超長空心鋼管嵌巖斜樁混凝土取芯技術

曹勝敏，寇 磊，李繼廣

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

超長空心鋼管嵌巖斜樁混凝土取芯技術

曹勝敏，寇 磊，李繼廣

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

本文涉及一種超長空心鋼管嵌巖斜樁混凝土取芯導向定位裝置，通過對取芯檢測設備進行導向定位以保證鉆進垂直度的裝置。

超長空心鋼管嵌巖斜樁；取芯；導向定位裝置

引 言

大直徑灌注型嵌巖斜樁在碼頭工程中應用越來越多，其不僅可以承載上部豎向荷載，而且作為樁基礎可以承受船舶和風浪的側(cè)向荷載，因此把樁基礎做成斜樁來承受水平力對整個碼頭的穩(wěn)固性來說非常有利。但是斜樁施工困難，施工中不可避免的出現(xiàn)許多問題，成樁質(zhì)量的可靠性較低。為保證工程質(zhì)量，及時發(fā)現(xiàn)并解決問題，做到防患于未然，提高效益，必須在施工過程中對樁基進行質(zhì)量跟蹤檢測，鉆芯法是一種微破損或局部破損檢測方法，具有直觀、實用等特點，它不僅可檢測混凝土質(zhì)量及強度，而且可檢測沉渣厚度、混凝土與持力層的接觸情況，以及持力層的巖土性狀、是否存在夾層等，這一點也是目前其它檢測方法無法比擬的。鉆芯法借鑒了地質(zhì)勘探技術，在混凝土中鉆取芯樣，通過芯樣表觀質(zhì)量和芯樣試件抗壓強度試驗結(jié)果，綜合評價混凝土的質(zhì)量是否滿足設計要求。

1 超長鋼管樁灌注型嵌巖斜樁概述

某30萬t原油碼頭工程樁基采用的是超長鋼管樁灌注型嵌巖斜樁式結(jié)構(gòu)，樁基斷面如圖1所示。樁的斜度為5：1和6：1兩種，樁內(nèi)填充分三段：上部為樁頭混凝土、中部填砂，下部為嵌巖混凝土，取芯部位為下部混凝土。因樁徑大，按規(guī)范每根樁需鉆3個孔，且鉆孔應鉆至樁底以下0.5 m中風化基巖層內(nèi)。取芯時間為在下部混凝土澆筑完成，達到取芯條件后，填砂之前取芯。根據(jù)設計的基礎結(jié)構(gòu)在取芯時鋼管樁下部混凝土芯柱頂面至鋼管樁頂面都為懸空狀態(tài)（懸空段預計長度范圍：22.83～50.64 m），且為傾斜式，稱為超長空心鋼管嵌巖斜樁，對其進行取芯檢測時鉆桿如果直接下去，因自重作用會偏向下方，導致鉆桿發(fā)生很大彎曲，偏位，無法鉆取下部混凝土芯樣。另外按照規(guī)范要求，當受檢樁樁徑較大時，一個樁上要進行多孔檢測，若樁身過長，垂直度控制不好，鉆芯孔不但有可能出樁，還有可能鉆到已鉆完的孔內(nèi)，發(fā)生串孔，導致鉆芯失敗。

目前，國內(nèi)鋼管嵌巖直樁有鉆芯的工程實例，但斜樁鉆芯還沒有先例，對超長空心鋼管嵌巖斜樁內(nèi)的混凝土取芯檢測更是沒有可參考的資料，是一個實屬亟待研發(fā)的課題。

圖1 超長空心鋼管嵌巖斜樁示意

2 導向定位裝置的設計及實施方式

從圖1的樁身斷面中可以看出，取芯需要解決的主要問題：一是懸空段的導向，即能使鉆具到達下部嵌巖混凝土段頂面指定位置（規(guī)范要求開孔位置宜在距樁中心 0.15D～0.25D內(nèi)均勻?qū)ΨQ布置）；二是鉆進過程中定向及糾偏問題，即鉆具在傾斜狀態(tài)下工作時不能偏離鉆孔軸心。為解決上述問題，專門設計了一種超長空心鋼管嵌巖斜樁混凝土取芯導向定位裝置，對取芯檢測設備進行導向定位以保證鉆進垂直度，確保取芯檢測的質(zhì)量。所述導向定位裝置包括有導管、連接板、支撐器、法蘭連接螺栓孔。見圖2。

圖2 導向定位裝置平面示意

取芯導向定位裝置結(jié)構(gòu)中的連接板分兩種形式，一種是不帶支撐，僅起連結(jié)作用。另一種需要和支撐器連接，支撐在鋼管樁內(nèi)壁，這樣不僅起連結(jié)作用外，還起導向定位作用，將契形銷子插入 2個法蘭的螺絲孔內(nèi)，使兩節(jié)導向管能夠順利的連接，并使兩個沒有對正的孔對正。

所述連接板與支撐器固定的位置是通過連接板上的雙排調(diào)節(jié)螺栓孔進行固定的，用3個可調(diào)節(jié)位置的支撐器穩(wěn)固的支撐在鋼管樁內(nèi)壁上。

所述法蘭連接螺栓孔設置在連接板上3個孔的中心連線上，每條連線上至少設有2個法蘭連接螺栓孔，則3條連線上6個法蘭連接螺栓孔采用過渡配合連接。所述過渡配合是螺栓與螺栓孔的間隙不希望有大的過盈，整個配合比較緊密，能夠準確地定位，同時便于拆裝。

超長空心鋼管嵌巖斜樁混凝土取芯導向定位裝置，該套裝置由導管、連接板、支撐器、螺栓等部分組成。同等長度同等直徑的3根導管、連接板、支撐器成為一個整體，形成一節(jié)導向定位裝置。

所述連接板分兩種形式，一種起連結(jié)作用，另一種除起連結(jié)作用外，還起導向定位作用?，F(xiàn)場操作時根據(jù)鋼管樁內(nèi)上部空心段的長度不同，將多節(jié)導向定位裝置由螺栓連結(jié)固定在一起，使導向定位裝置穩(wěn)定的支撐在鋼管樁內(nèi)壁，并保證裝置的同心度。連接板上的兩排螺孔，可以調(diào)節(jié)支撐器與連接板中心的距離，從而可以對不同直徑的鋼管斜樁進行導向定位。為了在傾斜的情況下，兩節(jié)導向定位裝置能夠順利的連接，采用了契形銷子，契形銷子有梢頭可以插入兩個連接板的螺絲孔內(nèi)，這樣就可以將兩個沒有對正的孔對正。

本次設計的取芯檢測導向定位裝置制作過程中注意如下要點：

1）導向定位裝置材料的選取

根據(jù)樁型及現(xiàn)場條件設計了導向定位裝置來對取芯設備進行導向定位，由于導向定位裝置最長達 50多米，一般剛度不夠，會發(fā)生彎曲變形。導管管壁的厚度較大重量過重，給現(xiàn)場起拔吊裝帶來困難。經(jīng)研究導向定位裝置的導管采用薄壁管材。連接板采用薄鋼板。

2）導向定位裝置結(jié)構(gòu)的設計

結(jié)構(gòu)盡可能的簡單，穩(wěn)定性好，采用3 m一節(jié)，每節(jié)兩頭都有連接板，6 m啟用一個具有導向定位的連接板，其端部帶有支撐器。

3）導向定位裝置的加工

加工精度是保證導向定位裝置的安裝精度，所以需要選擇有實力的加工廠進行加工。

3 現(xiàn)場取芯具體操作

首先根據(jù)鋼管斜樁直徑的大小，通過連接板上端部的兩排螺孔，調(diào)節(jié)支撐器與連接板中心的距離，進行接結(jié)，要使支撐器剛好可以支撐在鋼管樁內(nèi)壁上。然后順著鋼管樁內(nèi)壁下放一節(jié)導向定位裝置，然后通過連接板中部的法蘭螺栓連結(jié)另一節(jié)導向定位裝置，連結(jié)好后繼續(xù)下放，做好下放記錄并計算校核導向定位裝置長度，當導向定位裝置底端到達下部混凝土芯柱頂面時，停止下放。在導向定位裝置到達位置后，取芯檢測設備通過該導向定位裝置到達斜樁底部混凝土表面，進行取芯檢測，在鉆進時導向定位裝置對鉆具有扶正作用，保證鉆頭沿軸線鉆進，從而確保了取芯檢測的精度和質(zhì)量要求，又避免了各取芯孔之間互相串孔。

導向定位裝置不僅導向直樁，還需要導向斜樁，而在斜樁中取芯作業(yè)時鉆桿在導向套管內(nèi)高速回轉(zhuǎn)時，由于鉆孔傾斜，鉆桿較長，鉆桿在重力作用下產(chǎn)生離心力，會導致鉆桿發(fā)生彈跳現(xiàn)象。鉆探人員改進了鉆探工藝，采用底部加鉆鋌加壓方式，及在鉆桿的上部、中部、下部各加一個尼龍質(zhì)的扶正裝置，保證了高速旋轉(zhuǎn)的鉆桿勻速不彈跳。

4 取芯效果

30萬t原油碼頭工程樁基檢測共完成鋼管嵌巖斜樁取芯 27根，每根樁 3個鉆孔，鉆孔取芯共1 320.02延米。鋼管嵌巖斜樁取芯檢測成功率為100 %。經(jīng)過成孔檢驗，每個取芯孔偏離鉆孔軸心不超過8cm。滿足了規(guī)范要求的鉆芯孔垂直度偏差不大于0.5 %的技術要求。混凝土芯樣連續(xù)、完整、表面光滑、呈長柱狀、斷口吻合。本項目采用的取芯定位導向裝置和技術解決了大直徑鋼管斜樁內(nèi)上部超長空心段，下部灌注型嵌巖混凝土樁身質(zhì)量的全面檢測，填補了國內(nèi)技術缺陷，使大直徑鋼管嵌巖斜樁的質(zhì)量得到有效保證，其推廣使用有重大的現(xiàn)實意義，經(jīng)濟、社會效益顯著。

5 結(jié) 語

1）本文介紹的取芯是一種全新的導向定位鉆進技術，其設備中的連接板底部平面和鉆進工作面不需要平行，導向管和鉆進工作面也不一定垂直，通過連接板上的支撐器的作用，就可以使得三個導管中心線能平行于樁體中心線，且不需要人工或機械方式固定就能鉆進。這種導向定位裝置設計打破常規(guī)理念，節(jié)省了人力，可以在各種凹凸不平的工作面上鉆進，適應各種傾斜角度的鉆進，便于拆卸、組裝，可重復利用，節(jié)省造價，現(xiàn)場操作靈活、方便，成功的解決了斜樁懸空時鉆具因自重作用會偏向下方，導致鉆桿發(fā)生很大彎曲，偏位，無法鉆取下部混凝土芯樣的難題。

2）導向定位裝置在連接板上設置的支撐器，可適用于不同樁徑的取芯檢測，根據(jù)現(xiàn)場樁徑的不同，連接板支撐端邊緣到樁心的距離是不一樣的，就需要調(diào)節(jié)，通過連接板上的雙排調(diào)節(jié)螺栓孔進行調(diào)節(jié)。使支撐器向外延伸（或者向內(nèi)收縮）剛好能支撐在鋼管樁內(nèi)徑上，解決了在樁徑不同時也能進行導向定位。

3）取芯裝置除了定位功能，還有導向功能，工作時導管對鉆桿具有扶正作用，保證鉆桿在鉆進過程中不發(fā)生彎曲變形，從而保證鉆孔的垂直度。本設備不僅可以在直樁取芯中應用，還可以在斜樁取芯中應用。懸空斜樁取芯定位導向裝置的設計形式和技術獲得國家發(fā)明專利證書和實用新型專利。

[1]JGJ 106-2003建筑基樁檢測技術規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2003.

[2]陳凡.基樁質(zhì)量檢測技術[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2003.

[3]徐斯林,韓勁松,趙利平.海上淺覆蓋層灌注型嵌巖樁鉆孔平臺搭設[J].港工技術,2010.

Concrete Core Drilling Technology for Ultra-long Inclined Hollow Steel-tube-pile Embedded in Rock

Cao Shengmin,Kou Lei,Li Jiguang
(CCCC First Harbor Consultants Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China)

An introduction is given to a guide positioning device which leads the core-drilling detection equipment to ensure appropriate verticality of the drill rod while concrete core is taken from an ultra-long inclined hollow steel-tube-pile embedded in rock.

ultra-long inclined hollow steel-tube-pile embedded in rock; core drilling; guide positioning device

U655.55+2

：A

：1004-9592（2016）06-0096-03

10.16403/j.cnki.ggjs20160624

2016-05-26

專利項目：發(fā)明專利號（ZL201310360261.X)、實用新型專利號（ZL201320502300.0）

曹勝敏（1969-），男，工學博士，主要從事土木工程勘察、檢測監(jiān)測、物探的技術管理等工作。