正循環換漿清孔法研究

摘 要： 在鉆孔灌注樁施工中，工程清孔時間是關鍵因素。本文用數學解析方法結合施工情況導出換漿清孔的時間公式，為施工提供參考，并為各工序安排提供依據。

關鍵詞： 換漿正循環法 泥漿比重 清孔時間

清孔是鉆孔灌注樁的一個重要環節。清孔的好壞直接影響灌注樁的質量高低。清孔的方法應根據設計要求、鉆孔方法、機具設備和地質條件的不同有不同的方法。我們在施工中常采用換漿正循環法清孔，讓泥漿在流動過程中在泥漿池沉淀以達到清孔的目的。換漿正循環法清孔的工作原理主要是利用泥漿膠體性的粘滯力，把樁孔中的沖渣或鉆渣粘帶著順泥漿的流動排出樁孔。在此過程中定期測定泥漿的各項指標及孔底沉渣情況去判斷清孔的效果。

在施工過程中，泥漿比重是重要的指標，泥漿平衡不了土壓力和水壓力，孔壁易坍和滲水，同時比重小，粘力不足，懸浮能力差，土顆粒容易聚集和下沉，不能達到清孔的最佳效果；比重大，懸浮力強，但含土量高，雜質過多，泥漿流動性能差，達不到清孔的目的，如果是摩擦樁，由于厚泥漿必定造成厚泥皮，摩阻力影響嚴重，而且在灌注的過程中容易出現意外。

一

在清孔的過程中，如何把孔內的泥漿比重從較濃的狀態下稀釋到規定的濃度，時間就成了一個最為關鍵的因素。那么換漿的最合適時間是多少呢？我們可以用數學解析的方法從理論上得出來。下面就通過一個數學題目來得出結論：如圖所示，開始清孔時，孔內有Vs（L）體積的泥漿，其比重為r （g/cm ），現以v（L/min）的速度打入比重為r （g/cm ）的泥漿，同時以同等速度將混合均勻的泥漿排出孔外，問經過時間t（min）后，孔內的泥漿比重為多少？

設未知函數r （g/cm ）是在時刻t孔內泥漿的比重，當時間改變了⊿t時，取得了改變量⊿r。當⊿t→0時，這兩個改變量是dt、dr。根據題意可以列出下列微分方程：

dr =- #8226;dt

則：

=- #8226;dt

兩邊積分得：

ln（r -r ）=- #8226;t+lnc

ln（r -r ）-lnc=- #8226;t

ln =-

- =e

r =C#8226;e +r

代入初始條件：

r =r

t=0

得：r =（r -r ）e +r （1）

式中：r ——在清孔時間t時刻的孔內泥漿比重（g/cm ）

r ——清孔前的孔內泥漿比重（g/cm ）

r ——用于清孔打入孔內的泥漿比重（g/cm ）

v——泥漿泵泵量（L/min）

V——孔內泥漿體積（L）

t——清孔時間（min）

由上式可以看出：當t→∞時，e →0。

則：（r -r ）e →0，r →r ;

當t→0時，r →r 。

下面我們把時間t表為泥漿比重rt的函數，

已知：r =（r -r ）e +r ， =e ，

則：t=- ln（ ）。

∵（r -r ）＜（r -r ）

∴ln（r -r ）-ln（r -r ）為負值

則：t=- ln（ ）（2）

式中符號意義同公式（1）。

公式（2）是根據數學解析推導出來的理論公式，在具體施工中有許多影響因素使實際的清孔時間大于計算所需的清孔時間。比如用于清孔打入孔內的泥漿及孔內排出的泥漿比重的不均勻性與假設條件有一定出入，還有各種情況的停機因素等。因此為抵消上述因素，我們引入一定影響系數——K，將公式（2）變為：

t=K#8226; ln（ ）（3）

式中：K——影響因素，根據經驗可取K=1.2—1.4。

其他符號意義同公式（1）。

公式（3）的作用是在開始清孔時就可提前計算出需要的清孔時間，在這段時間里可以安排灌注樁前的準備工作，為合理安排勞力、機具，使工序銜接有條不紊創造了條件。對鉆孔灌注樁的施工有一定的參考價值。

二

溫嶺市醫療中心一期綜合樓樁基工程溫嶺市西北新區，為溫嶺市重點工程，工程總用地面積141064m ，總建筑面積147983m （不包括底下部分）。我公司承建的為3幢9層的一期醫療綜合樓樁基工程，該工程全部采用鉆孔灌注樁，總砼方量為1.5萬m ，工程量大，工期緊。工程地質主要由淤泥、淤泥質粘土、粘土及含粘性土圓礫組成，設計為摩擦型工程樁。在這個工程中，我們就應用了上述公式對工程清孔時間作一個重要參考。

舉例說明：

1.Φ800樁孔深為65m，孔內的泥漿體積為：V=k#8226;πR #8226;L。

式中：k——充盈系數，本工程充盈系數為1.1—1.2，取1.15。

R——設計樁孔半徑（m）

L——孔深（m）

V=1.15×3.14×0.4 ×65=37.554m =37554L。

測得清孔前的孔內泥漿比重r =1.3（g/cm ），用于清孔打入孔內的泥漿比重r =1.10（g/cm ），泥漿泵泵量v=200（L/min），假定清孔完畢后要求孔內的泥漿比重r =1.19，取影響系數K=1.3。則需要的清孔時間為:

t=K#8226; ln（ ）

=1.3×37554/200×ln（2.22）=194min。

實際清孔至孔內泥漿比重rt降至1.19g/cm 時所用的時間是210min，同計算結果相近。

2.Φ700樁孔深為65m，孔內的泥漿體積為：V=k#8226;πR #8226;L

式中：k——充盈系數，本工程充盈系數為1.1—1.2，取1.15

R——設計樁孔半徑（m）

L——孔深（m）

V=1.15×3.14×0.35 ×65=28.753m =28753L。

測得清孔前的孔內泥漿比重r =1.3（g/cm ），用于清孔打入孔內的泥漿比重r =1.10（g/cm ），泥漿泵泵量v=200（L/min），假定清孔完畢后要求孔內的泥漿比重r =1.19，取影響系數K=1.3。則需要的清孔時間為:

t=K#8226; ln（ ）

=1.3×28753/200×ln（2.22）=149min。

實際清孔至孔內泥漿比重rt降至1.19g/cm 時所用的時間是150min，同計算結果相近。

用泥漿比重的指標來推算清孔時間只是一個方面，在清孔中還要采取其他一些技術措施來保證清孔后沉渣的厚度。

參考文獻：

［1］高等數學（第五版）（上、下冊）.同濟大學出版社，2005.

［2］浙江省標準設計站.浙江省建筑標準設計圖集.2004.

［3］中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑樁基技術規范.