随着我国超高层建筑的发展, 对单桩承载力的要求越来越高, 桩径、桩长相应增大, 泥浆护壁灌注桩的使用越来越多。这类桩固有的工艺缺陷即桩底沉渣问题始终是制约单桩承载力和质量稳定性的主要因素。大量桩基试验资料表明, 桩底沉渣会导致端阻力显著降低, 也会影响桩侧阻力发挥。灌注桩成桩后桩端沉渣厚度不仅影响桩端后注浆效果, 而且还影响单桩承载力与竖向变形大小。工程桩单桩竖向承载力检测中沉降值陡降或累计沉降量超限, 沉渣过厚是其中一个重要因素。近些年来建筑技术得到大幅度提高, 超长灌注桩成桩施工工艺已相对成熟, 而沉渣控制的难题反而凸显起来。以往采用的正循环冲洗沉渣法时间长、效果差, 施工过程风险不可控, 泵吸反循环系统复杂、故障多、效率低, 清孔时间过长。因此, 如何进一步改进施工技术、减小桩底沉渣厚度便成为此类桩基工程施工中质量控制的重点与难点。

西南地区某超高层建筑用地面积 31 594.14m², 总建筑面积585 602.76m², 主塔77层、高407.15m, 副塔71层、高308.15m, 裙房9层、高49.95m, 地下5层;抗震设防烈度为8度, 桩基设计使用年限100年, 建筑场地类别为Ⅲ类, 建筑桩基设计等级为甲级, 桩基结构安全等级为一级。场地条件和地质条件都较为复杂, 地质报告建议的设计桩长属该地区建筑工程之最, 工程桩总数量为2 788根, 其中主塔工程桩503根, 设计有效桩长76.6m, 桩径1m, 桩端落在⑩₁粉砂层或⑩₂粉质黏土层中 (见图1) , 单桩竖向抗压极限承载力30 000kN。由于该地区抗震烈度较高, 对单桩承载力有很高要求, 因此对桩端沉渣要求更严格。为了解决这一难题, 笔者结合工程经验对比正循环清孔和气举反循环清孔工艺, 最后得出气举反循环清孔工艺在承载力和沉渣厚度控制方面的有效性, 并通过静载试验和桩端钻芯取样进行验证。

气举反循环清孔是利用空压机的压缩空气, 通过安装在导管内的风管送至桩孔内, 高压空气与泥浆混合, 在导管内形成一种密度小于泥浆的浆气混合物, 因其密度小而上升, 在导管内混合器底端形成负压, 桩孔底部的泥浆在负压作用下上升, 并在气压动量作用下不断补浆, 上升至混合器的泥浆与气体形成气浆混合物继续上升形成流动, 因导管的内段面积远小于外壁与桩壁间的环状面积, 便形成流速、流量极大的反循环, 携带沉渣从导管内翻出排至导管以外 (见图2) 。

气举法设备主要为12m³空压机、气举导管 (管内设置风管) 、泥浆循环处理系统等, 其清孔原理为:采用导管侧壁上安装的风管, 将压缩空气从供气管路送入孔内气水混合室 (在清孔过程中, 空气压力应控制在0.6～0.8MPa, 防止空气压力过大, 形成安全隐患, 压力过小又不能将孔底的沉渣置换出来, 达不到清底效果) , 使钻杆内的冲洗液呈充气状态, 在内外管环隙和内管形成液柱压差。高速气流与充气气泡群从管内上升, 产生动能, 动能与压差产生气举反循环, 排出沉渣。

在设计试桩施工阶段, 设计院未给出成桩工艺建议, 采用相对成熟的正循环清孔方法。用正循环钻机泥浆护壁成孔至桩底标高以后, 将钻头提至孔底100～200mm空转, 继续加压保持正常循环, 使夹渣泥浆不断从桩孔口溢出, 把孔内悬浮钻渣较多的泥浆用新浆换出, 循环往复。对于本项目超长灌注桩而言, 其主要问题为:清渣效率低, 清孔时间平均8～9h, 最长的>20h;水量、泥浆排放量很大, 施工环境不良, 城市环境污染;在⑤粉砂层容易造成塌孔、形成反复清孔;黏土层较大的泥块和圆砾层卵石掉到孔底很难清洗置换;孔深接近100m (从自然地面) , 各土层情况又很复杂, 因而清孔时间过长, 综上所述原因, 最终导致实测桩底沉渣厚度超标。

为了解决上述问题, 现场进行正循环清孔和反循环清孔对比试验, 在工程桩施工初期, 由于地质条件与原试桩位置存在差异, 主塔开始的成孔施工工艺为气举反循环, 结果造成从孔口下-25～-38m ⑤₁ 粉砂层塌孔, 导致清理孔底沉渣时间过长且越清越厚的异常情况发生, 笔者结合以往超长灌注桩的管理经验, 经过细致观察、分析研究, 及时得出正确结论:这并不是气举反循环清孔本身的问题, 而是桩身成孔施工工艺需要调整, 决定采用旋挖穿过粉砂层后改为正循环成孔, 坚持最初设定的气举二次清孔方案, 因而取得良好效果。与此同时, 果断将副塔工程桩的成孔工艺 (钢护筒以下) 从泵吸反循环改为用旋挖从钢护筒上段直接挖到孔底进行施工, 成孔时间从原来的2～3d缩短为10～12h, 气举反循环清孔的优越性再次得到充分验证。

在充分总结经验的基础上, 经过分析、研究、比较, 确定主塔工程桩正循环成孔、反循环清孔的施工方法。成孔过程为:埋设钢护筒→旋挖钻机成孔 (上段) →反循环钻机正循环工艺成孔 (下段) →用钻杆控制孔深→一次正循环清孔→提起钻杆→超声仪检测成孔质量→测绳检测孔深→吊放连接钢筋笼→下放导管→二次气举反循环清孔→检测孔底泥浆密度→测绳复测沉渣厚度→提起气举管→水下混凝土浇筑。

钢护筒长度为20m、直径1 200mm, 垂直度偏差≤0.5%, 负空段深度=20m-有效桩长×5%。主塔桩平均孔深95.2m (打桩面-4m) , 副塔桩最小孔深86.5m。气举管平均下放2/3深度, 泥浆相对密度1.1～1.25, 黏度20～25Pa·s, pH值8～9, 含砂率≤8%, 气举压力0.6～0.8MPa, 二次清孔时间10～30min, 清孔结束与浇筑开始间隔时间≤30min, 采用金泰SQ45气举反循环钻机, 黑旋风SK-200泥浆除砂机。气举管为ϕ25高压钢管, 反循环导管为ϕ250钢管。

在施工过程中需注意以下几点:空压机一桩一机;按需调节压力值维持负压差稳定在合理区间;除砂机及泥浆分离机型号匹配;导管壁厚4mm, 每截长3m;气举管采用钢管 (高压软管加压甩晃易坠落且对黏土块形成阻滞) , 每截长6m;钻头锥度≥120°以满足设计对桩底标高的控制 (理论桩径的80%直径深度处界定为施工有效桩底标高) ;严控泥浆密度及补浆指标;随时监测泥浆池内泥浆质量;根据持力层土质变化调控清孔时间, 避免清渣过度;气举清孔除渣量需>5m³/桩;准确掌握沉渣与浮渣区别;有效桩长钢筋笼分为2段以减少现场接头;导管底口高度从孔底以上1m逐渐下放至桩底标高;检查桩端取土管、声测管 (兼桩端注浆管) 、混凝土取芯管、桩身沉降杆是否有效固定于钢筋笼, 以保证导管全程居于截面中部;监控导管下放定位点及垂直度, 最大偏心按≤100mm标准控制;第1次清孔提钻高度保持在1m;桩端后注浆器插入孔底300～500mm。

施工完成达到养护龄期后, 抽检7根工程桩进行静载试验检测, 均满足设计要求的30 000kN的极限承载力。

为了验证满足沉渣厚度, 在桩身预埋导管采用ϕ140钢管, 导管底标高比桩端高5m, 钢板封底, 达到养护龄期后, 桩端取芯为桩底以上5m混凝土至桩底以下2m深度范围, 可直观判断出桩端沉渣厚度。取土芯样显示, 沉渣厚度控制效果良好, 均在预控范围内, 且沉渣厚度小于混凝土浇灌前的实测值, 分析认为这是孔深超长致使混凝土初灌压力较大, 将一部分沉渣冲挤至桩底边缘所致, 由此推测, 桩端混凝土实际上呈浅锅底状的预想较合理。

1) 超长混凝土灌注桩清孔过程中, 正循环清孔造成的泵压损失、沉渣悬浮、置换困难、清孔时间过长等问题不易得到解决。气举反循环工艺很好地解决了以上难题, 工艺稳妥有效且具有可操作性, 故超长混凝土灌注桩气举反循环工艺清孔成为必然。

2) 在气举反循环技术尝试中, 通过控制气举管下放深度、泥浆密度、气压风量、清孔与浇筑间隔时间, 控制住导管内的负压差, 30min可转换泥浆90m³, 将桩底沉渣控制在0～100mm。气举清孔技术的研究与运用彻底解决超长灌注桩施工的沉渣问题, 从而缩短成桩时间、提高施工工效、确保工程质量。

3) 主塔和副塔工程桩单桩竖向抗压静载试验数据、桩端钻芯取土实际土样, 说明气举反循环清孔后单桩承载力和沉渣厚度等都满足工程设计要求。这从侧面印证气举反循环技术有效。