大直徑嵌巖斜樁沖擊成孔速度的影響因素分析

胡培強，王志明，周伏萍，譚松成*，堯在雨，段隆臣

（1.江西省地質(zhì)工程（集團）公司，江西南昌330029；2.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，湖北武漢 430074）

0 引言

近年來，工程建設(shè)逐漸向外海、深水區(qū)域發(fā)展，跨海、跨江大橋也朝著大型化邁進，而樁基礎(chǔ)因具有承載力強、穿透土層性能好、施工效率高等諸多優(yōu)點，被普遍應(yīng)用于跨海（河）橋梁工程、港口工程，以及海上作業(yè)平臺等工程中［1-3］。其中，嵌巖斜樁可以通過軸向受壓和受拉來承受部分水平載荷，而不是像直樁一樣僅能通過受剪和受彎來承載，因此相比同尺寸與埋深的直樁而言具有更大的剛度和承載能力［4-7］。在需要承受波浪、大風(fēng)等較高水平載荷的建（構(gòu)）筑物（如橋梁碼頭、大型運動場館、輸電線塔架基礎(chǔ)等）施工中，大直徑嵌巖斜樁已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用與推廣［8-12］。

國內(nèi)外學(xué)者針對大直徑嵌巖斜樁的設(shè)計理論、室內(nèi)模型試驗和承載特性等方面已經(jīng)開展了大量的理論與實踐研究，然而跟施工技術(shù)有關(guān)的研究仍以結(jié)合具體施工案例進行經(jīng)驗總結(jié)為主。目前，大直徑嵌巖斜樁主要采用沖擊成孔鉆進施工，然而該方式的成孔效率相較于其他施工方法仍存在較大差距［13-16］?；诖?，本文針對大直徑嵌巖斜樁的沖擊成孔過程進行研究，從而為改進沖擊成孔工藝和提高成孔效率提供理論依據(jù)。

1 大直徑嵌巖斜樁成孔難點分析

大直徑嵌巖斜樁對施工設(shè)備、施工工藝的要求比較高，技術(shù)風(fēng)險較大。在該類樁型的應(yīng)用初期階段，其常用的施工工藝為傳統(tǒng)鉆孔灌注成孔法，或帶有導(dǎo)向裝置的改型回轉(zhuǎn)鉆機鉆進成孔［17-21］。然而，采用傳統(tǒng)的鉆孔灌注樁施工技術(shù)進行大直徑嵌巖斜樁施工時，存在諸如設(shè)備繁瑣笨重、造價高、成孔速度慢、鉆頭損耗大，以及鉆進事故多發(fā)等問題，難以滿足項目高工效、低成本的綜合要求。同時，大直徑嵌巖斜樁施工，尤其是在河流或海港碼頭上進行施工時，其施工平臺往往是簡易搭設(shè)的鋼平臺，此時普通回轉(zhuǎn)鉆機難以傾斜安裝，造成斜樁成孔困難大；若采用可調(diào)節(jié)大角度成孔的旋挖鉆機施工，則受旋挖鉆機自重太大的影響，普通鋼結(jié)構(gòu)平臺難以滿足施工要求；而選擇采用沖擊鉆機配合普通的十字沖擊鉆頭成孔，則鉆頭頻繁上下運動容易掛到鋼護筒底口，且沖擊鉆進效率低。

生產(chǎn)實踐表明，為解決上述大直徑嵌巖斜樁施工難題，采用沖擊鉆機配合圓筒形沖錘鉆進成孔是一種較優(yōu)的解決方案，且其成孔效率與樁徑、斜率、入巖深度、基巖強度等因素密切相關(guān)，而沖錘的單次沖擊破巖效率則主要由沖擊工藝參數(shù)和沖錘的結(jié)構(gòu)特征決定。為此，需要對沖錘在單次下行（沖擊）運動中的受力狀態(tài)進行理論分析，從而為沖擊工藝和沖錘結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

2 沖錘軸向運動分析

嵌巖斜樁沖擊鉆進成孔過程中，沖錘的受力示意圖如圖1 所示。因沖擊成孔過程中孔內(nèi)灌滿了泥漿，且泥漿的液面高度大于地下水位線，因此沖錘整個行程都位于液面以下，全程受到浮力的作用。

圖1 沖錘下落受力示意Fig.1 Forced state of hammer during its dropping process

如圖1 所示，對沖錘的受力沿平行于成孔方向和垂直于成孔方向進行分解，可得受力方程組如式（1）所示：

式中：m——沖錘質(zhì)量，kg；g——重力加速度，9.81 m/s2；ad——不考慮泥漿阻力時，沖錘下落的加速度，m/s2；Fb——孔內(nèi)液體對沖錘的浮力，N；Fs——鋼護筒對沖錘的支撐力，N；θ——斜孔與豎直方向的夾角，（°）；f——鋼護筒對沖錘的摩擦阻力，N；μ——鋼護筒與沖錘之間的摩擦系數(shù)；ρl——孔內(nèi)液體的密度，kg/m3；V——沖錘體積，m3。

由式（1）可得沖錘下落時的加速度表達式（2）：

設(shè)沖錘的沖擊行程為h，則沖錘的下落時間td和沖錘落底時的沖擊速度vd分別如式（3）、（4）所示：

根據(jù)能量守恒原理，則沖錘對孔底巖石的單次沖擊功W1如式（5）所示：

設(shè)巖石的單位體積破碎功為W0，則：

式中：n1——單位時間內(nèi)的沖擊次數(shù)，次/min；Vr——單位時間內(nèi)（每小時）的破巖體積，Vr=——沖錘的外徑，m；vp——沖錘成孔速度，m/h；

單位時間內(nèi)的沖擊次數(shù)與單次的沖程密切相關(guān)，可對現(xiàn)場沖擊結(jié)果進行回歸分析，建立兩者之間的對應(yīng)關(guān)系。根據(jù)現(xiàn)場實踐的經(jīng)驗公式［20］可知：

式中：n1——沖錘的沖擊頻率，次/min。

則嵌巖斜樁的沖擊成孔效率vp可表示為：

由式（7）可知，沖錘的破巖效率與鉆頭的質(zhì)量和沖程呈正比，與樁孔直徑、地層的破巖比功和樁孔的傾角呈反比。

根據(jù)在溫州港狀元岙港區(qū)化工碼頭的實踐經(jīng)驗可知，在樁孔斜度1/6、樁徑1400 mm 時，采用特定結(jié)構(gòu)的筒狀沖擊鉆頭在中風(fēng)化花崗斑巖中進行施工時，其沖錘質(zhì)量m為8 t，沖程h為1.0 m，成孔速度為0.1～0.3 m/h［17］。其他相關(guān)參數(shù)包括樁孔內(nèi)泥漿密度為1.4 g/cm3，筒狀鉆頭的鋼材密度為7.85 g/cm3，筒狀鉆頭與鋼護筒之間的摩擦系數(shù)為0.075。根據(jù)式（5）和（6），可得該工程場地的基巖單位體積破巖比功約為3.48×108J/m3。

值得說明的是，本文所采用的基巖單位體積破巖比功計算模型除了與基巖物理力學(xué)性能有關(guān)之外，還與沖擊鉆頭的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。因此，即使在基巖類型相同時，由于沖擊鉆頭結(jié)構(gòu)和沖擊工藝不同，其破巖比功會在一定范圍內(nèi)發(fā)生變化。

3 成孔效率影響因素分析

3.1 單因素分析

以上述計算結(jié)果為例，在樁徑1400 mm、單位體積破巖比功為3.48×108J/m3時，采用單因素的方式分析沖錘質(zhì)量、沖程高度、樁孔斜度，沖錘與鋼護筒的摩擦系數(shù)對大直徑嵌巖斜樁成孔速度的影響，結(jié)果如圖2 所示。

由圖2 可知，在單因素作用下，沖錘質(zhì)量（6～15 t）和沖錘與鋼護筒之間的摩擦系數(shù)（0.05～0.15）對沖擊成孔效率的影響呈線性關(guān)系（見圖2a、c），而沖擊行程（0.6～1.5 m）和樁孔斜度（0～1）對沖擊成孔速度的影響呈非線性關(guān)系（見圖2b、d）。在上述變量范圍內(nèi)，隨著沖錘質(zhì)量和沖擊行程的增加，沖擊成孔速度分別提高了150%和77.59%；隨著摩擦系數(shù)和樁孔斜度的增加，沖擊成孔速度分別降低了1.68%和34.59%，其中當(dāng)樁孔斜度由0 增加到1/3時，成孔速度降低了7.50%。

對比可知，單因素條件下，沖錘質(zhì)量、沖擊行程、樁孔斜度，以及沖錘與鋼護筒間的摩擦系數(shù)對大直徑嵌巖斜樁的成孔速度影響依次降低，其中沖錘質(zhì)量和沖擊行程的影響非常顯著，而摩擦系數(shù)的影響非常低。分析認為，沖錘質(zhì)量和沖擊行程直接影響沖錘的勢能，但因沖程增大會相應(yīng)降低沖錘的沖擊頻率，因此其對沖擊成孔速度的影響顯著性會逐漸降低。

3.2 雙因素關(guān)聯(lián)分析

為研究上述4 個因素在雙因素協(xié)同作用下對大直徑嵌巖斜樁成孔速度的影響，依據(jù)式（7）中的理論模型，采用MATLAB 對其進行數(shù)據(jù)分析，獲得不同因素耦合條件下對大直徑嵌巖斜樁成孔速度的影響如圖3 所示。為便于分析樁孔斜度和其他因素的耦合作用對成孔速度的影響，采用樁孔斜角的方式進行表述。樁孔斜角即為斜度的反正切函數(shù)角，其中樁孔斜角為 5°、10°和 15°時，對應(yīng)的樁孔斜度分別約為 1/11.43，1/5.67 和 1/3.73。

圖2 各單因素對嵌巖斜樁沖擊成孔效率的影響Fig.2 Influences of single factors on the ROP of rock?socketed inclined pile by percussion drilling

由圖3（a）可知，沖錘質(zhì)量和沖擊行程對嵌巖斜樁成孔速度的影響較為相似，且二者的協(xié)同作用效果明顯，具體表現(xiàn)為當(dāng)沖錘質(zhì)量和（或）沖擊行程太小時，成孔速度也會受到極大的限制；隨著沖錘質(zhì)量和沖擊行程的增大，成孔速度顯著提高。圖3（b）和（c）則再次表明，在樁孔斜角為 0°～15°范圍之內(nèi)的嵌巖斜樁沖擊成孔施工中，沖擊行程和沖錘質(zhì)量對成孔速度的影響均會大于樁孔斜角的影響。隨著沖擊行程的增大，成孔速度會相應(yīng)增加，但其影響的顯著性會逐漸降低，且沖擊行程的影響效果會隨著樁孔斜角的增大有略微減小的趨勢。圖3（d）表明，在嵌巖斜樁的樁孔斜角為0°～15°之間時，摩擦系數(shù)在0～0.15 之間進行變化時對沖擊成孔效率的影響非常小。因此，沖擊成孔施工時，孔內(nèi)液體介質(zhì)需要實現(xiàn)的主要功能是滿足懸浮巖屑和保持孔壁穩(wěn)定的作用，而液體的潤滑性能可以不作具體要求。

4 結(jié)論與建議

（1）在大直徑嵌巖斜樁沖擊成孔施工過程中，各因素對沖擊成孔速度的影響顯著性由大到小分別為：沖錘質(zhì)量、沖擊行程（或沖擊頻率）、樁孔斜度，以及沖錘與鋼護筒間的摩擦系數(shù)；

（2）雙因素耦合作用效果表明，在沖錘質(zhì)量和沖擊行程恒定的條件下，樁孔斜角對沖擊成孔速度的影響相對較小，且沖錘質(zhì)量應(yīng)大于5 t，沖擊行程應(yīng)大于0.8 m，具體工藝參數(shù)應(yīng)根據(jù)施工現(xiàn)場條件來確定；

（3）沖擊成孔速度理論模型中的基巖破巖比功，以及沖程與沖擊頻率之間的相互關(guān)系是通過生產(chǎn)實踐數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和擬合而成，在實際應(yīng)用過程中應(yīng)進行相應(yīng)修正；

（4）基巖的破巖比功除與本文理論模型中的沖擊工藝和樁孔尺寸參數(shù)有關(guān)之外，還與沖錘的破巖結(jié)構(gòu)單元密切相關(guān)，實際施工中應(yīng)根據(jù)施工場地特征進行沖錘破巖結(jié)構(gòu)單元優(yōu)化設(shè)計，從而提高施工效率。

圖3 雙因素耦合作用對嵌巖斜樁成孔速度的影響Fig.3 Coupling influences of two?factors on the ROP of rock?socketed inclined pile by percussion drilling