鉆頭及施工方法

　　現(xiàn)在的建筑樁基礎(chǔ)中，長樁（樁深大于30米）多適用于旋挖鉆機(jī)、沖擊正反循環(huán)鉆機(jī)、回轉(zhuǎn)正反循環(huán)鉆機(jī)等設(shè)備來施工。短樁（樁深不大于30米）大徑（直徑大于1米）往往適用于旋挖鉆機(jī)、沖擊正反循環(huán)鉆機(jī)、回轉(zhuǎn)正反循環(huán)鉆機(jī)等設(shè)備來完成。短樁（樁深小于30米）小徑（直徑不大于1米）多用于長螺旋鉆機(jī)、夯擴(kuò)樁機(jī)，螺桿樁機(jī)等設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。旋挖鉆機(jī)、沖擊正反循環(huán)鉆機(jī)、回轉(zhuǎn)正反循環(huán)鉆機(jī)施工過程中需要泥漿作護(hù)壁，灌注時(shí)需水下澆灌，污染環(huán)境，樁成本造價(jià)高。但能入巖，能夠滿足設(shè)計(jì)樁長。現(xiàn)有的長螺旋在軟巖施工中具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，但在硬巖施工中很難達(dá)到樁設(shè)計(jì)要求。為了降低短樁小徑入巖樁施工成本，有必要對(duì)長螺旋入巖鉆頭及施工方法進(jìn)行研究。

　　1 巖石破碎理論

　　利用彈性力學(xué)的研究結(jié)果來分析巖石內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)

　　1.1 靜載作用下的巖石應(yīng)用狀

　　以平底圓柱形壓頭壓入巖石為例，可知巖石的應(yīng)力狀態(tài)如圖1。

　　由圖可知：在壓頭的邊緣集中區(qū)，極值應(yīng)力使巖石首先在此區(qū)域出現(xiàn)變形甚至破壞，在應(yīng)力集中區(qū)產(chǎn)生拉應(yīng)力。

　　以球形壓頭壓入巖石為例，可知巖石應(yīng)力狀態(tài)如圖2。

　　由圖可知，在壓頭的中心凸出處為應(yīng)力集中區(qū)，在接觸面的圓周邊界處，沿徑向產(chǎn)生拉應(yīng)力區(qū)。

　　1.2 軸向力和切向力共同作用時(shí)壓頭下方巖石的應(yīng)力狀態(tài)

　　以平底圓柱形壓頭壓入巖石為例來分析巖石的應(yīng)力狀態(tài)如圖3所示，只有軸向力單獨(dú)作用于壓頭時(shí)，彈性半無限體內(nèi)等應(yīng)力線分布是均勻的、對(duì)稱的。

　　在軸向力和切向力共同作用時(shí)，等應(yīng)力線分布是非均勻的。不對(duì)稱的（如圖4（a）所示），在接觸面上，切向力作用的前方將產(chǎn)生壓應(yīng)力，其后方則產(chǎn)生拉應(yīng)力，在半無限體內(nèi)，形成正應(yīng)力區(qū)（Ⅰ）、拉應(yīng)力區(qū)（Ⅱ）和過渡區(qū)（Ⅲ）（如圖4（b）所示）。軸向力和切向力共同作用時(shí)，可看作碎巖工具對(duì)孔底巖石表面以某一角度α施加作用力，巖石的破碎效果將由此作用力的大小和方向來決定。通常情況下α值取45°～65°，巖石硬度越高，α值越大。壓縮區(qū)（Ⅰ）隨軸向力增加而擴(kuò)大，隨切向力的增加而縮??；拉伸區(qū)（Ⅱ）則隨軸向力增加而縮小，隨切向力的增加而擴(kuò)大；當(dāng)巖石中出現(xiàn)拉應(yīng)力時(shí)，巖石將在作用力比較小時(shí)，會(huì)在拉應(yīng)力區(qū)開始破碎。

　　2 巖石的破碎過程

　　巖石在不同軸壓作用下破碎速度是不同的，如圖5所示。

　　在較小軸壓作用情況下，巖石只發(fā)生彈性變形或微小裂紋。當(dāng)軸壓增加到一定值時(shí)，可以對(duì)巖石產(chǎn)生一定程度的壓裂現(xiàn)象，當(dāng)軸壓繼續(xù)增加到一定極限時(shí)，巖石才會(huì)出現(xiàn)較大范圍的裂隙，從而達(dá)到破碎。鉆頭在鉆進(jìn)過程中，軸壓對(duì)破碎速度的影響是很關(guān)鍵的因素。圖中Ⅰ區(qū)為巖石表面研磨破碎區(qū)，此時(shí)軸壓值較小，巖石表面的磨損是由鉆頭齒與巖石表面接觸而引起的。圖中Ⅱ區(qū)為巖石疲勞破碎區(qū)段，此時(shí)軸壓力未達(dá)到巖石的極限強(qiáng)度或壓入硬度值，巖石產(chǎn)生微裂隙。破碎效果較表面研磨階段好些。圖中Ⅲ區(qū)為體積破碎區(qū)，此時(shí)軸壓等于或大于巖石的極限抗壓強(qiáng)度或壓入硬度值，巖石出現(xiàn)較大裂隙，從而形成快速破碎。隨著軸壓的增大，破碎效果越來越明顯，此時(shí)鉆頭齒的損大損耗為最小，巖石破碎所耗功率也小。

　　3 長螺旋入巖鉆頭機(jī)理

　　由巖石的破碎理論和巖石的破碎過程可知：回轉(zhuǎn)入巖鉆頭的入巖是關(guān)鍵點(diǎn)，而入巖后剪切破碎是比較容易的。因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下，巖石的抗剪強(qiáng)度極限幾乎是抗壓強(qiáng)度極限的10%左右，參照抗壓強(qiáng)度對(duì)地層進(jìn)行分類表。

　　根據(jù)施工地勘報(bào)告和樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要求，得知工程樁所入巖層的抗壓強(qiáng)度。根據(jù)施工設(shè)備的最大加壓負(fù)載來選擇入巖鉆頭的結(jié)構(gòu)形式。入巖鉆頭選擇截齒作為刀具，截齒與巖面的傾角一般在45°～65°之間，巖石越硬，傾角越大，截齒的數(shù)量越少，磨損速度越快，但在同等軸向加壓力的情況下，入巖深度深；截齒的數(shù)量越多，磨損速度越慢，但在同等軸向加壓力的情況下，入巖深度淺。鉆頭的結(jié)構(gòu)形式多采用錐形體，根據(jù)自由面巖石破碎理論可知，隨著離自由面槽的距離增加，鉆頭侵入巖石所需的軸壓也逐漸增大如圖6所示。錐形入巖鉆頭的相鄰截齒同時(shí)侵入巖石時(shí)，則會(huì)互相為對(duì)方創(chuàng)造自由面，根據(jù)多年的施工實(shí)踐，錐形入巖鉆頭相鄰截齒的間距應(yīng)小于12 cm。

　　4 影響入巖鉆進(jìn)的速度因素

　　4.1 巖石性質(zhì)

　　巖石的抗壓強(qiáng)度的大小直接決定著鉆頭截齒入巖的難易程度。這就要求施工設(shè)備要有軸向加壓裝置。最大加壓負(fù)載滿足入巖的基本條件。

　　4.2 巖石破碎效果

　　一般評(píng)價(jià)巖石的破碎效果，常以破碎單位體積巖石所消耗的功來加以衡量。W=。式中：W-單位體積的破碎功；P-鉆機(jī)的功率；V-巖石的鉆進(jìn)速度；D-鉆孔直徑；π-圓周率。單位體積的破碎功越小，則破碎巖石的效果越好。鉆機(jī)功率、鉆孔直徑和鉆進(jìn)速度決定巖石的破碎功的大小，提高鉆機(jī)功率有利于降低巖石的破碎功，從而達(dá)到提高鉆進(jìn)速度。

　　結(jié)束語

　　通過吉林柳河地區(qū)的現(xiàn)場施工實(shí)踐，基于巖石破碎理論和巖石性質(zhì)，選擇合適的入巖鉆頭，采用帶加壓裝置的長螺旋設(shè)備，滿足了入巖樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要求，大大降低了施工成本，提高了施工效率，得到用戶的高度評(píng)價(jià)。