灌注桩施工桩机选型探讨

王玉波

扬州市桩基集团有限公司，江苏 扬州 225000

摘要：随着我国城市化的不断发展，建设用地愈发紧张，高层建筑在城市住房中占据着重要的地位。钢筋混凝土灌注桩因具有普遍性、施工技术成熟度高、承载能力大的特点，被广泛应用于高程地基处理。扬州市地貌为长江三角洲漫滩冲积平原，地势平坦，河湖密布，地下水丰富。扬州城市地表土层南部主要以沙土层为主，北部以黏土层为主。目前应用我市市场的灌注桩桩机类型为正循环水钻桩机、反循环水钻桩机，适用于地下水位较高的黏土层、砂土层。

关键词：灌注桩；正循环钻机；反循环钻机

1 拟建场地地质概况及参数

1.1 工程概况

该工程位于扬州市江都区，项目位于扬州市江都区文昌东路南侧，建都路西侧，总建筑面积约162385.8m2 ,其中地上建筑面积113606.8m2 ,地下建筑面积48779m2。

表1  建筑物一览表

序号	建筑物名称	地上层数/地下层数	高 （m）	结构 类型	预估荷载	拟采用的 基础形式
①	10#、15#楼	34/2	99.05	框剪	4083KN	桩基础
②	11#、12#楼	47/2	145.65	框剪	10664KN	桩基础
③	地下车库	0/2		框架	1468kN（抗拔）	桩基础

1.2 场地土层分布

表2  岩土性质及其均匀性评价表

层号	土层名称	状态	层底标高（m）	层厚（m）
①	杂填土	软硬不均	1.90～5.89	0.30～4.20
②	粉土、粉砂	以中密状为主，局部密实状	-7.60～2.86	1.00～7.6
③	粉砂夹粉土、细砂	多数中密状，少数密实状	-15.65～-53.61	40.81～46.01
④	含卵砾石细砂中砂	以密实状为主，局部中密状	-63.65～-56.65	2.70～7.80
⑤	黏土	以硬塑状为主，局部可塑状、坚硬状	-68.45～-65.15	2.90～9.60
⑥	含卵砾石细砂中砂	密实状	-90.72～-77.32	20.7～27.50
⑦	粉质黏土夹细砂	粉质黏土，硬塑状	未钻穿	未钻穿

1.3 工程桩参数

该工程建筑形式为超高层、高层以及配套地库，地基处理采用桩基础。各项数据见下表

表3  钻孔灌注桩单桩竖向极限承载力标准值

建筑物名称	桩径(mm)	桩顶高程(m)	桩底高程(m)	桩长(m)	Quk (kN)
10#、15#楼	600	-6.0	-43.0	37.0	4083
11#、12#楼	800	-6.0	-72.0	66.0	10664
地库	600	-6.0	-31.0	25.0	1468

2 桩机选型和桩基施工

2.1 正反循环桩机工作原理

图1  正循环钻机工作原理图                       图2  反循环钻机工作原理图

正反循环钻机工作原理主要区别：正循环钻机的工作原理是钻机钻进的过程中将泥浆通过钻杆送入到钻孔中，此时泥浆便有两方面作用，一是护壁，二是浮出钻渣。

反循环钻机的工作原理是通过把钻渣及泥浆吸入钻杆内，之后再进入砂石泵，那么此时的泥浆便只有护壁的作用。

2.2 工艺流程图

图3  正、反循环钻机工作原理图

2.3 主要施工操作要点

2.3.1 测放桩位

（1）依据建设单位提供的坐标和高程，在施工场地内，采用GPS设备建立测量放线控制网。

（2）施工前，进行施工地面标高的测量和桩的定位放线，桩位放线标志埋设应可靠稳固，桩位放线的偏差不大于10mm。

2.3.2 正循环钻机施工特点

正循环钻机在钻进过程中，产生的泥土、碎渣大部分留在孔中，泥浆稠度大，护壁效果好；缺点是泥渣大量留在钻孔中，清孔难度大。正循环水钻是从钻杆内注循环泥浆，钻渣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。随着钻渣的逐渐加多，泥浆浓度越来越大，又因钻渣沉淀而致重复碾磨，降低了施工效率。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，孔底沉渣较多，清孔难度大。

2.3.3 反循环钻机施工特点

反循环是钻杆吸出夹带钻渣的循环泥浆，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渣的无效劳动，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，孔底沉渣很少，清空难度小；缺点是泥渣被大量抽出，残留的泥浆稠度低，护壁效果一般，容易使孔壁产生失稳破坏。

2.3.4 工程桩施工桩机选型

表4  工程桩各项参数一览表

工程桩桩型	桩长（米）	桩径（mm）	土层情况	受力特点	承载力（KN）	数量（根）
抗压桩（主楼）	37	600	多数中密状，少数密实状	抗压（端承+摩擦）	4083	355
	66	800	以硬塑状为主，局部可塑状、坚硬状、含卵砾石	抗压（端承+摩擦）	10664	396
抗拔桩（地库）	25	600	多数中密状，少数密实状	抗拔（摩擦）	1468	1680

根据以上参数逐一比较正反循环桩机的优劣：   

（1）从施工数量分析：正循环钻机自身重量轻便，前后桩位移动快，施工准备和施工清理需要时间短；反循环钻机体积庞大，前后桩位移动慢，泥浆池、吊车等配套设备较多周转困难。正循环钻机在灌注桩施工中能够充分发挥快速的特点。

（2）从桩长和桩径分析：正循环钻机一般适用于桩长小于40米，桩径在800mm以内的灌注桩施工。在钻进的过程中将泥浆通过钻杆送入到钻孔中，随着钻渣的逐渐增加，泥浆浓度越来越大，又因钻渣沉淀而致重复碾磨，故效率较低适用于桩长较短的情形。

为了保证桩孔内的泥浆能够将钻渣和泥浆很好的被清除，我们需要计算泥浆泵的流量界限值。公式如下：

Q为泥浆泵流量；D为成孔桩径；d为钻杆直径；V上返为上返泥浆流速。

我们考虑施工800mm的桩径，钻杆直径为127mm，流速按照0.3m/s，虑，经计算流量为8800L/min。

反循环钻机由于其水泵功率能够达到以上数值，能够将水下深处的泥浆吸出，效率高，广泛应用于深桩、直径大于800mm灌注桩。

（3）从施工土层分析：正循环水钻钻机回转装置功率小，遇到硬塑状为主，坚硬状、卵砾石，施工效率低，经济效益差，如遇卵砾石较多的地层，钻机将无法施工。反循环水钻钻机能够很好的适应硬塑状为主，坚硬状、卵砾石土层，施工速度快，经济效益好。在此类土层中施工，反循环水钻的高强度合金钻头将土层切削开来，然后泥浆泵通过导管将切削下来的钻渣从孔底吸上来，成孔速度快且成孔质量好。在成孔的过程中反循环钻机遇到含卵砾石层，钻机通过导管也能将孔内的砾石吸出桩孔，保证质量的同时，完成成孔目的。

（4）从桩受力特点和承载力分析：正循环水钻钻机在成孔的过程中，泥浆较厚，钻渣不容易被清理干净，导致灌注混凝土之前桩底一般会形成较厚的沉渣，无法保证灌注桩施工的质量。反循环水钻在深度过40米，桩径超过800mm的灌注桩施工中能够很好的清除桩底钻渣，保证成桩质量，被广泛采用。

经过以上特点分析，该项目灌注桩采用桩机类型见下表：

表5  工程桩选用桩机一览表

工程桩桩型	桩长（米）	桩径（mm）	土层情况	受力特点	承载力（KN）	数量（根）	桩机选型
抗压桩（主楼）	37	600	多数中密状，少数密实状	抗压（端承+摩擦）	4083	355	正循环水钻
	66	800	以硬塑状为主，局部可塑状、坚硬状、含卵砾石	抗压（端承+摩擦）	10664	396	反循环水钻
抗拔桩（地库）	25	600	多数中密状，少数密实状	抗拔（摩擦）	1468	1680	正循环水钻

3 结论

根据该工程施工实践和基桩检测结果综合判定，在沙土层和黏土层桩基施工中，桩长小于40m和桩径小于800mm，地下不含卵砾石的情况下，采用正循环桩机发挥施工进度快，质量好，经济价值搞得优点；桩长大于40m和桩径大于800mm，地下含有卵砾石的情况，采用反循环桩机既能够取得更加好的经济效益，同时也能在施工质量和进度得到保证。

参考文献

[1]杨建林,杨荣斌,江政炎.泵吸反循环钻孔扩底桩施工技术研究及其应用[J].施工技术,2001:1-3.

[2]李宇航.浅谈反循环钻机施工工艺[J].城市建设理论研究(电子版),2017:134.

[3]吕科,毕学锋,孙明旭.桩基的正循环钻施工工艺探究[J].住宅与房地产,2017:189-190.