钻头切削下的土渣排出孔外而成孔，而后吊放钢筋笼，水下灌注混凝土而成桩。成孔方式有正(反)循环回转钻成孔、正(反）循环潜水钻成孔、冲击钻成孔、冲抓锥成孔、钻斗钻成孔等。
  泥浆护壁成孔灌注桩施工工艺流程如下：
  (1)测定桩位。平整清理好施工场地后，设置桩基轴线定位点和水准点，根据桩位平面布置施工图，定出每根桩的位置，并做好标志。施工前，桩位要检查复核，以防被外界因素影响而造成偏移。
  (2)埋设护筒。护筒的作用是：固定桩孔位置，防止地面水流入，保护孔口，增高桩孔内水压力，防止塌孔，成孔时引导钻头方向。
(3)泥浆制备。泥浆的作用是护壁、携砂排土、切土润滑、冷却钻头等，其中以护壁为主。施工中废弃的泥浆、泥渣应按环保的有关规定处理。
  (4)成孔方法
  ①回转钻成孔。回转钻成孔是国内灌注桩施工中最常用的方法之一。按排渣方式不同分为正循环回转钻成孔和反循环回转钻成孔两种。
  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入泥浆池，经沉淀处理返回循环池。正循环成孔泥浆的上返速度低，携带土粒直径小，排渣能力差，岩土重复破碎现象严重，适用于填土、淤泥、粘土、粉土、砂土等地层，对于卵砾石含量不大于15％、粒径小于10 mm的部分砂卵砾石层和软质基岩及较硬基岩也可使用。桩孔直径不宜大于1000 mm，钻孔深度不宜超过40 m。正循环钻进主要参数有冲洗液量、转速和钻压。保持足够的冲洗液(指泥浆或水)量是提高正循环钻进效率的关键。     
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。根据抽吸原理不同可分为泵吸反循环、气举反循环和喷射（射流)反循环三种施工工艺，泵吸反循环是直接利用砂石泵的抽吸作用使钻杆的水流上升而形成反循环；喷射反循环是利用射流泵设出的高速水生负压使钻杆内的水流上升而行程反循环；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重度差有关，随孔深增大效率增加。当孔深小于50m时，宜选用泵吸或射流反循环；当孔深大于50m时，宜采用气举反循环。
正循环回转钻机成孔工艺原理图：

   
                   1～钻头；2--泥浆循环方向；3～沉淀池；4--泥浆池；5～泥浆泵；6--水龙头；7～钻杆；8～钻机回转装置
反循环回转钻机成孔工艺原理图：

   
1～钻头；2--新泥浆流向；3～沉淀池；4～砂石泵；5～水龙头；6～钻杆7--钻机回转装置；8～混合液流向
  ②潜水钻成孔。潜水电钻同样使用泥浆护壁成孔。其出碴方式也分为正循环和反循环两种。
  潜水钻正循环是利用泥浆泵将泥浆压入空心钻杆并通过中空的电动机和钻头等射入孔底，然后携带着钻头切削下的钻渣在钻孔中上浮，由溢浆孔溢出进入泥浆沉淀池，经沉淀处理后返回循环池。
  潜水钻反循环有泵吸法、泵举法和气举法三种。若为气举法出渣，开孔时只能用正循环或泵吸式开孔，钻孔约有6～7m深时，才可改为反循环气举法出渣。反循环泵吸式用吸浆泵出渣时，吸浆泵可潜入泥浆下工作，因而出渣效率高。
  ③冲击钻成孔。冲孔是用冲击钻机把带钻刃的重钻头(又称冲锤)提高，靠自由下落的冲击力来削切岩层，排出碎渣成孔。冲击钻机有钻杆式和钢丝绳式两种。前者所钻孔径较小、效率低、应用较少。后者钻孔直径大，有800mm、1000mm、1 200mm几种。钻头可用锻制或用铸钢制造，钻刃用T18号钢制造，与钻头焊接。钻头形式有十字钻头及三翼钻头等。锤重500～3 000kg。冲孔施工时，首先准备好护壁料，若表层为软土，则在护筒内加片石、砂砾和粘土(比例为3：1：1)；表层若为砂砾卵石，则在护筒内加小石子和粘土(比例为1：1)。冲孔时，开始低锤密击，落距为0．4～0．6 m，直至开孔深度达护筒底以下3～4 m时，将落距提高至1．5～2m。掏渣采用抽筒，用以掏取孔内岩屑和石渣，也可进入稀软土、流砂、松散土层排土和修平孔壁。掏渣每台班～次，每次约4～5桶。用冲击钻冲孔，冲程为0．5～1．0 m，冲击次数40～50次／min，孔深可达300m。采用这种冲击钻冲孔可适用于风化岩及各种软土层成孔。但由于冲击锤自由下落时导向不严格，扩孔率大，实际成孔直径比设计桩径要增大10％～20％。若扩孔率增大，应查明原因后再成孔。
  ④抓孔。抓孔即用冲抓锥成孔机将冲抓锥斗提升到～定高度，锥斗内有压重铁块和活动抓片，松开卷扬机刹车时，抓片张开，钻头便以自由落体冲入土中。然后开动卷扬机提升钻头，这时抓片闭合抓土，冲抓锥整体被提升到地面上将土渣卸去，如此循环抓孔。该法成孔直径为450～600 mm，成孔深度10 m左右，适用于有坚硬夹杂物的粘土、砂卵石土和碎石类土。
  （5)清孔。当钻孔达到设计要求深度并经检查合格后，应立即进行清孔，目的是清除孔底沉渣以减少桩基的沉降量，提高承载能力，确保桩基质量。清孔方法有真空吸泥渣法、射水抽渣法、换浆法和掏渣法。
  空气吸泥机或抓斗用于土质较好，不易塌孔的碎石类±，风化岩等硬土中清孔。因孔底沉渣颗粒大，采用空气吸泥机或抓斗可将颗粒较大的沉渣吸出或抓出。
  射水法是在孔口接清孔导管，分段联接后吊入孔内。清孔靠抽水机和空气压缩机进行。空气压缩机使导管内压力达0．6～0.7MPa，在导管内形成强大中气流，同时向孔内注入清水，使孔底的泥渣、杂物被喷翻、搅动，随高压气流上涌，从喷嘴喷出．这样可将孔底沉渣清出，直到孔口喷出清水为止。清孔后，泥浆容重为1：1左右为清孔合格。该法可用于原土造浆的粘土以及制浆的碎石类土和风化岩土层中清孔。
  换浆法又叫置换法，是用新搅拌的泥浆置换孔底泥浆，即用泥浆循环方法清孔。清孔后泥浆容重应控制在1．15～1.25之间，泥浆取样均应选在距孔底0．2～0．5m处，置换法适用于在孔壁土质较差的软土、砂土以及粘土中清孔。   
  清孔应达到如下标准才算合格：一是对孔内排出或抽出的泥浆，用手摸捻应无粗粒感觉，孔底500mm以内的泥浆密度小于1．25g／cm3(原土造浆的孔则应小于1．1g／cm3)；二是在浇筑混凝土前，孔底沉渣允许厚度符合标准规定，即端承桩≤50mm，摩擦端承桩、端承摩擦桩≤100mm，摩擦桩≤300mm。
  (6)吊放钢筋笼。清孔后应立即安放钢筋笼、浇混凝土。钢筋笼一般都在工地制作，制作时要求主筋环向均匀布置，箍筋直径及间距、主筋保护层、加劲箍的间距等均应符合设计要求。分段制作的钢筋笼，其接头采用焊接且应符合施工及验收规范的规定。钢筋笼主筋净距必须大于3倍的骨料粒径，加劲箍宜设在主筋外侧，钢筋保护层厚度不应小于35mm(水下混凝土不得小于50 mm)。可在主筋外侧安设钢筋定位器，以确保保护层厚度。为了防止钢筋笼变形，可在钢筋笼上每隔2m设置一道加强箍，并在钢筋笼内每隔3～4m装一个可拆卸的十字形临时加劲架，在吊放入孔后拆除。吊放钢筋笼时应保持垂直、缓缓放人，防止碰撞孔壁。
  若造成塌孔或安放钢筋笼时间太长，应进行二次清孔后再浇筑混凝土。
  (7)水下浇筑混凝土。泥浆护壁成孔灌注桩的水下混凝土浇筑常用导管法，混凝土强度等级不低于C20，坍落度为18～22cm。其浇筑方法如图2～21所示，所用设备有金属导管、承料漏斗和提升机具等。 
图2～21水下灌筑混凝土：

1～上料斗；2～储料斗；3～滑道；4～卷扬机；5～漏斗；6～导管；7～护筒；8～隔水栓；
  导管一般用无缝钢管制作，直径为200～300 mm，每节长度为2～3m，最下一节为脚管，长度不小于4m，各节管用法兰盘和螺栓连接。承料漏斗利用法兰盘安装在导管顶端，其容积应大于保证管内混凝土所必须保持的高度和开始浇筑时导管埋置深度所要求的混凝土的体积。
  隔水栓(球塞)用来隔开混凝土与泥浆(或水)，可用木球或混凝土圆柱塞等，其直径宜比导管内径小20～25mm。用3～5 mm厚的橡胶圈密封，其直径宜比导管内径大5～6mm。
  导管使用前应试拼装、过球和进行封闭水压试验，试验压力为0．6～1．0MPa，不漏水者方可使用。
  （8）常见工程质量事故及处理方法
  泥浆护壁成孔灌注桩施工时常易发生孔壁坍塌，斜孔、孔底隔层、夹泥、流砂等工程问题，水下混凝土浇筑属隐弊工程，一旦发生质量事故难以观察和补救，所以应严格遵守操作规程，在有经验的工程技术人员指导下认真施工，并做好隐弊工程记录，以确保工程质量。
  ①孔壁坍塌
  指成孔过程中孔壁土层不同程度坍落。主要原因是提升下落冲击锤、掏渣筒或钢筋骨架时碰撞护筒及孔壁；护筒周围未用粘土紧密填实，孔内泥浆液面下降，孔内水压降低等造成塌孔，塌孔处理方法：一是在孔壁坍塌段用石子粘土投入，重新开钻，并调整泥浆容重和液面高度；二是使用冲孔机时，填入混合料后低锤密击，使孔壁坚固后，再正常冲击。
  ②偏孔
  指成孔过程中出现孔位偏移或孔身倾斜。偏孔的主要原固是桩架不稳固，导杆不垂直或土层软硬不均。对于冲孔成孔，则可能是由于导向不严格或遇到探头石及基岩倾斜所引起的。处理方法为：将桩架重新安装牢固，使其平稳垂直。如孔的偏移过大；应填入石子粘土，重新成孔；如有探头石，可用取岩钻将其除去或低锤密击将石击碎；如遇基岩倾斜，可以投入毛石于低处，再开钻或密打。
  ③孔底隔层
  指孔底残留石渣过厚，孔脚涌进泥砂或塌壁泥土落底。造成孔底隔层的主要原因是清孔不彻底，清孔后泥浆浓度减少或浇筑混凝土、安放钢筋骨架时碰撞孔壁造成塌孔落土。主要防止方法为；做好清孔工作，注意泥浆浓度及孔内水位变化，施工时注意保护孔壁。
  ④夹泥或软弱夹层
  指桩身混凝土混进泥土或形成浮浆泡沫软弱夹层。其形成的主要原因是浇筑混凝土时孔壁坍塌或导管口埋入混凝土高度太小，泥浆被喷翻，掺入混凝土中。防治措施是经常注意混凝土表面标高变化，保持导管下口埋入混凝土表面标高变化，保持导管下口埋入混凝土下的高度，并应在钢筋笼下放孔内4小时内浇筑混凝土。
  ⑤流砂
  指成孔时发现大量流砂涌塞孔底。流砂产生的原因是孔外水压力比孔内水压力大，孔壁土松散．流砂严重时可抛入碎砖石、粘土，用锤冲入流砂层，防止流砂涌入。