長(zhǎng)螺旋鉆頭及施工方法探析

摘 要 長(zhǎng)螺旋基礎(chǔ)樁在建筑基礎(chǔ)領(lǐng)域中占有很大的優(yōu)勢(shì)，成樁質(zhì)量好，成本低、效率高等。隨著國(guó)內(nèi)三、四線山區(qū)城市的建筑開(kāi)發(fā)，長(zhǎng)螺旋入巖施工已成了難點(diǎn)。長(zhǎng)螺旋設(shè)備無(wú)法入巖或入巖速度很慢，造成施工效率低，成本高，給施工的順利進(jìn)行帶來(lái)很大的障礙。文章闡述了長(zhǎng)螺旋入巖鉆頭和相應(yīng)的施工方法，以供參考。

關(guān)鍵詞 巖石破碎機(jī)理；入巖鉆頭；施工方法

中圖分類號(hào)：TU94 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）02-0117-02

現(xiàn)在的建筑樁基礎(chǔ)中，長(zhǎng)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(lái)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(lái)完成。短樁（樁深小于30米）小徑（直徑不大于1米）多用于長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)、夯擴(kuò)樁機(jī)，螺桿樁機(jī)等設(shè)備來(lái)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(guò)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(zhǎng)?，F(xiàn)有的長(zhǎng)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(zhǎng)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(lái)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)。

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(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(lái)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(wú)限體內(nèi)等應(yīng)力線分布是均勻的、對(duì)稱的。

圖3 軸向力作用時(shí)巖石內(nèi)的應(yīng)力分布

如圖4所示，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(wú)限體內(nèi)，形成正應(yīng)力區(qū)（Ⅰ）、拉應(yīng)力區(qū)（Ⅱ）和過(guò)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(lái)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(kāi)始破碎。

（a）等應(yīng)力線圖 （b）應(yīng)力狀態(tài)特征

圖4 軸向力和切向力共同作用時(shí)巖石內(nèi)的應(yīng)力分布

2 巖石的破碎過(guò)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(gè)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(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(guò)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(lái)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(zhǎng)螺旋入巖鉆頭機(jī)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(guò)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（表1）。

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(lái)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。

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(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(lái)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。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)吉林柳河地區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)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(zhǎng)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)。

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作者簡(jiǎn)介

薛淑華（1964-），女，遼寧沈陽(yáng)人，高級(jí)工程師，從事機(jī)械設(shè)計(jì)及制造工作。endprint