沖孔灌注樁孔底巖土體破壞機(jī)理及沖錘選型分析

程 萬(wàn) 里

(北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037)

伴隨沖擊式鉆機(jī)的更新，鉆機(jī)起吊沖錘的能力也隨之提升，沖錘沖擊掘進(jìn)過(guò)程中其質(zhì)量的選擇范圍也更為寬泛。沖錘質(zhì)量主要由芯管和加重肋板的質(zhì)量來(lái)決定，在一定程度上大質(zhì)量的沖錘需要大直徑的芯管為其提供載體；通過(guò)選擇大直徑的加厚鑄鋼芯管，外繃焊加重鋼肋板，進(jìn)而獲得大質(zhì)量的沖錘。沖擊式鉆機(jī)依靠沖錘的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)沖擊井孔底巖土體形成泥漿混合物排出井孔獲得進(jìn)尺，為了片面地追求快速掘進(jìn)而獲得更多經(jīng)濟(jì)利益，不少作業(yè)隊(duì)伍選用質(zhì)量過(guò)大的沖錘和喇叭頭過(guò)大的芯管。沖錘質(zhì)量的增加可在一定程度上提高沖錘的掘進(jìn)速度，但大質(zhì)量、大喇叭頭芯管的沖錘對(duì)井孔底巖土體施加的沖擊影響過(guò)大，破壞了井底孔壁的完整性甚至造成孔壁失穩(wěn)引發(fā)塌孔、埋鉆等事故。設(shè)計(jì)終孔深度以下的巖土體受到?jīng)_錘的沖擊作用，形成一定的塑性區(qū)范圍，表現(xiàn)為樁底虛土[1]。樁底沉渣及虛土對(duì)樁基承載力的削弱可通過(guò)灌注樁后壓漿技術(shù)得到加強(qiáng)[2-4]。

1 中空沖擊鉆頭

將下端帶有喇叭頭的高強(qiáng)度鑄鋼管作為芯管，在芯管外圍對(duì)稱(chēng)地繃焊4～12根加重鋼肋板形成中空沖擊鉆頭的主體結(jié)構(gòu)。根據(jù)實(shí)際施工的樁孔徑和地質(zhì)情況，在加重鋼肋板上焊接高低交錯(cuò)的加寬肋板以便翻漿護(hù)孔，并在加寬肋板外圍焊接弧形導(dǎo)正圈以保證孔壁的圓整[5](見(jiàn)圖1)。

圖1 中空沖擊鉆頭

1.1 喇叭頭沖擊刃

沖擊鉆機(jī)通過(guò)拐臂連接沖擊梁及前游輪帶動(dòng)主鋼絲繩端固定的中空沖擊鉆頭上下往復(fù)地沖擊破碎井孔底巖土體獲得進(jìn)尺，同時(shí)兼顧了孔壁的穩(wěn)定。將井孔底巖土體的沖擊破碎分為孔底核心部位強(qiáng)力破碎和孔周保護(hù)性欲裂破碎的分部位破碎[6]。

中空沖擊鉆頭的喇叭頭在沖擊掘進(jìn)過(guò)程中起到的作用[1]：

(1) 通過(guò)喇叭頭的預(yù)先掘進(jìn)實(shí)現(xiàn)了井孔的分級(jí)鉆進(jìn)，在喇叭頭的沖擊作用下，井孔底核心區(qū)形成圓形的超前導(dǎo)坑。超前導(dǎo)坑對(duì)沖錘具有導(dǎo)向作用，保證沖錘的各個(gè)沖擊刃同時(shí)沖擊孔底，避免因沖錘的部分沖擊刃先接觸孔底造成沖錘過(guò)度搖擺，進(jìn)而保證沖擊能同時(shí)作用于孔底。

(2) 沖錘的沖擊能集中的作用在超前導(dǎo)坑下方的巖土體上，巨大的沖擊力使孔底超前導(dǎo)坑下方發(fā)生整體性破碎；由于超前導(dǎo)坑外圍巖土體的隔離保護(hù)，井孔壁土受到了擠壓密實(shí)。

(3) 喇叭頭的倒錐形內(nèi)腔對(duì)孔底巖土體具有聚擠作用，并對(duì)進(jìn)入其內(nèi)腔的塊石具有擠壓破碎作用，通過(guò)塊石間的相互擠壓，加快了塊石的破碎過(guò)程?？椎椎膸r土體塊、稠泥漿擠入喇叭頭內(nèi)腔的同時(shí)，芯管內(nèi)的稠泥漿則通過(guò)其頂口翻出，芯管外的新鮮泥漿下沉。

(4) 在提升沖錘時(shí)，加寬肋板和導(dǎo)正圈切削至芯管外圍的碎石土隨同喇叭頭的拖動(dòng)一起離開(kāi)孔底，與新鮮的泥漿混合。通過(guò)正循環(huán)排渣工藝不斷泵送新鮮泥漿至井孔底，并將攜帶鉆渣的稠泥漿返至地面沉渣坑。

1.2 加寬肋板和弧形導(dǎo)正圈

在掘進(jìn)不同孔徑的井孔前，根據(jù)孔徑大小在沖錘的加重肋板上對(duì)稱(chēng)的焊接加寬肋板，肋板底焊接高強(qiáng)度耐磨損鋼材作為沖擊刃，切削破碎喇叭頭外圍孔壁范圍內(nèi)的巖土體。在掘進(jìn)黏土層時(shí)，為加快對(duì)井孔底黏土塊體的攪動(dòng)、切削，避免粘鉆；加寬肋板個(gè)數(shù)不宜過(guò)多，環(huán)形擴(kuò)刀采用短弧形高低交錯(cuò)布置。在掘進(jìn)硬層時(shí)，可通過(guò)增加加重肋板，進(jìn)而增加沖錘的質(zhì)量，加快破碎巖土體。

弧形導(dǎo)正圈的設(shè)置起到校正對(duì)中的作用，避免了沖錘在上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中偏離井孔中軸線。通過(guò)環(huán)形擴(kuò)刀閉合肋板沖擊刃，共同切削裸露在孔中的巖土體，保證了樁孔的圓整[1]。

1.3 沖錘沖擊孔底巖土體的沖擊力

沖錘在井孔中的下落加速度受到巖粉漿的影響。Labiouse等通過(guò)落石沖擊試驗(yàn)，構(gòu)建出落石沖擊力計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式[7-10]。本文提出應(yīng)用于井孔中沖錘沖擊孔底巖土體的沖擊力計(jì)算公式。

(1)

式中：R為喇叭頭沖擊刃半徑,m;H為沖錘沖程,m；j為孔底沖錘下落加速度,m/s2；m為沖錘的質(zhì)量,t；E0為井孔底巖土體變形模量,kPa。

2 井孔底巖土體環(huán)形荷載受力模型

2.1 基本假設(shè)

(1) 喇叭頭沖擊刃對(duì)井孔底的靜壓力，滿足井孔中沖錘沖擊巖土體的沖擊力計(jì)算公式。

(2) 沖錘對(duì)井孔底的沖擊力，簡(jiǎn)化為喇叭頭環(huán)形沖擊刃對(duì)孔底的均布靜荷載，不計(jì)加寬肋板和環(huán)形擴(kuò)刀的沖擊作用。

(4) 分析環(huán)形荷載作用下井孔底巖土體破壞范圍，屈服準(zhǔn)則滿足土力學(xué)中的莫爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則。

2.2 模型建立

(1) 根據(jù)假設(shè)，環(huán)形荷載和井孔均屬軸對(duì)稱(chēng)模型。因此，將巖土體的網(wǎng)格劃分由空間簡(jiǎn)化為沿井孔軸線的半個(gè)豎直平面模型作計(jì)算分析[11]。運(yùn)用數(shù)學(xué)計(jì)算軟件——Mathe-matica的循環(huán)計(jì)算功能，計(jì)算出模型中每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的6個(gè)附加應(yīng)力。取井孔底范圍豎直平面-面yoz為計(jì)算平面，將面yoz劃分為m×m網(wǎng)格，如圖2 所示。

圖2 孔底范圍內(nèi)yoz平面網(wǎng)格劃分

井孔范圍內(nèi)的孔底巖土體還受孔內(nèi)泥漿的靜壓力，井孔以外范圍的巖土體計(jì)算點(diǎn)受上覆蓋層的地層靜壓力：

① 計(jì)算點(diǎn)(x0,0,z)在井孔范圍內(nèi)，即x0h時(shí)有：

(3)

② 計(jì)算點(diǎn)(x0,0,z)在井孔范圍外，即x0>D/2有：

(4)

式中：γm為泥漿重度；γ為土體重度；K0為巖土體的側(cè)壓力系數(shù)，K0=1-sinφ。

根據(jù)剪應(yīng)力互等定理得：τxy=τyz、τyz=τzy、τzx=τxz。井孔底周?chē)膸r土體計(jì)算點(diǎn)的全部應(yīng)力狀態(tài)可用矩陣表示為：

(5)

即為中空沖擊鉆頭環(huán)形荷載作用下孔底巖土體受力模型計(jì)算式。

2.3 孔底破壞范圍

式中：φ為井底巖土體的內(nèi)摩擦角；c為井底巖土體的黏聚力。

(1) 若w>0，說(shuō)明該網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的巖土體已破壞。

(2) 若w=0，說(shuō)明該網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)在切點(diǎn)所代表的平面上剪應(yīng)力恰好等于巖土體的抗剪強(qiáng)度，該點(diǎn)處于極限平衡狀態(tài)。

(3) 若w<0，說(shuō)明該網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)在任何平面上的剪應(yīng)力均小于巖土體所能發(fā)揮的抗剪強(qiáng)度，該點(diǎn)未破壞。

根據(jù)在喇叭頭沖擊刃的環(huán)形荷載作用下井孔底范圍各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的巖土體破壞值的大小，分析井孔底巖土體的破壞范圍及破壞程度；據(jù)此得出孔底巖土體的塑性區(qū)邊界。

3 典型地層中沖錘的選擇

3.1 黏土層

黏土層的典型特征是土體的內(nèi)摩擦角、變形模量均較小，抗壓強(qiáng)度也較低，但黏土層的黏性大，表現(xiàn)為泊松比和黏聚力數(shù)值都較高。沖擊鉆機(jī)在黏土層中掘進(jìn)配合撈渣捅排渣時(shí)，往往因孔底泥漿過(guò)稠不能及時(shí)置換新鮮漿液，出現(xiàn)粘鉆造成沖錘下落加速度過(guò)小而中斷掘進(jìn)，需待吊出沖錘、下放撈渣捅撈渣后再次掘進(jìn)。若配備正循環(huán)法不間斷地泵送新鮮泥漿至孔底將黏土塊及稠泥漿翻出井底循環(huán)至地表沉渣池的排渣工藝，將大大加快掘進(jìn)速度。黏土層的物理力學(xué)參數(shù)[12-15]見(jiàn)表1。

表1 黏土層物理力學(xué)參數(shù)

將表1中黏土層的物理力學(xué)參數(shù)代入沖擊力計(jì)算公式、孔底巖土體受力模型計(jì)算式，數(shù)值擬合出孔底巖土體的塑性區(qū)邊界。根據(jù)擬定的樁孔直徑、沖錘質(zhì)量、喇叭頭外徑，分別擬合出黏土層中不同孔徑的井孔底合理的塑性區(qū)范圍(見(jiàn)圖3)；為黏土層中不同孔徑掘進(jìn)的沖錘選型提供配置參數(shù)(見(jiàn)表2)。

圖3 直徑為0.8 m、1.0 m、1.2 m的井孔底

擬合出的合理塑性區(qū)范圍：樁孔半徑為0.4 m時(shí)，塑性區(qū)寬度為0.48 m，深度為0.5 m；樁孔半徑為0.5 m時(shí)，塑性區(qū)寬度為0.58 m，深度為0.7 m；樁孔半徑為0.6 m時(shí)，塑性區(qū)寬度為0.68 m，深度為0.8 m。

表2 不同孔徑的黏土層中沖錘參數(shù)

黏土層井孔底的塑性區(qū)邊界近似地呈喇叭頭沖擊刃平面(井孔深20 m的平面)上下對(duì)稱(chēng)、沿樁軸線對(duì)稱(chēng)分布的封閉空間。沖擊刃半徑的增加，對(duì)擴(kuò)大塑性區(qū)寬度影響顯著，對(duì)塑性區(qū)高度的影響不是很明顯。受拉應(yīng)力的作用，沖擊刃平面上方巖土體的塑性區(qū)高度比下方巖土體的略大。

3.2 砂卵石層

砂卵石層的典型特征是其內(nèi)摩擦角、變形模量較黏土層均有所增加，砂卵石層較為堅(jiān)硬，但易受地下水的影響或是受擾動(dòng)后其黏聚力很低。沖錘在砂卵石層中掘進(jìn)時(shí)，首先要保證井孔壁的穩(wěn)定；為了有效地破碎堅(jiān)硬的卵石，考慮適當(dāng)增加沖錘質(zhì)量。砂卵石層的物理力學(xué)參數(shù)[12-15]見(jiàn)表3。

表3 砂卵石層物理力學(xué)參數(shù)

擬合出的砂卵石層中不同孔徑井孔底合理的塑性區(qū)邊界見(jiàn)圖4。砂卵石層中沖錘選型的配置參數(shù)見(jiàn)表4。

圖4 直徑為0.8 m、1.0 m、1.2 m的井孔底

擬合出的合理塑性區(qū)范圍：樁孔半徑為0.4 m時(shí)，塑性區(qū)寬度為0.46 m，深度為1.8 m；樁孔半徑為0.5 m時(shí)，塑性區(qū)寬度為0.56 m，深度為1.7 m；樁孔半徑為0.6 m時(shí)，塑性區(qū)寬度為0.66 m，深度為1.9 m。

表4 不同孔徑的砂卵石層中沖錘參數(shù)

砂卵石層井孔底的黏聚力很低，巖土體受拉應(yīng)力作用影響的塑性區(qū)更為顯著。喇叭頭沖擊刃平面上方的塑性區(qū)邊界相比下方的較寬、較高，喇叭頭范圍上方的塑性區(qū)呈開(kāi)放性區(qū)域，下方的塑性區(qū)深度較黏土層要大很多。井孔底巖土體塑性區(qū)呈“竹節(jié)腫脹狀”，“竹節(jié)”半徑同沖擊刃半徑；沖擊刃半徑的增加對(duì)“腫脹”范圍的擴(kuò)大影響顯著，對(duì)“竹節(jié)”深度變化影響不明顯。

為保證孔壁的穩(wěn)定，沖錘在砂卵石層掘進(jìn)時(shí)喇叭頭半徑相比黏土層時(shí)要??；為更有效的破碎欲裂剝落至井孔底的堅(jiān)硬卵石，需增加沖錘的質(zhì)量及肋板沖擊刃數(shù)量；選用結(jié)構(gòu)緊湊的沖錘，以保證其堅(jiān)固耐用；同時(shí)需配置大比重、高質(zhì)量的泥漿采用正循環(huán)法及時(shí)地將破碎后地砂礫、碎石排出井孔，避免沖錘重復(fù)破碎成石粉再排出。

3.3 巖層

巖層通常作為支護(hù)樁的嵌固層、樁基礎(chǔ)的持力層，其典型特征是抗壓強(qiáng)度高、變形模量大。井孔底巖土體對(duì)沖錘反作用力大，具有硬碰硬的相互作用，沖錘的掘進(jìn)速率低。Ⅴ級(jí)軟巖層物理力學(xué)參數(shù)[12-15]見(jiàn)表5。

表5 Ⅴ級(jí)軟巖層物理力學(xué)參數(shù)

擬合出的巖層中不同孔徑井孔底合理的塑性區(qū)邊界見(jiàn)圖5。巖層中沖錘選型的配置參數(shù)見(jiàn)表6。

圖5 直徑為0.8 m、1.0 m、1.2 m的井孔底

擬合出的合理塑性區(qū)范圍：樁孔半徑為0.4 m時(shí)，塑性區(qū)寬度為0.48 m，深度為0.3 m；樁孔半徑為0.5 m時(shí)，塑性區(qū)寬度為0.58 m，深度為0.4 m；樁孔半徑為0.6 m時(shí)，塑性區(qū)寬度為0.66 m，深度為0.5 m。

表6 不同孔徑的Ⅴ級(jí)巖層中沖錘參數(shù)

Ⅴ級(jí)軟巖層井孔底的塑性區(qū)邊界近似地呈喇叭頭沖擊刃平面上下幾乎對(duì)稱(chēng)、沿樁軸線對(duì)稱(chēng)分布的封閉空間。沖擊刃半徑的增加，對(duì)擴(kuò)大塑性區(qū)寬度影響顯著，對(duì)塑性區(qū)高度增加略有影響。巖層黏聚力大，削弱了喇叭頭沖擊刃的環(huán)形荷載對(duì)井孔底巖層的影響力度，遠(yuǎn)離荷載的井孔底核心處巖體的塑性區(qū)深度變淺。

為提高巖層井孔中沖錘的掘進(jìn)速率，在喇叭頭外徑滿足井孔上覆其他地層安全掘進(jìn)的前提下，盡可能地增加沖錘質(zhì)量，增加沖錘對(duì)巖層的沖擊作用；沖擊刃選用高強(qiáng)度耐磨鋼、并鋸齒狀高強(qiáng)焊接，對(duì)井孔底巖層形成大的欲裂沖擊力，同時(shí)對(duì)巖塊進(jìn)行小范圍的侵入式擠壓破碎；控制沖擊式鉆機(jī)的懸距，確保沖錘高能的沖擊巖層；采用正循環(huán)法及時(shí)地將井孔底的碎石排出井孔。

4 結(jié) 論

本文基于Mindlin課題基本解通過(guò)積分建立環(huán)形荷載作用下孔底巖土體力學(xué)模型；根據(jù)莫爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則及數(shù)學(xué)軟件分析、計(jì)算得出孔底范圍巖土體的塑性區(qū)邊界。根據(jù)孔底不同巖土體理想的塑性區(qū)邊界分析得出合理的沖錘質(zhì)量及喇叭頭外徑。

(1) 喇叭頭沖擊刃直徑的增加可有效的擴(kuò)大井孔底巖土體的塑性區(qū)寬度，井孔底的塑性區(qū)深度略有增加。

(2) 合理的喇叭頭半徑配置質(zhì)量較小的沖錘可對(duì)以黏土層為主的孔底土體形成較理想的塑性區(qū)范圍。

(3) 掘進(jìn)砂卵石層的合理喇叭頭半徑較掘進(jìn)黏土層的??；增加沖錘配重利于破碎孔底的巖塊(卵石)，而對(duì)孔周的塑性區(qū)寬度影響較小。

(4) 在掘進(jìn)巖層時(shí)須配置質(zhì)量大的沖錘，喇叭頭須焊接高強(qiáng)度耐磨鋼作為沖擊刃承受巨大荷載；孔底軸線處塑性區(qū)深度較外圍淺，在喇叭頭內(nèi)腔增設(shè)一字型橫梁沖擊刃加強(qiáng)軸線處巖體破碎。

(5) 進(jìn)一步計(jì)算分析可得：當(dāng)井孔深較淺時(shí)，沖錘的沖擊力作用使井孔口附近的巖土體均處于塑性區(qū)范圍，從孔底沖錘的沖擊掘進(jìn)受力角度闡明孔口埋設(shè)護(hù)筒的必要性。隨著井孔深度的增加，相同的環(huán)形荷載對(duì)井孔底巖土體形成的塑性區(qū)范圍逐漸變小，沖錘的掘進(jìn)速率變低，變厚的上覆蓋層增加了對(duì)井孔底巖土體約束的緣故。

(6) 在終孔環(huán)節(jié)通過(guò)減小沖錘行程、增加漿液密度、調(diào)整沖錘懸距等措施減小沖錘沖擊力，減小對(duì)樁孔底巖土體的擾動(dòng)范圍，減少樁底虛土。