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      長螺旋鉆孔壓灌樁嵌巖技術(shù)的改進與應(yīng)用

      2015-01-01 02:53:50丁旭亭虞利軍
      鉆探工程 2015年11期
      關(guān)鍵詞:硬質(zhì)合金成孔鉆桿

      丁旭亭,蘇 華,虞利軍

      (浙江省巖土基礎(chǔ)公司,浙江 寧波315040)

      1 長螺旋鉆孔壓灌樁概述

      長螺旋鉆孔壓灌樁是由長螺旋鉆具向下鉆孔,土體順著鉆桿的螺旋葉片向上輸送至地面,鉆孔至設(shè)計標高后,通過混凝土泵送設(shè)備將混凝土泵入鉆桿心管,然后邊泵送混凝土邊提拔鉆桿,直至地表面,最后將鋼筋籠插入樁身成樁。該灌注樁工藝的優(yōu)點有:(1)無需泥漿護壁,噪聲小,(2)成孔時無振動、無擠土效應(yīng),對相鄰基樁及周邊環(huán)境無不良影響;(3)成孔穿透能力強,可穿透一般的砂層、礫石層、硬土層及軟巖(飽和單軸抗壓強度fr≤15 MPa);(4)施工效率高,對于直徑600 mm、深20 m的鉆孔,非巖石層鉆進,成孔時間約0.5 h;進入軟巖(fr≤15 MPa)1D(D 為樁徑),成孔時間約0.5 h。

      普通長螺旋鉆頭切削具一般為鏟形耐磨硬質(zhì)合金截齒(見圖1),鉆進原理為鉆頭回轉(zhuǎn),切削具吃入地層,將地層按螺旋線切削下一層,切刮下的巖土碎屑沿螺旋葉片上返輸送到孔口。由于切削具吃入硬巖困難,普通長螺旋鉆孔壓灌樁一般僅適用于砂層、礫石層、硬土層及軟巖層,對于飽和單軸抗壓強度fr>15 MPa的巖層,成孔十分困難。如能提高嵌巖能力,則可以大幅度提高單樁承載力,從而拓寬該成樁工藝的適用范圍。

      圖1 普通長螺旋鉆頭

      2 長螺旋鉆孔壓灌樁嵌巖技術(shù)的改進

      2.1 嵌巖技術(shù)破巖機理分析

      嵌巖的關(guān)鍵是碎巖,只要巖石被破碎,則其適用于普通長螺旋鉆孔壓灌樁技術(shù)。因此,嵌巖技術(shù)的關(guān)鍵是解決碎巖技術(shù)。長螺旋鉆孔壓灌樁嵌巖技術(shù)的碎巖形式主要表現(xiàn)為硬質(zhì)合金對巖石的壓碎作用,而鉆壓不同,硬質(zhì)合金破碎巖石會呈現(xiàn)出表面破碎(研磨性破碎)、疲勞破碎及體積破碎等不同的特征。當(dāng)鉆壓過小,硬質(zhì)合金在巖石表面作沖擊、滑動復(fù)合研磨性破碎,產(chǎn)生點狀微細裂紋或只產(chǎn)生塑性或彈性變形,其破碎效果極差。當(dāng)鉆壓雖有增加,但仍達不到所鉆巖石的抗壓強度極限值,不能夠形成體積破碎,只是在巖石表層經(jīng)過多次往復(fù)交替破碎,才能將部分巖石破碎分離,其鉆進效果亦不理想。當(dāng)鉆壓達到巖石抗壓強度極限值后,才呈現(xiàn)體積破碎,這時鉆進效率就較高。據(jù)以上分析,嵌巖鉆頭破碎巖石的過程是當(dāng)鉆壓達到巖石抗壓強度極限值后,發(fā)生突然壓入破碎。所以在鉆進時,應(yīng)根據(jù)巖石強度,增加鉆壓,以便有效破碎巖石。

      為此,本文提出對長螺旋鉆孔壓灌樁的嵌巖技術(shù)實施改進,具體有3個方面:(1)改進長螺旋鉆頭,使鉆頭具備碎巖能力;(2)增設(shè)加壓系統(tǒng),使鉆壓可超過巖石抗壓強度;(3)增設(shè)冷卻水系統(tǒng),使鉆頭在鉆進過程中得到降溫,保持正常工作。

      2.2 鉆頭改進

      普通長螺旋鉆頭底部一般鑲嵌鏟形塊狀截齒(參見圖1),材料選用YG8硬質(zhì)合金,通過截齒切入地層刻取巖土實現(xiàn)鉆進,遇硬巖時,截齒不能切入巖石,無法進尺。

      改進后的鉆頭,在底部鑲嵌高強度球狀硬質(zhì)合金,材料選用鎢鈷硬質(zhì)合金YG8C或YG11C,通過硬質(zhì)合金對巖石的壓碎、沖擊作用實現(xiàn)鉆進。要求鑲嵌的硬質(zhì)合金具有硬度高、強度高、耐磨性好、耐熱、耐腐蝕等性能。要求鋼胎體耐磨性好,硬質(zhì)合金鑲嵌牢固。長螺旋鎢鈷硬質(zhì)合金鉆頭如圖2所示。

      圖2 長螺旋鎢鈷硬質(zhì)合金鉆頭示意圖

      2.3 加壓系統(tǒng)

      普通長螺旋鉆孔壓灌樁鉆壓由動力頭及鉆桿自重提供,鉆壓不可調(diào)節(jié),達不到球齒壓碎硬巖所需的壓力。長螺旋鉆孔壓灌樁加壓系統(tǒng)由加壓卷揚機、滑輪組(上、下滑輪組及導(dǎo)向滑輪)、鋼絲繩及配重組成。配重的作用是平衡巖石通過鉆頭、螺旋鉆桿傳導(dǎo)至機臺的反作用力。加壓卷揚機啟動后,拉緊鋼絲繩,通過滑輪組的作用,將加壓卷揚機的張拉力擴大6倍施加給動力頭,使動力頭經(jīng)鉆桿加壓至鉆頭球齒,從而實現(xiàn)碎巖鉆進。通過調(diào)節(jié)加壓卷揚機的張拉力可調(diào)節(jié)施加至鉆頭的鉆壓,根據(jù)加壓卷揚機的電動機功率及鋼絲繩強度,加壓系統(tǒng)最多可加壓600 kN。加壓后,球齒壓力應(yīng)大于巖石抗壓強度,一般為15~50 MPa。加壓系統(tǒng)示意圖見圖3。

      圖3 長螺旋鉆孔壓灌樁加壓系統(tǒng)示意圖

      2.4 冷卻水系統(tǒng)

      長螺旋鉆孔壓灌樁冷卻水系統(tǒng)由高壓泵、蓄水箱、輸水管及噴嘴組成(見圖4、圖5)。冷卻水系統(tǒng)的作用是使鉆頭在鉆進塊石層、卵石層、基巖過程中得到降溫,保持正常工作。

      3 長螺旋鉆孔樁機高度改進

      根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008),長螺旋鉆孔壓灌樁適用的建議樁徑為300~800 mm,最大樁長≯25 m。規(guī)范對樁徑和樁長作出限制,主要是考慮了樁機動力頭電機功率大小及樁架、鉆桿的穩(wěn)定性。經(jīng)增大樁機動力頭電機功率、提高樁架及鉆桿強度、驗算樁架穩(wěn)定性后,經(jīng)工程實例驗證,長螺旋鉆孔壓灌樁樁徑可擴大為1000 mm,樁長可增至55 m。

      4 長螺旋鉆孔壓灌樁嵌巖成孔施工要點

      嵌巖鉆進不同于普通軟地層鉆進,其施工要點如下。

      (1)鉆進至風(fēng)化基巖時,成孔速度顯著放緩,此時同時啟動加壓系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。

      (2)啟動加壓系統(tǒng):開啟加壓卷揚機,拉緊鋼絲繩,經(jīng)過滑輪組的作用,將加壓卷揚機對鋼絲繩的張拉力擴大至6倍施加給動力頭,通過動力頭經(jīng)螺旋鉆桿傳導(dǎo)至鉆頭,巖石被壓碎后,隨著螺旋葉片被推送至地面(見圖6)。

      (3)啟動冷卻系統(tǒng):開啟高壓泵,使冷卻水經(jīng)過膠皮管和鉆桿內(nèi)的輸水鋼管傳送至鉆頭的噴嘴噴出,冷卻鉆頭。

      (4)轉(zhuǎn)速控制:選用低轉(zhuǎn)速動力頭鉆進,4 r/min。

      圖6 嵌巖鉆進

      (5)鉆速控制:較硬巖石進尺速度≯10 cm/min。

      (6)壓力控制:根據(jù)巖石強度確定壓力,鉆壓應(yīng)超過巖石抗壓強度。具體操作時根據(jù)鉆速、動力電流強度來判斷鉆壓是否合理。

      (7)動力電流強度控制:非巖石層鉆進時,電流強度讀數(shù)為額定值的40% ~60%;入巖時,電流強度急劇增大,可至額定值的90% ~100%,此時,應(yīng)及時減壓空鉆,以防燒壞電機;入巖后,調(diào)節(jié)鉆壓,使電流強度穩(wěn)定為額定值的50%~70%。

      5 工程實例

      5.1 浙江寧波慈城新區(qū)湖東地塊三期樁基工程

      該地塊為商住混合用地,總建筑面積超11萬m2,采用灌注樁基礎(chǔ),要求樁端進入中風(fēng)化凝灰?guī)r≮1D。該中風(fēng)化巖層飽和單軸抗壓強度為30~40 MPa,局部達60~70 MPa,屬較堅硬巖。設(shè)計樁長20~50 m(巖層起伏大,樁長不一),樁徑700~800 mm,混凝土強度C35,單樁抗壓承載力特征值3000~3700 kN,樁數(shù)1989根。

      該工程投入6臺改進型長螺旋壓灌樁機,平均每臺樁機成樁5根/天。施工過程順利,長螺旋鉆機轉(zhuǎn)速統(tǒng)一為4 r/min,非中風(fēng)化巖層施工時不啟動加壓系統(tǒng);進入中風(fēng)化巖層,啟動加壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng),鉆桿跳動明顯,動力頭電機電流強度急劇變化,瞬時值可達300 A,此時及時減壓空轉(zhuǎn),再緩慢加壓,使動力頭電機電流強度保持在150~200 A范圍內(nèi),鉆進速度6~10 cm/min。

      靜載荷抗壓試驗23根樁、靜載荷抗拔試驗5根樁,經(jīng)檢測,承載力均達到設(shè)計值,小應(yīng)變樁身質(zhì)量檢測均合格。

      5.2 浙江奉化金鐘財富廣場樁基工程

      該工程主要建筑物為6幢22~32層的酒店式公寓、辦公樓,建筑面積135698 m2,采用灌注樁基礎(chǔ),要求樁端進入中風(fēng)化凝灰質(zhì)粉砂巖≮1 m。該中風(fēng)化巖層屬較軟巖,少部分區(qū)域為較硬巖。設(shè)計樁長31~48 m,樁徑700 mm,混凝土強度C40,單樁抗壓承載力特征值4000 kN,樁數(shù)663根。

      該工程投入3臺改進型長螺旋壓灌樁機,平均每臺樁機成樁6根/天,施工過程順利。靜載荷試驗13根樁,經(jīng)檢測,承載力均達到設(shè)計值,小應(yīng)變樁身質(zhì)量檢測均合格。

      6 結(jié)語

      (1)普通長螺旋鉆孔壓灌樁適用于砂層、礫石層、硬土層及軟巖層,樁徑300~800 mm,樁長≯25 m,不適用于硬度較高的巖石層。經(jīng)加裝加壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)后,長螺旋鉆孔壓灌樁可用于塊石填土層、卵石層及較軟—較硬基巖的鉆進。

      (2)經(jīng)改進長螺旋鉆孔樁機樁架、動力系統(tǒng)后,樁徑可達1000 mm,樁長可增至55 m。

      (3)長螺旋鉆孔壓灌樁嵌巖技術(shù)具有無泥漿污染、噪聲小、無振動、無擠土、穿透力強、施工速度快、成本相對較低等特點,具有良好的社會效益和經(jīng)濟效益,具有重要的推廣應(yīng)用價值。

      [1] JGJ 94—2008,建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

      [2] 徐波,王有為,吳慧娟,等.建筑業(yè)10項新技術(shù)(2005)應(yīng)用指南[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005:4-9.

      [3] 張公正.牙輪鉆頭鉆井參數(shù)探討[J].探礦工程,1999,(5):45-46.

      [4] 許祿,曹國卿.長螺旋鉆孔在CFG樁施工中存在的問題淺析[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2004,31(4):22 -23.

      [5] 陳飛,劉宏標.長螺旋超流態(tài)混凝土灌注樁施工技術(shù)[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2009,36(3):41 -44.

      [6] 楊展,湯鳳林.鋼結(jié)硬質(zhì)合金型胎體性能及其熱壓金剛石鉆頭研究[J].金剛石與磨料磨具工程,2008,(6):37 -40.

      [7] 金成文,閆君,劉吉東.超流態(tài)長螺旋鉆孔灌注樁在西藏日喀則市行政中心工程中的應(yīng)用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2008,35(3):42-44.

      [8] 蘇明星.長螺旋鉆孔灌注樁施工工藝淺析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2010,(8):58-60.

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