牙輪鉆頭動靜耦合碎巖機(jī)理及旋挖成樁應(yīng)用

阮 強(qiáng)，宋武超，水俊峰

(北京市三一重機(jī)有限公司，北京102202)

受益于國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高速發(fā)展，旋挖鉆機(jī)以其環(huán)保、高效、技術(shù)先進(jìn)等特點(diǎn)已成為國內(nèi)主流的樁基礎(chǔ)成孔設(shè)備［1］，并在工民建、高架鐵路、公路及海上施工等樁基礎(chǔ)工程領(lǐng)域得到普及和應(yīng)用。

目前，樁基礎(chǔ)硬巖鉆進(jìn)中普遍采用的幾種工法有:沖錘式?jīng)_擊鉆進(jìn)、潛孔錘沖擊鉆進(jìn)及牙輪旋挖鉆進(jìn)。其中，以牙輪鉆頭應(yīng)用最為廣泛。本文以花崗巖強(qiáng)度分析及牙輪鉆頭動靜耦合破巖機(jī)理為背景，介紹牙輪鉆頭在廣西梧州皇朝福邸住宅區(qū)旋挖嵌巖樁基礎(chǔ)中應(yīng)用的成功案例。

1 花崗巖的強(qiáng)度

通常，巖石高溫高壓下的力學(xué)性質(zhì)、動態(tài)強(qiáng)度會隨溫度、加載速率及裂紋發(fā)育狀況不同而發(fā)生變化。實際工程中，巖石材料抗拉、抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)低于其抗壓強(qiáng)度，因此，巖石材料的拉伸力學(xué)特性很大程度上決定了原巖結(jié)構(gòu)破壞區(qū)域大小及破壞程度。

目前，巖石材料在高溫及動態(tài)拉伸荷載作用下的力學(xué)特性已受到學(xué)者的廣泛關(guān)注并取得一定的研究成果。例如，郤保平等［2］對600℃內(nèi)高溫狀態(tài)花崗巖遇水冷卻后的力學(xué)特性試驗進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)花崗巖抗拉強(qiáng)度與溫度的變化規(guī)律呈負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系，表現(xiàn)為明顯的下降趨勢，如圖1所示。

趙堅等［3］認(rèn)為在較低圍壓條件下，巖石動態(tài)強(qiáng)度大致符合Mohr－Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，而Hoek－Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則在較高圍壓下(＞100 MPa)更適于計算巖石動態(tài)強(qiáng)度，且?guī)r石動態(tài)拉伸和剪切強(qiáng)度隨著加載速率的增加而提高，見圖2。

圖1 600℃內(nèi)不同溫度狀態(tài)花崗巖遇水冷卻后抗拉強(qiáng)度－溫度曲線

圖2 花崗巖抗拉、抗剪強(qiáng)度隨加載速率的變化

王瑤等［4］通過試驗發(fā)現(xiàn)，50%以上預(yù)靜載才會降低花崗巖動載強(qiáng)度;而在往復(fù)加載的低周疲勞引起的損傷累計下，巖石動強(qiáng)度低于單調(diào)加載。范鵬賢等［5］對深部非均勻巖體卸載拉裂的主要影響因素進(jìn)行系統(tǒng)研究表明，加卸載速率(偏應(yīng)變率)對缺陷處附加拉應(yīng)力具有顯著影響，偏應(yīng)變率越高，缺陷處的附加拉應(yīng)力越大。任利、謝和平［6］等通過研究表明，裂隙巖石的開裂角及抗拉強(qiáng)度隨裂紋傾角的增大而增大，隨宏觀裂隙長度的增加而遞減，且裂隙巖石的強(qiáng)度很大程度上受試件尺度影響。

2 牙輪鉆頭動靜耦合碎巖機(jī)理

2.1 牙輪鉆頭碎巖過程

牙輪鉆頭工作時，鉆頭承受上部鉆桿自重、液壓油缸或加壓卷揚(yáng)提供的加壓力等靜載荷經(jīng)牙齒作用于巖石上。除靜載荷以外，還有由牙輪自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)造成的牙輪單、雙齒與孔底交替接觸產(chǎn)生的沖擊載荷(圖3)。單齒接觸孔底時，牙輪中心處于最高位置，而雙齒接觸時牙輪中心下降。由此造成滾動過程中，牙輪中心位置不斷上下交替，鉆頭沿軸向做上下往返運(yùn)動，即鉆頭的縱向振動。實際鉆進(jìn)過程中，在此基礎(chǔ)上還疊加了由于孔底巖面凹凸不平產(chǎn)生的振幅較大的低頻振動。

上述滾動過程中產(chǎn)生的鉆頭在孔底的縱向振動，使鉆桿柱不斷壓縮與伸張，這種周期性變化的彈性能通過牙齒轉(zhuǎn)化為對地層的沖擊作用，與靜載荷壓入一起形成了鉆頭對地層的沖擊、壓碎作用，這種破巖方式是牙輪鉆頭的主要形式［7］。

圖3 鉆齒交替接觸巖層引起的牙輪縱向振動

2.2 動靜載荷耦合碎巖機(jī)理研究

2.2.1 動靜耦合碎巖特性曲線分析

趙伏軍［8］將典型的硬脆性巖石在動靜載荷耦合作用下的載荷－侵深曲線簡化成圖4所示(實線表示預(yù)靜壓作用的載荷－侵深關(guān)系，虛線表示沖擊作用下的載荷－侵深關(guān)系)。分析破碎特性曲線可知，在靜壓基礎(chǔ)上疊加動載荷可增加巖石的破碎深度和體積，且動、靜載荷耦合作用的加載點(diǎn)(即動載的施加點(diǎn))應(yīng)是在靜載處于卸載，即載荷－侵深曲線處于負(fù)斜率段，最佳加載點(diǎn)為圖中的(P2，h2)、(P4，h4)、(P6，h6)。

圖4 動靜耦合作用載荷－侵深曲線

2.2.2 動靜耦合碎巖斷裂損傷分析

根據(jù)加載能量大小可將動靜耦合作用下巖石損傷特點(diǎn)分如下情況進(jìn)行討論:(1)沖擊載荷僅對巖石產(chǎn)生損傷，靜壓產(chǎn)生體積破碎;(2)靜壓只對巖石產(chǎn)生損傷，沖擊載荷對巖石發(fā)生實質(zhì)性破碎;(3)靜壓、沖擊載荷均能對巖石產(chǎn)生體積破碎。3種狀況下產(chǎn)生的破裂深度、破碎體積如下所示:

式中:C——徑向裂紋長度;V——破碎體積;ζ——與巖石材料、鉆頭形狀無關(guān)的量綱為1的常數(shù);A——與幾何形狀有關(guān)的量綱為1的常數(shù)，一般取3/4;ψ——壓頭半頂角;E、H——被侵入材料的彈性模量和硬度;D1、D3——巖石動載、靜載損傷參量;kd、Kc——動載、靜載下的巖石強(qiáng)度因子;Ps、Pd——巖石靜、動載荷;xs、xd——巖石靜、動載裂紋;M——壓頭質(zhì)量;?！矒翳徣胫笖?shù);V1——壓頭沖擊末速度。

由上述公式可知:(1)一定范圍內(nèi)增大靜載荷、沖擊力可以快速增加破碎坑體積，進(jìn)而提高破巖效率;(2)沖擊破巖之前，預(yù)加靜壓對巖石進(jìn)行預(yù)應(yīng)力損傷，對于降低巖石的斷裂韌性及硬度有很大作用，反之，也可同樣提高破巖效果;(3)沖擊造成的加載—卸載—加載的破碎循環(huán)，有利于與破巖關(guān)系密切的側(cè)向裂紋和徑向裂紋的發(fā)育［8］。

宮鳳強(qiáng)［9］等通過對巖石的三維動靜組合加載試驗研究，表明沖擊過程中軸壓對砂巖內(nèi)部裂紋起催生作用，弱化微元體承載能力，而圍壓則可以抑制裂紋的萌生和擴(kuò)展，強(qiáng)化微元體承載能力。

上述研究成果對于樁基礎(chǔ)工程中牙輪鉆頭的應(yīng)用及工法技術(shù)創(chuàng)新提供了理論依據(jù)，通過配置合理的機(jī)械設(shè)備及科學(xué)的操作方式，使得牙輪鉆頭高效破巖成為可能。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

皇朝福邸住宅小區(qū)位于廣西梧州市西堤三路北側(cè)，總建筑面積約14191 m，地下2層地下室及配套公共建筑，地上20～25層住宅樓，框架剪力墻結(jié)構(gòu)。設(shè)計樁基礎(chǔ)共300余根，樁長在10～15 m之間，樁徑1.0、1.2 m。

3.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)本項目地質(zhì)勘查報告結(jié)論，基樁成孔深度范圍內(nèi)，表層分布10 m厚覆蓋層，主要由粘性土、粉土及全、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖組成;下伏⑤3中風(fēng)化花崗巖，巖體破碎，風(fēng)化裂隙發(fā)育，屬破碎～較破碎軟巖，巖體基本質(zhì)量等級Ⅳ級，厚度0.5～1 m;底層⑤4微風(fēng)化花崗巖，巖石致密堅硬，巖體較完整，偶有少量裂隙，且多呈閉合狀，巖體基本質(zhì)量等級Ⅱ級，設(shè)計樁端嵌入該層1 m(飽和單軸抗壓強(qiáng)度值:70 MPa≤frk≤160 MPa)。

在勘探孔深度范圍內(nèi)，場地地下水類型主要為潛水，水位埋深0.3～2.6 m。

3.3 成孔設(shè)備確定

根據(jù)已有經(jīng)驗，結(jié)合地質(zhì)條件和工程實際，選擇SR280R型入巖型旋挖鉆機(jī)進(jìn)行樁基成孔施工，鉆桿采用設(shè)有加壓臺的4×15 m機(jī)鎖鉆桿。

由于地層巖性差異較大，采用單一鉆具難以實現(xiàn)成功破巖，須采用不同的鉆具組合，現(xiàn)場實際配置的鉆具:1.0、1.2 m 嵌巖撈砂斗;1.0、1.2 m 截齒筒鉆(圖5);1.0、1.2 m 螺旋鉆頭;1.0、1.2 m 用于高強(qiáng)度巖石破碎作業(yè)的牙輪筒鉆(圖6)。

3.4 工藝流程

場地布置→樁位放樣→鉆機(jī)就位→護(hù)筒埋設(shè)→鉆進(jìn)成孔并注漿→渣土外運(yùn)→清孔→移機(jī)→吊放鋼筋籠→吊放導(dǎo)管→澆注水下砼→拔護(hù)筒。

3.5 提高入巖效率分析

3.5.1 鉆具結(jié)構(gòu)及布齒

雙底撈砂鉆斗鉆底應(yīng)設(shè)計導(dǎo)板，且進(jìn)口應(yīng)盡量加大，使巖渣順利進(jìn)入筒體，減少巖塊的二次破碎;鉆齒應(yīng)采用截齒(俗稱子彈頭)，其入巖角度可根據(jù)現(xiàn)場實際情況進(jìn)行二次改進(jìn)，范圍設(shè)置為45°～50°，以提高鉆進(jìn)效率，降低鉆機(jī)振動。

筒鉆(圖5、圖6)布齒應(yīng)考慮到齒間相互為對方創(chuàng)造自由面，使不同裂紋之間、裂紋與自由面之間交叉貫通，從而使刀具作用于周邊巖脊受限面減少，提高巖脊塊體破碎機(jī)會。

3.5.2 施扭及加壓

圖5 截齒筒鉆

圖6 牙輪筒鉆

中風(fēng)化、微風(fēng)化巖層由于巖石硬度不均、巖面漏斗坑存在，結(jié)合牙輪齒分散布置、鉆頭自轉(zhuǎn)及鉆桿豎向振動沖擊能，使得液壓驅(qū)動扭矩的鉆頭轉(zhuǎn)速隨負(fù)載變化，形成對巖層的有效沖擊。因此宜采用預(yù)靜壓損傷、高壓沖擊的耦合加載方式，即靜載提供基礎(chǔ)加壓力，動載提供峰值加壓力，低頻脈沖動載疊加于處于不加壓、卸荷階段的靜載之上，在動載變化中形成對巖石的沖擊作用［10］，表現(xiàn)為大加壓、轉(zhuǎn)速控制在低擋位的操作方式。在單次鉆深達(dá)0.5 m后，應(yīng)留意扭矩及轉(zhuǎn)速變化，當(dāng)轉(zhuǎn)速突然提高，同時伴有振動的情況下，即巖心被掰斷，之后慢速上提鉆桿，可順利取心。

3.5.3 鉆齒冷卻

鉆進(jìn)時與巖石摩擦接觸產(chǎn)生的高溫會加速鉆齒(具)的磨損，而文獻(xiàn)［2］通過實驗表明高溫花崗巖遇水冷卻后強(qiáng)度會明顯降低，因此，鉆進(jìn)過程中，應(yīng)使用泥漿沖洗液對鉆具(齒)進(jìn)行冷卻降溫，在保證鉆具耐磨性的同時，降低花崗巖的抗拉強(qiáng)度，進(jìn)而提高了硬巖鉆進(jìn)效率。

3.6 施工功效

通過上述鉆具結(jié)構(gòu)合理設(shè)置及正確操作方式，對比臨場其他品牌設(shè)備鉆齒磨損嚴(yán)重，無法有效入巖鉆進(jìn)狀況，SR280R型鉆機(jī)配置牙輪鉆頭后，成樁效率高、質(zhì)量有保證且明顯縮短施工周期，為客戶創(chuàng)造巨大價值。采用牙輪鉆頭進(jìn)行入巖作業(yè)的鉆進(jìn)及成樁效率如表1所示。

表1 SR280R型鉆機(jī)施工效率表

4 結(jié)論與建議

(1)基于高溫、動態(tài)載荷下的花崗巖力學(xué)特性及牙輪動靜耦合碎巖理論，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計、科學(xué)的入巖操作，實現(xiàn)了牙輪鉆頭在微風(fēng)化花崗巖地層的高效施工，為牙輪鉆頭的旋挖成樁應(yīng)用提供了可靠依據(jù)。

(2)動、靜加載下細(xì)觀及宏觀尺度隨機(jī)裂隙的發(fā)育對巖石損傷力學(xué)特性的影響、彈塑性巖石非線性損傷本構(gòu)模型的合理選取、鉆齒角度設(shè)置對各向異性且裂隙發(fā)育的不同巖石材料力學(xué)特性的數(shù)值模擬及試驗等工作有待進(jìn)一步研究。

［1］史文君.SR280R旋挖鉆機(jī)在某特大橋大直徑嵌巖群樁基礎(chǔ)成孔施工中的應(yīng)用［J］.施工技術(shù)，2012，41(363):64 －66.

［2］郤保平，趙陽升.600℃內(nèi)高溫狀態(tài)花崗巖遇水冷卻后力學(xué)特性試驗研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2010，29(5):892－898.

［3］趙堅，李海波.莫爾－庫倫和霍克－布朗強(qiáng)度準(zhǔn)則用于評估脆性巖石動態(tài)強(qiáng)度的適用性［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2003，22(2):171－176.

［4］王瑤，吳勝興，周繼凱，等.花崗巖動態(tài)軸向拉伸力學(xué)性能試驗研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2010，29(11):2328 －2336.

［5］范鵬賢，王明洋，錢七虎.深部非均勻巖體卸載拉裂的時間效應(yīng)和主要影響因素［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2010，29(7):1389－1396.

［6］任利，謝和平，朱哲明，等.裂隙巖石拉伸斷裂破壞理論分析試探［J］.煤炭學(xué)報，2012，37(1):21 －27.

［7］鄢泰寧，孫友宏，彭振斌，等.巖土鉆掘工程學(xué)［M］.湖北武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2001.

［8］趙伏軍.動靜載荷耦合作用下巖石破碎理論及試驗研究［D］.湖南長沙:中南大學(xué)，2004.

［9］宮鳳強(qiáng)，李夕兵，劉希靈.三維動靜組合加載下巖石力學(xué)特性試驗初探［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2011，30(6):1179－1190.

［10］黎中銀，夏柏如，吳方曉.旋挖鉆機(jī)高效入巖機(jī)理及其工程應(yīng)用［J］.中國公路學(xué)報，2009，22(3):121 －126.