淺議摩擦式鉆桿在硬質(zhì)地層中的成孔改進(jìn)

趙娜 楊亞軍

摘 要：本文介紹了摩擦桿施工機(jī)理，基于高強(qiáng)度地層的力學(xué)特性，針對(duì)硬質(zhì)地層使用摩擦桿鉆進(jìn)時(shí)遇到的打滑等問(wèn)題進(jìn)行深入分析，提出了鉆齒和操作等方面的支持理論，對(duì)于拓展摩擦桿使用范圍和提高鉆進(jìn)效率大有益處。

關(guān)鍵詞：摩擦桿；硬質(zhì)；旋挖鉆機(jī)

1 引言

近年來(lái)，為了滿足高速鐵路對(duì)基礎(chǔ)沉降的限定，有關(guān)部門對(duì)高鐵樁基承載力的要求越來(lái)越高，從而出現(xiàn)了大樁徑，深孔樁。而機(jī)鎖式鉆桿受到鉆孔深度的限制，深孔樁（>60m）只能選擇摩擦式鉆桿施工。然而較機(jī)鎖式鉆桿而言，摩擦式鉆桿能夠提供的加壓力較小，對(duì)硬質(zhì)地層的鉆進(jìn)能力較弱，而且從已有實(shí)例來(lái)看，摩擦式鉆桿在硬質(zhì)地層的鉆進(jìn)過(guò)程中常常遇到打滑，不能進(jìn)尺的現(xiàn)象。實(shí)際上，對(duì)于硬質(zhì)地層中部分全-強(qiáng)風(fēng)化巖（包括花崗巖，泥-鈣質(zhì)砂巖，砂質(zhì)泥巖等）或是密實(shí)度較高的粘土層而言，如果選用恰當(dāng)?shù)你@具并配合適當(dāng)?shù)牟僮鞣椒?，采用摩擦式鉆桿是能夠高效鉆進(jìn)的。

2 摩擦式鉆桿施工機(jī)理分析

摩擦式鉆桿的進(jìn)尺加壓力由未被動(dòng)力頭托住的鉆桿重量，鉆斗的重量以及可變加壓力f三部分組成。由于鉆桿和鉆斗在制作時(shí)其質(zhì)量已經(jīng)確定，因此提高鉆機(jī)的進(jìn)尺加壓力，只能從可變加壓力f入手?？勺兗訅毫與地層提供的反扭矩有關(guān)，其形成過(guò)程如圖1所示。

圖1 鉆機(jī)加壓力關(guān)系示意圖

其值可以通過(guò)下式計(jì)算：f=f摩=kN=k（M/R），其中k為鉆桿鍵條間的摩擦系數(shù)；R為扭矩傳遞半徑（鉆桿半徑）；f摩為桿間的摩擦力。由于f摩小于加壓力F，因此在桿上施加大小為F的加壓力時(shí)，其能傳遞的有效加壓力大小與f摩相等。

從上面的分析可以看出，負(fù)載反扭矩M和加壓力F是可變加壓力f形成必要條件，兩者缺一不可。其中加壓力F通過(guò)人為操作可以實(shí)現(xiàn)，但負(fù)載反扭矩的形成則與鉆進(jìn)的地層有關(guān)：對(duì)于較松軟的泥沙層，由于其結(jié)構(gòu)較為破碎，極易鉆進(jìn)，所以不能形成多大的反扭矩；而對(duì)于硬質(zhì)地層，如果避免了鉆斗在地層上邊的打滑，則可以形成較大的反扭矩，進(jìn)而產(chǎn)生較大的可變加壓力。但在硬質(zhì)地層的實(shí)際鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆斗常常打滑，幾乎不能產(chǎn)生反扭矩。因此解決鉆斗的打滑，則是解決摩擦式鉆桿鉆進(jìn)硬質(zhì)地層的關(guān)鍵[1]。

3 鉆斗在硬質(zhì)地層打滑的原因分析

鉆斗在硬質(zhì)地層打滑的實(shí)質(zhì)就是鉆斗斗齒不能有效嵌入地層中，而造成此種現(xiàn)象的原因與地層的承載力和鉆斗有關(guān)。由于地基承載力為不可控因素，下面具體分析鉆斗對(duì)硬質(zhì)地層鉆進(jìn)的影響。

3.1 雙底撈砂鉆斗在硬質(zhì)地層中打滑的機(jī)理分析

（1）斗齒的布置個(gè)數(shù)要盡可能少，而且要盡可能切削到整個(gè)鉆進(jìn)面。摩擦式鉆桿在最初接觸地層時(shí)，由于不能建立可變加壓力f，這時(shí)的進(jìn)尺加壓力實(shí)際為一恒定值，作用在單個(gè)斗齒上的加壓力與斗齒的個(gè)數(shù)成反比。這樣，斗齒個(gè)數(shù)越少，作用在單個(gè)斗齒上的加壓力越大，鉆齒也更易嵌入地層中。但是斗齒個(gè)數(shù)過(guò)少會(huì)導(dǎo)致鉆具不能切削到整個(gè)鉆進(jìn)面，在切削過(guò)程中鉆進(jìn)面必然會(huì)被切削成多個(gè)環(huán)形體，這時(shí)鉆斗將被這些不能切削到的地方托住，而斗齒則在切削過(guò)的凹槽中空鉆，導(dǎo)致不能鉆進(jìn)。

（2）斗齒角度應(yīng)設(shè)置在50°～53°之間。較大的斗齒角度能夠提高加壓力，但過(guò)大的角度必然會(huì)導(dǎo)致“掰齒”現(xiàn)象的產(chǎn)生。

（3）適當(dāng)減小定位錐刀的高度，其高度最好略低于斗齒高度。定位錐刀起到導(dǎo)向的作用，避免斜孔的產(chǎn)生，正常其高度高出斗齒約50mm。但在硬質(zhì)地層中，定位錐刀與鉆進(jìn)面接觸后，由于鉆桿與鉆斗重力不能克服地層的阻力，鉆斗會(huì)被定位錐刀托起，導(dǎo)致斗齒始終不能與鉆進(jìn)面接觸，不能鉆進(jìn)。

（4）對(duì)于大樁徑硬質(zhì)地層的鉆進(jìn)，為保證單個(gè)斗齒壓力，應(yīng)加長(zhǎng)合理位置處的齒長(zhǎng)，讓其獲取更大的加壓力，從而更易嵌入地層。大樁徑鉆進(jìn)時(shí)，由于斗齒個(gè)數(shù)較多，如果同時(shí)讓全部的斗齒接觸地層，可能會(huì)出現(xiàn)單齒壓力較小，不能達(dá)到嵌入地層的壓力值。因此可考慮加長(zhǎng)某些斗齒，使其長(zhǎng)度超過(guò)定位錐刀10～20mm，讓其先嵌入地層。邊齒是受剪力最大的齒，對(duì)于大樁徑樁孔，如果讓其先吃土?xí)小瓣X”的可能，所以考慮加長(zhǎng)受剪力較小處的斗齒。

3.2 錐螺旋鉆斗在硬質(zhì)地層中打滑的機(jī)理分析

錐螺旋鉆斗主要用于輔助中風(fēng)化及以上巖層的鉆進(jìn)，需配合雙底撈砂斗或筒鉆使用。其特殊的錐形構(gòu)造使鉆斗頭部的截齒能夠獲取較大的初始加壓力，從而能夠較快的鉆入巖層；而且隨著鉆頭的鉆進(jìn)，鉆頭的其它截齒也開始鉆進(jìn)地層，由于有前期截齒制造的自由面，其鉆進(jìn)也相對(duì)較易。

但由于此類“硬質(zhì)”地層粘性大，彈性大，且被壓實(shí)后硬度增大，采用錐螺旋鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，其特殊的錐形構(gòu)造，反而使鉆頭頭部極易被糊住，而造成鉆齒失效，整個(gè)螺旋鉆頭被托住的現(xiàn)象。不能持續(xù)鉆進(jìn)后，水或泥漿便進(jìn)入鉆斗與鉆進(jìn)面之間而潤(rùn)滑，便形成打滑。應(yīng)當(dāng)來(lái)說(shuō)，錐螺旋鉆頭并不適合此類“硬質(zhì)”地層的鉆進(jìn)。但是由于其鉆進(jìn)的初始阻力較小，如果能在鉆進(jìn)面上制造若干自由面，就可以有效減少糊鉆，實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)[2]。

4 摩擦式鉆桿在“硬質(zhì)”地層施工驗(yàn)證

4.1 砂質(zhì)泥巖巖層的鉆進(jìn)

此處樁徑1.5m，樁深約80m，采用SR280R旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)。由于鉆深較大，采用6×15摩擦式鉆桿配合Φ1.5m的土層雙底撈砂鉆斗施工?，F(xiàn)場(chǎng)40m處遇強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，其平均單軸抗壓強(qiáng)度在10MPa左右，鉆進(jìn)出現(xiàn)打滑進(jìn)尺慢現(xiàn)象。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察，發(fā)現(xiàn)鉆斗的定位錐刀過(guò)長(zhǎng)，而且斗齒磨損嚴(yán)重，建議按照3.1所述的鉆斗布齒原則進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后，鉆機(jī)順利鉆進(jìn)，鉆進(jìn)時(shí)間由最長(zhǎng)的6天縮短為13小時(shí)，為創(chuàng)造了極大的經(jīng)濟(jì)效益。

4.2 強(qiáng)風(fēng)化花崗巖巖層的鉆進(jìn)

此處樁徑1.5m，樁深約71m，采用SR250R旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)。由于樁深較大，采用5×15摩擦式鉆桿配合Φ1.5m的土層雙底撈砂鉆斗施工。鉆進(jìn)約50m即遇強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，但直至70m后，才出現(xiàn)打滑不進(jìn)尺現(xiàn)象。實(shí)際上，打滑除了與70m后的地層承載力可能變高有關(guān)以外，還與鉆桿的長(zhǎng)度有關(guān)。5×15摩擦式鉆桿的有效鉆進(jìn)長(zhǎng)度約為71.4m（包含鉆斗高度約2.3m），鉆進(jìn)約69m時(shí)，整個(gè)鉆桿均被動(dòng)力頭托住，這樣鉆進(jìn)初期的加壓力實(shí)際僅為鉆斗的重量。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察，雖然鉆斗上布置的全為新齒，但鉆斗的定位錐刀過(guò)長(zhǎng)，對(duì)鉆進(jìn)起到了阻礙作用，建議將定位錐刀割短至與斗齒高度平齊。改進(jìn)后，順利成孔。

在移至下一樁位時(shí)，采用改進(jìn)后的鉆斗依然不能進(jìn)尺，建議采用6×15摩擦式鉆桿配合Φ1.5m的土層雙底撈砂鉆斗施工，施工順利進(jìn)行

5結(jié)束語(yǔ)

摩擦式鉆桿越來(lái)越多的用于深孔樁的鉆進(jìn)，而且對(duì)于大多數(shù)深孔樁而言，一般不會(huì)入至基巖，屬摩擦樁類。這樣，鉆進(jìn)中遇到的硬質(zhì)地層大多屬于本文涉及的全-強(qiáng)風(fēng)化巖（包括花崗巖，泥-鈣質(zhì)砂巖，砂質(zhì)泥巖等）或是密實(shí)度較高的粘土層等。采用摩擦式鉆桿在此類硬質(zhì)地層的鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)遵循兩個(gè)思路，其一是增加單齒加壓力，其二是在鉆進(jìn)面處制造自由面。當(dāng)然，由于摩擦式鉆桿自身的設(shè)計(jì)因素，其不能用于鉆進(jìn)中風(fēng)化及以上的土層。

參考文獻(xiàn)

[1]黎中銀，王宏偉，解大鵬. 旋挖鉆機(jī)入巖機(jī)理和鉆巖效率的分析 [J].建筑機(jī)械， 2008， 1

[2]朱迪斯，黃玉文，史新慧. 旋挖鉆機(jī)巖石鉆進(jìn)試驗(yàn)[J].探礦工程（巖土鉆掘工程）， 2008.