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反循环钻进技术因其成孔质量好、单桩承载力强、施工成本低、适应地层广等诸多特点,已被广泛应用于高层建筑、公路桥梁等基础工程的成孔施工。然而,对泵吸反循环钻进技术而言,由于经常出现循环中断,处理故障时间长,纯钻进时间短、钻进深孔时施工效率低等因素而影响其在工程施工中的应用。本文结合天津高银试桩基础工程的成功实践,系统地论述了超深钻孔灌注桩的成孔工艺及反循环钻进成孔的理论基础,介绍了泵吸反循环在超深钻孔灌注桩成孔过程中反循环的实现条件,通过泵吸反循环单位钻杆内泥浆重力及流量的平衡关系,对泵吸反循环运行工况参数作深入分析,得出岩屑体积含量、混合液的上返速度、岩屑的上升速度及岩屑悬浮速度间的相互关系及钻进特性。通过冲洗液循环系统的能量关系,运用流体力学伯努利能量方程建立泵吸反循环工作模型,得出泵吸反循环钻进时的能量损耗,通过该模型分析探讨了影响泵吸反循环钻进效率的各参数之间的相互作用。本文最后通过计算泵吸反循环工况下沿程各项水头损失,从理论上验证了泵吸反循环成孔工艺能较好的应用于百米深钻孔灌注桩的施工实践中。根据以上的分析研究,本文主要得出以下结论:
(1)循环管路密封性能的优劣直接影响着反循环是否能正常进行,主要是因为泵吸反循环依靠砂石泵内的负压产生的吸程进行工作,一旦密封性能不好,将导致负压为零,使砂石泵失去了抽吸能力。
(2)从泵吸反循环的能量关系式可以看出,降低泵的安装高度可以使砂石泵的吸程损耗减小,使循环系统的能量增加,有利于提高钻进效率。
(3)在砂石泵真空度一定的情况下,随着孔深的增加,钻杆内外重度差以及沿程阻力损失都将增大,这就导致其速度头下降,即冲洗液的上返速度减小,排渣效率降低。考虑到砂石泵吸程的有限,故在钻进深孔对,泵吸反循环的效率将明显下降。
(4)当孔深较浅时,钻杆内外泥浆比重所引起的压差较小,砂石泵的抽吸能力较强,携带岩屑的能力较高。随着孔深的增加,钻杆内外泥浆比重所引起的压差越来越大,砂石泵的携渣能力减弱。因而在钻进深孔时要注意控制混合液的重度。
(5)通过计算不同冲洗液重度与排渣效率的结果可以看出,泵吸反循环的排渣效率随冲洗液重度的增大而逐渐下降,故而施工中在其满足护壁条件下,应适当降低冲洗液的重度,采用优质泥浆。
(6)通过计算不同水龙头高度对钻进深度的影响可以看出,随着其高度的增加,钻进深孔越发困难,故在生产实践中,在保证施工效率及减小辅助时间的情况下,适当的减小钻杆的长度。
(7)循环管路中的沿程阻力及局部阻力水头损失都与混合液上返速度的平方成正比,因而混合液的上返速度增大将直接导致沿程阻力的增大,加大了砂石泵的吸程损耗,因而施工中在满足悬浮岩屑的条件下,适当的控制钻进速度,以减小混合液的上返速度,对提高成孔深度及加大钻进效率是有利的。
(8)通过理论计算分析,结合泵吸反循环钻进成孔技术应用于天津高银试桩基础的成功实践,表明泵吸反循环施工法在钻进百米深钻孔灌注桩是可行的,根据试桩质量的检测结果也说明该工艺能取得满意的效果。