正循环钻成孔灌注桩基本原理

正循环钻成孔施工法是由钻机回转装置带动钻杆和钻头回转切削破碎岩土，钻进时用泥浆护壁、排渣；泥浆由泥浆泵输进钻杆内腔后，经钻头的出浆口射出、带动钻渣沿钻杆与孔壁之间的环状空间上升到孔口溢进沉淀池后返回泥浆池中净化、再供使用。这样，泥浆在泥浆泵、钻杆、钻孔和泥浆池之间反复循环运行。

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优点

钻机小、质量轻，狭窄工地也能使用。②设备简单，在不少场合，可直接或稍加改进地借用地质岩心钻探设备或水文水井钻探设备。③设备故障相对较少，工艺技术成熟，操作简单，易于掌握。④噪声低，振动小。⑤工程费用较低。⑥能有效地使用于托换基础工程。⑦有的正循环钻机(如日本利根THS-70型钻机)可打倾角10°的斜桩。

适用范围

正循环钻进成孔适用于填土层、淤泥层、黏土层、粉土层、砂土层，也可在卵砾石含量不大于15%、粒径小于10 mm的部分砂卵砾石层和软质基岩、较硬基岩中使用。桩孔直径一般不宜大于1 000 mm，钻孔深度一般约以40 m为限，在某些情况下，钻孔深度可达100 m以上。

正循环钻进与反循环钻进分析对比

从使用效果看，正循环钻进劣于反循环钻进。从本讲座(十二)可知，反循环钻进时，冲洗液是从钻杆与孔壁间的环状空间中流入孔底，并携带钻渣，经由钻杆内腔返回地面。由于钻杆内腔断面积比钻杆与孔壁间的环状断面积小得多，故冲洗液在钻杆内腔能获得较大的上返速度。而正循环钻进时，泥浆运行方向是从泥浆泵输进钻杆内腔，再带动钻渣沿钻杆与孔壁间的环状空间上升到泥浆池的，故冲洗液的上返速度低。一般情况下，反循环冲洗液的上返速度比正循环快40倍以上。

在孔底沉渣消除方面，反循环较之正循环有利，但当使用普通泥浆从维护孔壁的稳定来看，正循环成孔较之反循环成孔有利。因为从孔壁维护原理来分析，正循环在成孔过程中孔内泥浆柱具有一定的压力(与泥浆相对密度和深度有关)，而孔壁的地层又具有一定的渗透性，一般情况下泥浆柱的压力大于孔壁地层压力，在压力差的作用下泥浆中的自由水向孔壁渗透；而固体颗粒则粘附在孔壁上形成泥皮起到护壁作用，当二次清孔后虽然泥浆柱的压力减小，但由于孔壁泥皮的作用，不会引起地层压力大于泥浆柱压力而发生径缩现象。而反循环成孔，是向孔内灌入清水或稀泥浆为主，在孔壁周围很难形成泥皮，主要靠孔内的泥浆柱压力来平衡孔壁地层的压力。但是上海、宁波及绍兴等地区的地下水位很高，一般在地面下1.0 m左右，仅靠这点静水压力，再提高1.0 m水位很难维护孔壁的稳定，因而可能产生径缩现象。

因此，在类似上海、宁波及绍兴等地区一些特定的地层条件下，采用正循环成孔、反循环清渣还是比较合适的方法。

采用优质泥浆，选择合理的钻进工艺与合适的钻具及加大冲洗液泵量等措施，正循环钻成孔工艺也可以完成100 m以上的深孔施工，如黄河三角洲地区钻孔灌注桩，桩径有1.50 m和2.00 m，桩长110～120 m的案例；山东东菅市利津黄河大桥钻孔灌注桩，其桩径为1.50 m，桩长115 m；上海、宁波及绍兴地区正循环钻成孔灌注桩的桩长在70~90？m的例子不计其数。

施工机械与设备

正循环回转钻机分类

单一的正循环回转钻机  常用的国产正循环回转钻机有前上海探矿机械厂的GPS-10型、SPJ-300型和SPC-500型，天津探矿机械厂的SPC-600型，郑州勘机厂的红星-400型、XF-3型，重庆探矿机械厂的GQ-80型及张家口探矿机械厂的XY-5G型等。

正、反循环钻进两用回转钻机  常用的国产正反循环两用的回转钻机有郑州勘机厂的KP3500型、QJ250型、QJ250-1型、KP2000型、KP2000A型和2J150-1型，武汉桥机厂的BRM-08型、BRM-1型、BRM-2型和BRM-4型及双城钻机厂的S2-50型等。

直接借用或稍加改进后使用的水文水井钻机或地质岩芯钻机。

正循环回转钻机组成

正循环钻机主要由动力机、泥浆泵、卷扬机、转盘、钻架、钻杆、水**及钻头等组成。

钻杆  钻机上主动钻杆截面形状有四方形和六角形2种，长5～6 m；孔内钻杆一般均为圆截面、外径有89 mm、114 mm和127 mm等规格。

水**  水**的通孔直径一般与泥浆泵出水口直径相匹配，以保证大排量泥浆通过。水**要求密封和单动性能良好。

钻头  正循环钻头按其破碎岩土的切削研磨材料不同，分为硬质合金钻头、钢粒钻头和滚轮钻头(又称牙钻钻头)。

正循环钻头按钻进方法可分为全面钻进钻头(双腰带翼状钻头及鱼尾钻头等)、筒状肋骨合金取芯钻头和分级扩孔钻进钻头。

全面钻进即全断面刻取钻进，一般用于第四系地层以及岩石强度较低、桩孔嵌入基岩深度不大的情况。取芯钻进主要用于某些基岩(如比较完整的砂岩、灰岩等)地层钻进。分级扩孔钻进即按设备能力条件和岩性，将钻孔分为多级口径钻进，一般多分为2～3级。

施工工艺

施工程序

正循环钻成孔灌注桩施工程序如下：①设置护筒。护筒内径较钻头外径大100～200 mm。如所下护筒太长，可分成几节，上下节在孔口用铆钉连接。护筒顶部应焊加强箍和吊耳，并开水口。护筒入土长度一般要大于不稳定地层的深度；如该层深度不大，可用2层护筒，2层护筒的直径相差50～100 mm。护筒可用4～8 mm厚钢板卷制而成。护筒上部应高出地面200 mm左右。②安装正循环钻机。③钻进。④**次处理孔底虚土(沉渣)。⑤移走正循环钻机。⑥测定孔壁。⑦将钢筋笼放入孔中。⑧插入导管。⑨第二次处理孔底虚土(沉渣)。⑩水下灌注混凝土，拔出导管。  拔出护筒，成桩。

施工特点

与反循环钻进相比，正循环回转钻进时，泥浆上返速度低，排除钻渣能力差，为缓解上述问题，需特别重视。在正循环施工中，泥浆具有举足轻重的作用：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。制备泥浆是正循环钻成孔灌注桩施工的关键技术之一。

泥浆质量的好坏直接关系到桩的承载力。泥浆的作用：平衡压力，稳定孔内水位，保持孔壁稳定，防止坍塌，携带钻渣和清孔。正循环钻进对泥浆要求较为严格，泥浆的调配主要考虑以下几方面：护壁、防坍塌，悬浮携带钻渣、清孔、堵漏、润滑和冷却钻头、提高钻进速度。

泥浆性能指标应符合下列技术要求：①泥浆相对密度为1.05～1.25。②漏斗粘度为16～28 s。③含砂率小于4%。④胶体率大于95%。⑤失水量小于30 mL/30min。

桩孔直径大时，可将泥浆相对密度加大到1.25，粘度28 s左右。

施工要点

施工期间护筒内的泥浆面应高出地下水位1.0 m以上，在受水位涨落影响时，泥浆面应高出**高水位1.5 m以上；护筒埋设应准确、稳定，护筒中心与桩位中心的偏差不得大于50 mm；护筒的埋设深度在黏性土中不宜小于1.0 m，在砂土中不宜小于1.5 m，护筒下端应采用黏土填实。

安装钻机时，转盘中心应与钻架上吊滑轮在同一垂直线上，钻杆位置偏差不应大于20 mm。使用带有变速器的钻机，应把变速器板上的电动机和变速器被动轴的轴心设置在同一水平标高上。

初钻时应低挡慢速钻进，使护筒刃脚处形成坚固的泥皮护壁，钻至护筒刃脚下1.0 m后，可按土质情况以正常速度钻进。

钻具下入孔内，钻头应距孔底钻渣面50～80 mm，并开动泥浆泵，使冲洗液循环2～3 min，然后开动钻机，慢慢将钻头放到孔底，轻压慢转数分钟后，逐渐增加转速和增大钻压，并适当控制钻速。

正常钻进时，应合理调整和掌握钻进参数，不得随意提动孔内钻具。操作时应掌握升降机钢丝绳的松紧度，以减少钻杆、水**晃动。在钻进过程中，应根据不同地质条件，随时检查泥浆指标。

根据岩土情况，合理选择钻头和调配泥浆性能。钻进中应经常检查返出孔口处的泥浆相对密度和粒度，以保证适宜地层稳定的需要。

在黏土层中钻孔时，宜选用尖底钻头、中等转速、大泵量以及稀泥浆的钻进方法。

在粉质黏土和粉土层中钻孔时，泥浆相对密度不得小于1.1，也不得大于1.3，以有利于进尺为准。上述地层稳定性较好，可钻性好，能发挥钻机快钻优点，产生土屑也较多，所以泥浆相对密度不宜过大，否则会产生糊钻、进尺缓慢等现象。

在砂土或软土等易塌孔地层中钻孔时，宜采用平底钻头、控制进尺、轻压、低挡慢速、大泵量和稠泥浆(相对密度控制在1.5左右)的钻进方法。

在砂砾等坚硬土层中钻孔时，易引起钻具跳动、憋车、憋泵、钻孔偏斜等现象，操作时要特别注意，采用低挡慢速、控制进尺、优质泥浆、大泵量、分级钻进的方法为宜。必要时，钻具应加导向，防止孔斜度超差。

在起伏不平的岩面、第四系与基岩的接触带以及溶洞底板钻进时，应轻压慢转，待穿过后再逐渐恢复正常的钻进参数，以防桩孔在这些层位发生偏斜。

在同一桩孔中采用多种方法钻进时，要注意使孔内条件与换用的工艺方法相适应。如基岩钻进由钢粒钻头改用牙轮钻头时，须将孔底钢粒冲起捞净，并注意孔形是否适合牙轮钻头入孔。牙轮钻头下入孔内后，须轻压慢转，慢慢扫至孔底，磨合5～10 min，然后逐步增大钻压和转速、防止钻头与孔形不合引起剧烈跳动而损坏牙轮。

在直径较大的桩孔中钻进时，在钻头前部可加一小钻头，起导向作用，在清孔时，孔内沉渣易聚焦到小钻孔内，并可减少孔底沉渣。

加接钻杆时，应先将钻具稍提离孔底，待冲洗液循环3～5 min后，再拧卸加接钻杆。

钻进过程中，应防止板手、管钳、垫叉等金属工具掉落孔内，损坏钻头。

如护筒底土质松软出现漏浆时，可提起钻头，向孔中倒入黏土块，再放入钻头倒转，使胶泥挤入孔壁堵住漏浆空隙，稳住泥浆后继续钻进。

钻进过程中，应在孔口换水，使泥浆中的砂粒在沟中沉淀，并及时清理泥浆池和沟内的沉砂杂物。

终孔并经检查后，应立即进行**次清孔，清孔时应采取边钻孔、边清孔、边观察的办法，以减少清孔时间。在清孔时逐渐对孔内泥浆进行置换，清孔结束时应基本保持孔内泥浆为性能较好的浆液，这样可有效地保证浆液中的胶体量，使孔内钻屑及砂粒与胶体结合，呈悬浮状，防止钻屑沉入孔底，从而造成孔底沉渣超标。清孔可采用正循环清孔或压风机清孔方法。

在灌注混凝土之前进行第二次孔底沉渣处理，通常采用普通导管的空气升液排渣法或空吸泵的反循环方式。

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