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(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁概述

長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁是由長(zhǎng)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(jì)標(biāo)高后，通過(guò)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(diǎn)有:(1)無(wú)需泥漿護(hù)壁，噪聲小，(2)成孔時(shí)無(wú)振動(dòng)、無(wú)擠土效應(yīng)，對(duì)相鄰基樁及周邊環(huán)境無(wú)不良影響;(3)成孔穿透能力強(qiáng)，可穿透一般的砂層、礫石層、硬土層及軟巖(飽和單軸抗壓強(qiáng)度f(wàn)r≤15 MPa);(4)施工效率高，對(duì)于直徑600 mm、深20 m的鉆孔，非巖石層鉆進(jìn)，成孔時(shí)間約0．5 h;進(jìn)入軟巖(fr≤15 MPa)1D(D 為樁徑)，成孔時(shí)間約0．5 h。

普通長(zhǎng)螺旋鉆頭切削具一般為鏟形耐磨硬質(zhì)合金截齒(見(jiàn)圖1)，鉆進(jìn)原理為鉆頭回轉(zhuǎn)，切削具吃入地層，將地層按螺旋線(xiàn)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(zhǎng)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(duì)于飽和單軸抗壓強(qiáng)度f(wàn)r＞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(zhǎng)螺旋鉆頭

2 長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁嵌巖技術(shù)的改進(jìn)

2．1 嵌巖技術(shù)破巖機(jī)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(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)巖石的壓碎作用，而鉆壓不同，硬質(zhì)合金破碎巖石會(huì)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(guò)小，硬質(zhì)合金在巖石表面作沖擊、滑動(dòng)復(fù)合研磨性破碎，產(chǎn)生點(diǎn)狀微細(xì)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(dá)不到所鉆巖石的抗壓強(qiáng)度極限值，不能夠形成體積破碎，只是在巖石表層經(jīng)過(guò)多次往復(fù)交替破碎，才能將部分巖石破碎分離，其鉆進(jìn)效果亦不理想。當(dāng)鉆壓達(dá)到巖石抗壓強(qiáng)度極限值后，才呈現(xiàn)體積破碎，這時(shí)鉆進(jìn)效率就較高。據(jù)以上分析，嵌巖鉆頭破碎巖石的過(guò)程是當(dāng)鉆壓達(dá)到巖石抗壓強(qiáng)度極限值后，發(fā)生突然壓入破碎。所以在鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)巖石強(qiáng)度，增加鉆壓，以便有效破碎巖石。

為此，本文提出對(duì)長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁的嵌巖技術(shù)實(shí)施改進(jìn)，具體有3個(gè)方面:(1)改進(jìn)長(zhǎng)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(guò)巖石抗壓強(qiáng)度;(3)增設(shè)冷卻水系統(tǒng)，使鉆頭在鉆進(jìn)過(guò)程中得到降溫，保持正常工作。

2．2 鉆頭改進(jìn)

普通長(zhǎng)螺旋鉆頭底部一般鑲嵌鏟形塊狀截齒(參見(jiàn)圖1)，材料選用YG8硬質(zhì)合金，通過(guò)截齒切入地層刻取巖土實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)，遇硬巖時(shí)，截齒不能切入巖石，無(wú)法進(jìn)尺。

改進(jìn)后的鉆頭，在底部鑲嵌高強(qiáng)度球狀硬質(zhì)合金，材料選用鎢鈷硬質(zhì)合金YG8C或YG11C，通過(guò)硬質(zhì)合金對(duì)巖石的壓碎、沖擊作用實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)。要求鑲嵌的硬質(zhì)合金具有硬度高、強(qiáng)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(zhǎng)螺旋鎢鈷硬質(zhì)合金鉆頭如圖2所示。

圖2 長(zhǎng)螺旋鎢鈷硬質(zhì)合金鉆頭示意圖

2．3 加壓系統(tǒng)

普通長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁鉆壓由動(dòng)力頭及鉆桿自重提供，鉆壓不可調(diào)節(jié)，達(dá)不到球齒壓碎硬巖所需的壓力。長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁加壓系統(tǒng)由加壓卷?yè)P(yáng)機(jī)、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(guò)鉆頭、螺旋鉆桿傳導(dǎo)至機(jī)臺(tái)的反作用力。加壓卷?yè)P(yáng)機(jī)啟動(dòng)后，拉緊鋼絲繩，通過(guò)滑輪組的作用，將加壓卷?yè)P(yáng)機(jī)的張拉力擴(kuò)大6倍施加給動(dòng)力頭，使動(dòng)力頭經(jīng)鉆桿加壓至鉆頭球齒，從而實(shí)現(xiàn)碎巖鉆進(jìn)。通過(guò)調(diào)節(jié)加壓卷?yè)P(yáng)機(jī)的張拉力可調(diào)節(jié)施加至鉆頭的鉆壓，根據(jù)加壓卷?yè)P(yáng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)功率及鋼絲繩強(qiáng)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(qiáng)度，一般為15～50 MPa。加壓系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁加壓系統(tǒng)示意圖

2．4 冷卻水系統(tǒng)

長(zhǎng)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(jiàn)圖4、圖5)。冷卻水系統(tǒng)的作用是使鉆頭在鉆進(jìn)塊石層、卵石層、基巖過(guò)程中得到降溫，保持正常工作。

3 長(zhǎng)螺旋鉆孔樁機(jī)高度改進(jìn)

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)，長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁適用的建議樁徑為300～800 mm，最大樁長(zhǎng)≯25 m。規(guī)范對(duì)樁徑和樁長(zhǎng)作出限制，主要是考慮了樁機(jī)動(dòng)力頭電機(jī)功率大小及樁架、鉆桿的穩(wěn)定性。經(jīng)增大樁機(jī)動(dòng)力頭電機(jī)功率、提高樁架及鉆桿強(qiáng)度、驗(yàn)算樁架穩(wěn)定性后，經(jīng)工程實(shí)例驗(yàn)證，長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁樁徑可擴(kuò)大為1000 mm，樁長(zhǎng)可增至55 m。

4 長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁嵌巖成孔施工要點(diǎn)

嵌巖鉆進(jìn)不同于普通軟地層鉆進(jìn)，其施工要點(diǎn)如下。

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

(2)啟動(dòng)加壓系統(tǒng):開(kāi)啟加壓卷?yè)P(yáng)機(jī)，拉緊鋼絲繩，經(jīng)過(guò)滑輪組的作用，將加壓卷?yè)P(yáng)機(jī)對(duì)鋼絲繩的張拉力擴(kuò)大至6倍施加給動(dòng)力頭，通過(guò)動(dòng)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(jiàn)圖6)。

(3)啟動(dòng)冷卻系統(tǒng):開(kāi)啟高壓泵，使冷卻水經(jīng)過(guò)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(dòng)力頭鉆進(jìn)，4 r/min。

圖6 嵌巖鉆進(jìn)

(5)鉆速控制:較硬巖石進(jìn)尺速度≯10 cm/min。

(6)壓力控制:根據(jù)巖石強(qiáng)度確定壓力，鉆壓應(yīng)超過(guò)巖石抗壓強(qiáng)度。具體操作時(shí)根據(jù)鉆速、動(dòng)力電流強(qiáng)度來(lái)判斷鉆壓是否合理。

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

5 工程實(shí)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(wàn)m2，采用灌注樁基礎(chǔ)，要求樁端進(jìn)入中風(fēng)化凝灰?guī)r≮1D。該中風(fēng)化巖層飽和單軸抗壓強(qiáng)度為30～40 MPa，局部達(dá)60～70 MPa，屬較堅(jiān)硬巖。設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)20～50 m(巖層起伏大，樁長(zhǎng)不一)，樁徑700～800 mm，混凝土強(qiáng)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(tái)改進(jìn)型長(zhǎng)螺旋壓灌樁機(jī)，平均每臺(tái)樁機(jī)成樁5根/天。施工過(guò)程順利，長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)轉(zhuǎn)速統(tǒng)一為4 r/min，非中風(fēng)化巖層施工時(shí)不啟動(dòng)加壓系統(tǒng);進(jìn)入中風(fēng)化巖層，啟動(dòng)加壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)，鉆桿跳動(dòng)明顯，動(dòng)力頭電機(jī)電流強(qiáng)度急劇變化，瞬時(shí)值可達(dá)300 A，此時(shí)及時(shí)減壓空轉(zhuǎn)，再緩慢加壓，使動(dòng)力頭電機(jī)電流強(qiáng)度保持在150～200 A范圍內(nèi)，鉆進(jìn)速度6～10 cm/min。

靜載荷抗壓試驗(yàn)23根樁、靜載荷抗拔試驗(yàn)5根樁，經(jīng)檢測(cè)，承載力均達(dá)到設(shè)計(jì)值，小應(yīng)變樁身質(zhì)量檢測(cè)均合格。

5．2 浙江奉化金鐘財(cái)富廣場(chǎng)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(jìn)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?yàn)檩^硬巖。設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)31～48 m，樁徑700 mm，混凝土強(qiáng)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(tái)改進(jìn)型長(zhǎng)螺旋壓灌樁機(jī)，平均每臺(tái)樁機(jī)成樁6根/天，施工過(guò)程順利。靜載荷試驗(yàn)13根樁，經(jīng)檢測(cè)，承載力均達(dá)到設(shè)計(jì)值，小應(yīng)變樁身質(zhì)量檢測(cè)均合格。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)普通長(zhǎng)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(zhǎng)≯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(zhǎng)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(jìn)。

(2)經(jīng)改進(jìn)長(zhǎng)螺旋鉆孔樁機(jī)樁架、動(dòng)力系統(tǒng)后，樁徑可達(dá)1000 mm，樁長(zhǎng)可增至55 m。

(3)長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁嵌巖技術(shù)具有無(wú)泥漿污染、噪聲小、無(wú)振動(dòng)、無(wú)擠土、穿透力強(qiáng)、施工速度快、成本相對(duì)較低等特點(diǎn)，具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，具有重要的推廣應(yīng)用價(jià)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(xiàng)新技術(shù)(2005)應(yīng)用指南［M］．北京:中國(guó)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?chē)?guó)卿．長(zhǎng)螺旋鉆孔在CFG樁施工中存在的問(wèn)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(biāo)．長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)螺旋鉆孔灌注樁施工工藝淺析［J］．科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010，(8):58－60．

［9］ 胡小兵，華昆．加壓式嵌巖型長(zhǎng)螺旋鉆孔灌注樁應(yīng)用技術(shù)［J］．施工技術(shù)，2015，44(9):105－108．