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5、岩土施工技术具有超前性问题
工程孔施工
一、螺旋钻进法(无循环液回转钻进法)
1、工作过程
螺旋钻进是利用螺旋钻具储存和输送钻渣的干式机械回转钻进方法,它不使用冲洗介质,在轴心压力和回转力矩作用下,钻头回转并切削岩土体,钻渣沿螺旋叶片上升到地表排出,或暂时储存在螺旋叶片的空间里随钻头一起提到地表排出。
2、螺旋钻进法的特点
①钻土层速度快
②无泥浆,无振动,无污染
③破碎岩土同时可输送破碎岩屑
④孔壁稳定
3、螺旋钻进法的适用条件
①地层:
适用于填土层、黏性土层、淤泥土层、粉土层、砂土层及卵石层(粒径小于150mm、卵石含量30%~40%)等,采用特殊钻头也可进入强、中风化岩层。
②钻孔直径和深度:
长螺旋钻,目前最大直径为800mm,最大深度为27.5m;
短螺旋钻,直径最大可达1.5~2m,孔深可达30m。
2、钻斗钻进法(无循环液回转钻进法)
这种钻进方法是在钻杆下端连接一个底部带耙齿的筒状钻具(称为钻斗),靠钻具自重和钻机加压力,在回转力矩作用下钻斗回转,切削钻掘地层,并将切削下的钻屑收入斗内,待钻屑装到相当数量后被提到孔外,打开钻斗,卸去土块。
然后再将钻斗下入孔内,重复以上过程。
2、钻斗钻进法的特点:
①适宜在黏性土中干作业钻成孔;
②钻进与排渣交替进行,但钻进速度较快,工程造价较低;
③振动小、噪声低;
④由于频繁的升降钻斗,导致孔壁不规整,扩孔率较大;
⑤对稳定液管理十分严格,且竣工后要对稳定液进行处理;
⑥在承载地基附近有强承压水时,施工困难。
3.适用条件
地层适用于填土层、黏土层、粉土层、淤泥层、砂土层以及含有部分卵石、碎石的地层。
钻孔直径和深度:
目前最大直径达到3000mm,最大深度达到80m
3、正循环回转钻进法
在钻具回转钻进的同时,利用泥浆泵通过水龙头、钻杆内腔向孔底输送冲洗液(清水,更常用的是泥浆),冲洗液完成冷却钻头,冲洗孔底,并携带钻屑沿钻杆与孔壁之间的外环空间上升,从孔口流向沉淀池,形成正循环(冲洗液的这种流向称为正循环)排渣系统,称为正循环回转钻进。
2、正循环回转钻进的特点
①多采用泥浆循环,孔壁稳定,不受地层限制。
②既使循环系统有少量泄漏,循环也不会中断,只要冲洗液能够连续补给,仍可继续钻进。
③设备体积小,重量较轻,且施工技术容易掌握。
④冲洗液上返流速低,大颗粒钻屑(大于40~50mm)不能及时排出,这些钻屑在孔底被钻头重复破碎,增加钻头的功率消耗,加速钻头的非正常磨损。
3、适用条件
地层:
没有任何地层限制。
钻孔直径和深度:
多使用于800mm以内的孔径,深度基本不受限制。
4、选择该工法的依据
对于直径大于1m的工程孔,使用该法无论在经济上或工期方面都不利,该法适用于1m以内,多用于φ8OOmm以内的孔。
该法钻机体积小,重量较轻,在施工少量桩时,工程造价较低。
在基坑底部或狭窄地段,以及重型机械不易进入的山地等处施工,该法具有绝对优势。
该法耗电量小,只使用50~60kW的电动机(累加),就可以进行钻孔、灌注混凝土、钢筋笼加工等工作。
四、反循环回转钻进法
1、工作过程
与正循环的循环路径相反,冲洗介质从孔口沿钻具与孔壁的环状间隙向孔底,冷却钻头,清洗孔底,携带钻屑,再沿钻杆内腔上升,经过水接头和排渣管排到地表沉淀池,经净化重新流入孔内,冲洗液这种循环方式,称为反循环回转钻进法。
2、反循环钻进的特点
①钻进效率高。
反循环冲洗液上升流速快,排渣效果好,岩土不经重复破碎就被排到地表。
在一般土层中最高纯钻速可达20~30m/h,平均钻速可达6~7m/h,比正循环方法提高几倍。
②钻头寿命长。
由于排渣效果好,减少了重复破碎,所以钻头寿命明显增长。
采用正循环钻进卵石层,一个牙轮钻头“寿命”不足30m,改用反循环方法施工后,用组合牙轮钻头,钻进720m(包括90m卵石层)后仍能使用。
③钻孔不易坍塌。
因为环状面积中冲洗液的流速很慢,对孔壁的破坏作用较小。
只要合理地设置水头(孔内水位高于地下水位2m),保持稳定的液柱压力,钻孔一般不会坍塌。
④钻孔质量好。
清孔效果好,孔底残渣厚可不超过5m;
钻孔的超径率比正循环小。
钻速快,孔壁泥皮薄,这些对工程孔的后续工作是非常有利的。
软土层、基岩地层均可采用该工法。
反循环钻进特别适合于在第四纪松散地层钻进大直径钻孔。
超径卵石、漂石不能通过钻杆时,可以采用抓斗或爆破配合反循环钻进。
工作地区地下水位适中。
地下水位不宜太高(最好在3m以下),太高不利于孔壁保持稳定;
地下水位也不宜太低,太低则易增大冲洗液的漏失量,给供水造成困难。
需要有适当的供水水源,以满足钻进需要。
就目前工程孔所需的深度和直径来说,该工法基本不受限制。
4、反循环原理
(1)泵吸反循环
这是利用砂石泵运转时其吸口处产生的负压,在孔口液面与
泵的吸口之间形成压差实现的冲洗液反循环,它是利用了砂石泵
的吸程。
开动钻机前,先向孔内供水,孔内水位上升至孔口,然
后启动砂石泵。
砂石泵的启动有二种方式:
一种是利用真空泵排
除泵体和吸水管内的空气,形成负压,钻杆内的液体上升充满砂
石泵后启动;
另一种启动方式是配备一台注水泵,开动副泵注满
砂石泵的进水管后,再启动砂石泵。
(2)压气反循环(气举反循环)
压气反循环(气举反循环)是将压缩空气通过管路(单独的风管或双壁钻杆),送至钻杆某一深度处的气水混合室,并由此进入钻杆内部,在这里压气膨胀(管内液柱压力小于压缩空气压力)、液气混合,形成小于冲洗液密度的液气混合物,并在钻杆内外液体重度差和压气动量的联合作用下,带动孔内的冲洗液和钻屑一起向上流动,形成气、液、固三相流,经排渣管流往地面沉淀池,空气逸散,钻屑沉淀,冲洗液流回钻孔。
(3)喷射反循环
喷射反循环采用水泵的水或空气压缩机的压缩空气为动力,但
与泵吸反循环和压气反循环不同,它是供给装在喷射腔内的喷嘴后经
喷嘴高速喷射出去,因此在喷嘴外部形成负压区,其负压可达0.08~
0.09Mp,水泵的水(空气压缩机的压缩空气)通过喷嘴形成上升水流。
据研究认为,冲洗液的最优排渣流速,约相当于管路内最大清水流速
的60%。
泵吸、气举、喷射三种反循环钻进理论效率变化曲线如下图:
图3-7泵吸、气举、喷射三种反循环钻进理论效率变化曲线
5、钢绳冲击钻进法
钢绳冲击钻进法是用冲击式钻机或卷扬机
悬吊冲击钻头(又称冲锤)上下往复冲击将岩土
破碎成孔,部分钻屑和泥浆挤入孔壁中,而另
一部分悬浮在孔底泥浆中,用抽筒或循环的方
式排至地表,形成钻孔。
2、钢绳冲击法特点
①采用冲击动载破碎岩土体,冲击功大而作用时间短,岩土瞬时间受到的动压力是钻头重量的几十倍,岩土在高速加载的条件下,不易产生塑性变形,表现为脆性增加,形成大体积破碎。
②所用设备和机具比较简单,操作和维护容易,施工中材料消耗也少,工程费用较低。
③可采用反循环排渣,大大提高了钻进速度。
④在水源不足的情况下,排渣可不用循环液,采用抽筒。
⑤有效破碎岩面的时间少,绝大部分时间能量消耗在钻头上下运动上若不采用反循环排渣,则钻渣聚集在孔底附近,造成重复破碎,影响钻进效率,而专门的捞渣作业也减少了纯钻进时间。
⑥由于靠钻头自由下落钻进,所以只能钻垂直孔。
(1)地层:
适用于黄土、黏性土或粉质黏土和人工杂填土层中应用,特别适于有孤石的砂砾石层、漂石层、坚硬土层、岩层中使用,对流砂层亦可克服,但对淤泥及淤泥质土则要十分慎重。
(2)钻孔直径和深度:
钻孔直径一般为600~2500mm;
深度从几十米到数百米。
6、冲抓钻进法(冲抓及全套管钻进法)
1、工作过程
冲抓成孔是在稳定液护壁的条件下,利用特制的冲抓锥或冲抓斗鄂板,在下落时,冲抓锥锥瓣和冲抓斗鄂板张开,冲入或压入孔底岩土,然后提升,冲抓锥锥瓣和冲抓斗鄂板闭合抓土,提升至地面将土卸去,重复上述过程,使钻孔不断延伸到设计深度。
2、冲抓钻进特点
(1)主要不是靠破碎岩土,而是靠抓瓣切入,将部分岩土从整体中分离出来后抓取,切入和抓取同时进行,破碎工作量不大。
(2)钻进与排渣交替进行。
(3)稳定液护壁,对稳定液的管理较严格。
(4)设备、机具和工艺简单,易于掌握。
(5)扩孔率较大。
在腐植土、淤泥、坚密性黏土、砂土、流砂、松散及软硬相差较大的岩层均可使用。
(2)钻孔直径和深度:
钻孔直径一般为Φ700mm~Φl500mm;
施工孔深在30m以内。
七、全套管施工法(冲抓及全套管钻进法)
1.工作过程
这个施工法是:
用液压油缸摇动套管,并用另外的油缸将其压入地基土中来护壁,并同时在套管内用锤式抓斗冲抓钻进,一直将孔掘凿到设计规定的地基深度以后,再将焊接好的钢筋骨架插入孔中,边灌注混凝土边拔出套管,就地建成大孔径灌注桩。
2.全套管施工法特点
(1)一般地层中,原则上是套管超前于挖掘,所以引起的孔周围
土的松动很小。
(2)在松软地层中施工,能做到安全与准确。
(3)能够安全地紧贴已有的建筑物进行施工,不会影响建筑物的基础。
(4)孔底的沉渣量小,是各种成孔方法中能获得最优承载力的一种方法。
(5)根据冲抓斗的挖掘阻力及排出土目测,能准确掌握地层情况,控制孔底标高。
(6)不使用泥浆,桩孔质量高,而且施工场地干净,特别适于城市内施工
(7)与其它施工法相比,其噪音、振动级别低。
(8)扩孔率极低,与其它成孔法相比可节约混凝土13%。
(9)设备庞大,自重大,所以当场地小,表土软弱及水上作业时,该工法不适合。
(10)设备原价高,机械使用费用也高,所以钻孔成本费用高。
8、振动沉管钻进法
振动沉管法是在钻管(桩管)的上部安装一个振动锤,振动锤与桩管刚性联结,形成一个振动体系,启动振动锤的原动机,锤内两水轴上的偏心块则相对旋转而产生激振力,使桩管振动,桩管下部的锥形钻头边破坏地层土,边挤密土下沉,沉入地层预定深度后在管内制桩,振动拔管。
2、振动沉管施工法特点
(1)采用挤密法成孔,桩身的承载力会有一定程度的提高。
(2)可按变化了的地层条件变更原设计桩长、桩径,以满足要求,不会造成材料浪费和延误工期。
(3)采用钻管(沉管)护壁,不使用泥浆,具有干式成孔法的优点。
(4)成孔速度快。
(5)可结合爆破法扩底,扩大钻孔底部直径,提高桩端承力。
(6)该施工方法将产生一定的噪音和挤土效应。
黏土、淤泥质土、砂性土、人工回填土、稍密(或部
分中密)的卵石层和碎石夹层。
(2)钻孔直径和
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