長螺旋鉆頭及施工方法探析

      現(xiàn)在的建筑樁基礎中，長樁（樁深大于30米）多適用于旋挖鉆機、沖擊正反循環(huán)鉆機、回轉(zhuǎn)正反循環(huán)鉆機等設備來施工。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、沖擊正反循環(huán)鉆機、回轉(zhuǎn)正反循環(huán)鉆機等設備來完成。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、夯擴樁機，螺桿樁機等設備來實現(xiàn)。旋挖鉆機、沖擊正反循環(huán)鉆機、回轉(zhuǎn)正反循環(huán)鉆機施工過程中需要泥漿作護壁，灌注時需水下澆灌，污染環(huán)境，樁成本造價高。但能入巖，能夠滿足設計樁長?，F(xiàn)有的長螺旋在軟巖施工中具有很強的優(yōu)勢，但在硬巖施工中很難達到樁設計要求。為了降低短樁小徑入巖樁施工成本，有必要對長螺旋入巖鉆頭及施工方法進行研究。
　　1 巖石破碎理論
　　利用彈性力學的研究結(jié)果來分析巖石內(nèi)部的應力狀態(tài)
　　1.1 靜載作用下的巖石應用狀
　　以平底圓柱形壓頭壓入巖石為例，可知巖石的應力狀態(tài)如圖1。
　　由圖可知：在壓頭的邊緣集中區(qū)，極值應力使巖石首先在此區(qū)域出現(xiàn)變形甚至破壞，在應力集中區(qū)產(chǎn)生拉應力。
　　以球形壓頭壓入巖石為例，可知巖石應力狀態(tài)如圖2。
　　由圖可知，在壓頭的中心凸出處為應力集中區(qū)，在接觸面的圓周邊界處，沿徑向產(chǎn)生拉應力區(qū)。
　　圖1 平底圓柱壓頭壓力面上的壓力分布
　　圖2 球形壓頭壓力面上的壓力分布
　　1.2 軸向力和切向力共同作用時壓頭下方巖石的應力狀態(tài)
　　以平底圓柱形壓頭壓入巖石為例來分析巖石的應力狀態(tài)如圖3所示，只有軸向力單獨作用于壓頭時，彈性半無限體內(nèi)等應力線分布是均勻的、對稱的。
　　圖3 軸向力作用時巖石內(nèi)的應力分布
　　如圖4所示，在軸向力和切向力共同作用時，等應力線分布是非均勻的。不對稱的（如圖4（a）所示），在接觸面上，切向力作用的前方將產(chǎn)生壓應力，其后方則產(chǎn)生拉應力，在半無限體內(nèi)，形成正應力區(qū)（Ⅰ）、拉應力區(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，可看作碎巖工具對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大；當巖石中出現(xiàn)拉應力時，巖石將在作用力比較小時，會在拉應力區(qū)開始破碎。
　?。╝）等應力線圖 （b）應力狀態(tài)特征
　　圖4 軸向力和切向力共同作用時巖石內(nèi)的應力分布
　　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。
　　圖5 不同軸壓下巖石破碎的3個區(qū)段
　　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。當軸壓增加到一定值時，可以對巖石產(chǎn)生一定程度的壓裂現(xiàn)象，當軸壓繼續(xù)增加到一定極限時，巖石才會出現(xiàn)較大范圍的裂隙，從而達到破碎。鉆頭在鉆進過程中，軸壓對破碎速度的影響是很關鍵的因素。圖中Ⅰ區(qū)為巖石表面研磨破碎區(qū)，此時軸壓值較小，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，此時軸壓力未達到巖石的極限強度或壓入硬度值，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)，此時軸壓等于或大于巖石的極限抗壓強度或壓入硬度值，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 長螺旋入巖鉆頭機理
　　圖6 軸壓與鉆頭距自由面距離曲線
　　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鍵點，而入巖后剪切破碎是比較容易的。因為在大多數(shù)情況下，巖石的抗剪強度極限幾乎是抗壓強度極限的10%左右，參照抗壓強度對地層進行分類表（表1）。
　　根據(jù)施工地勘報告和樁基礎設計要求，得知工程樁所入巖層的抗壓強度。根據(jù)施工設備的最大加壓負載來選擇入巖鉆頭的結(jié)構形式。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侵入巖石時，則會互相為對方創(chuàng)造自由面，根據(jù)多年的施工實踐，錐形入巖鉆頭相鄰截齒的間距應小于12 cm。
　　錐形入巖鉆頭如圖7所示。
　　圖7 錐形入巖鉆頭
　　4 影響入巖鉆進的速度因素
　　4.1 巖石性質(zhì)
　　巖石的抗壓強度的大小直接決定著鉆頭截齒入巖的難易程度。這就要求施工設備要有軸向加壓裝置。最大加壓負載滿足入巖的基本條件。
　　4.2 巖石破碎效果
　　一般評價巖石的破碎效果，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-鉆機的功率；V-巖石的鉆進速度；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。鉆機功率、鉆孔直徑和鉆進速度決定巖石的破碎功的大小，提高鉆機功率有利于降低巖石的破碎功，從而達到提高鉆進速度。
　　結(jié)束語
　　通過吉林柳河地區(qū)的現(xiàn)場施工實踐，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備，滿足了入巖樁基礎設計要求，大大降低了施工成本，提高了施工效率，得到用戶的高度評價。