長螺旋鉆孔壓灌樁在深厚黏土層施工關(guān)鍵技術(shù)研究

戴文文 戴 敏

(江蘇地質(zhì)基樁工程公司,江蘇 鎮(zhèn)江212001)

長螺旋鉆孔壓灌混凝土樁作為一種近幾年新興的工程用樁,是一種借助高壓傳送混凝土,并對樁周土體產(chǎn)生壓縮滲透效果的變截面樁[1-2]。與普通傳統(tǒng)混凝土灌注樁相比,長螺旋鉆孔壓灌混凝土樁具有工期短、造價(jià)低、環(huán)保性好等特點(diǎn),具有良好的技術(shù)指標(biāo)。當(dāng)長螺旋鉆孔壓灌樁在深厚黏土地質(zhì)條件下進(jìn)行施工時(shí),時(shí)常出現(xiàn)工作困難情況。如地質(zhì)條件以及長螺旋鉆機(jī)自身原因,在硬質(zhì)黏土層工作時(shí),鉆頭切削阻力較大,整體鉆桿產(chǎn)生較大的扭矩,導(dǎo)致鉆具憋車,下鉆速度慢等現(xiàn)象；在地下水較為豐富的黏土層,由于成孔過程細(xì)小土塊難以帶出,導(dǎo)致鉆頭抱死[3-4]。本文依據(jù)現(xiàn)場項(xiàng)目實(shí)例,在原有長螺旋鉆孔壓灌樁施工技術(shù)的基礎(chǔ)上,通過將鉆桿與空壓機(jī)結(jié)合工作的新型技術(shù),穿越深厚黏土地層,完成鉆孔樁施工。

1 工程背景

1.1 水文地質(zhì)條件

1.1.1 土層分布

長螺旋壓灌樁施工項(xiàng)目平面及鉆孔剖面如圖1所示。

圖1 施工平面及剖面圖

1素填土(Q4ml)-褐、黃褐色,以黏性土為主,含植物根莖,含建筑垃圾。

2層粉土(Q4al+pl)-灰黃色,密度稍密,濕,局部夾雜粉質(zhì)黏土層,粉質(zhì)黏土干強(qiáng)度中等,韌性中等。

3層粉質(zhì)黏土(Q4al+pl)-灰褐色,軟塑性,濕,干強(qiáng)度低,韌性低。

4層粉質(zhì)黏土(Q4al+pl)-灰黃色,可塑,局部夾雜少量粉土,切面稍光滑、稍有光澤,干強(qiáng)度中等,韌性中等。

5層粉質(zhì)黏土夾粉土(Q4al+pl)-灰黃色,可塑至硬塑,局部夾雜少量的粉土,切面稍光滑、稍有光澤,中等強(qiáng)度,韌性中等。

6層黏土(Q3al)-灰黃色,濕,硬塑,干強(qiáng)度高,韌性高。

7層粉質(zhì)黏土(Q4al+pl)灰黃色,可塑至硬塑,局部夾雜少量粉土,切面稍光滑、略有光澤,干強(qiáng)度中等,韌性中等。

1.1.2 地下水分布

本項(xiàng)目地下水類型為上層滯水、潛水。其中,滯水主要存在于①素填土層中,潛水主要存在于②粉土層中,沒有穩(wěn)定水面,地下水的補(bǔ)給主要為大氣降水,消散主要為大氣蒸發(fā)。在勘探期間測得混合地下水位(靜止)埋深約為1.5 ～2.1 m,均值為1.8 m。受季節(jié)氣溫影響,春冬水位低,夏秋水位高,全年變化幅度為1.0 ～1.5 m。

2 項(xiàng)目施工難點(diǎn)

2.1 成孔困難

2.1.1 實(shí)際鉆進(jìn)過程中發(fā)現(xiàn),在④層～⑥層中存在堅(jiān)硬黏土,一度出現(xiàn)長螺旋鉆機(jī)動力不足,鉆頭磨損,鉆孔錯(cuò)位的現(xiàn)象,僅憑鉆頭自重很難成孔,極大地影響了現(xiàn)場施工。

2.1.2 硬質(zhì)黏土層(干燥)中進(jìn)行鉆孔工作,鉆頭的切削阻力大,鉆桿穩(wěn)定性差且扭矩增加,極易產(chǎn)生鉆具憋車、卡泥、鉆桿扭矩螺絲擰斷或者下鉆速度緩慢等現(xiàn)象。

2.2 鉆孔涌水

富水黏土層中進(jìn)行鉆孔工作,鉆具出土量低,出水量高。如圖2所示,鉆機(jī)掘進(jìn)過程中涌水量巨大。大量的涌水使得鉆頭底部的渣土無法排除,最終使得大量沉渣堆積在鉆頭底部,包裹鉆頭,導(dǎo)致鉆頭抱死。

圖2 鉆孔涌水

所以,本項(xiàng)目具有復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境,對鉆孔設(shè)備磨損巨大,且鉆進(jìn)速度較慢,直接導(dǎo)致單日成樁數(shù)不足,施工工期延誤等問題。

2.3 鉆頭抱死

由于鉆機(jī)設(shè)備陳舊或動力不足,在富水或者堅(jiān)硬地層中成孔時(shí),鉆頭的沉孔質(zhì)量會變差。在富水粘性土層中施工時(shí),粘性較強(qiáng)的土塊經(jīng)常聚集在鉆頭的頂部而不隨螺旋桿轉(zhuǎn)出,久而久之,鉆頭閥門抱死,嵌入堅(jiān)硬土塊中。如圖3所示,土體粘附在鉆頭葉片上,這將使得鉆頭鉆進(jìn)的阻力增加,從而使得鉆頭抱死。

圖3 鉆頭抱死

2.4 成孔質(zhì)量差

鉆機(jī)隨著周轉(zhuǎn)次數(shù)的增加,成孔半徑急劇減小,且大量土渣在孔內(nèi)聚集,這將導(dǎo)致鉆孔的成孔質(zhì)量差,影響鋼筋籠下方。造成混凝土成樁斷面不均勻,承載能力急劇降低等問題。

3 施工工藝優(yōu)化方案

由于復(fù)雜的地質(zhì)條件造成了長螺旋鉆機(jī)的工作效率降低,因此提出以下兩種改進(jìn)方案。方案一:在原始鉆桿上焊接接風(fēng)管,連接空氣壓縮機(jī)為鉆桿的鉆進(jìn)提供動力,如圖4所示。方案二:采用全液壓式的動力鉆頭替代傳統(tǒng)鉆頭,增大鉆頭的扭矩和自重,提高鉆機(jī)在不同鉆孔角度下運(yùn)行的效率。

圖4 改進(jìn)型長螺旋鉆機(jī)

通過對比兩種優(yōu)化方案發(fā)現(xiàn):方案一更加便捷、成本更低、效率更高。

4 應(yīng)用效果分析

4.1 由于負(fù)壓力的存在和影響,黏土情況下,黏土與閥門會產(chǎn)生一種牽引力,導(dǎo)致閥門無法輕易打開。在這種情況下,應(yīng)控制好鉆進(jìn)速度,避免由于轉(zhuǎn)速太快,導(dǎo)致黏土與鉆頭之間粘聚力變大,發(fā)生堵管。選用回轉(zhuǎn)鉆桿松動混凝土的方法,可以很好地避免鉆頭糊泥,具體流程是在泵送混凝土的同時(shí)將鉆具變提拉的同時(shí)正向旋轉(zhuǎn)[5],使位于閥門處的泥發(fā)生松動,使閥門在泵氣壓力下打開。

4.2 通過增加空壓機(jī)設(shè)備與鉆機(jī)相結(jié)合,一方面,有效利用“高壓送風(fēng)”[6]的方式,降低鉆進(jìn)過程中土體對鉆頭及鉆具產(chǎn)生的側(cè)阻力,進(jìn)一步提升的鉆頭對深層硬質(zhì)黏土的削切能力,加快在深層黏土中的鉆進(jìn)速度,使通過硬層黏土的速度大幅提升；另一方面,側(cè)阻力的減小,極大提升了孔底處的沉渣被鉆具攜帶到地面的幾率,確保后續(xù)順利下放鋼筋籠的幾率,也減小沉渣對后期樁承載力的影響。

4.3 如圖5所示,采用改進(jìn)后的方法,鉆孔成樁后的整體效果有了很大提升,有效的提高了高長螺旋成孔的質(zhì)量,同時(shí)降低了土層中樁徑收縮和樁身夾泥等問題發(fā)生概率,加快了鋼筋籠下放速度,使得深層黏土中樁身質(zhì)量和群樁搭接質(zhì)量得到大幅的提升,大大減少了成樁時(shí)間。

圖5 成樁效果圖

本項(xiàng)目針對豐水區(qū)深層黏土地質(zhì)條件,對長螺旋施工工藝進(jìn)行了優(yōu)化,對長螺旋施工中遇到的問題進(jìn)行了解決,提高了成樁質(zhì)量、加快施工速度,具有較好的經(jīng)濟(jì)和社會效益,與此同時(shí),也拓展了該工藝的適用范圍,用以指導(dǎo)同類工程的施工。

5 結(jié)論

通過改進(jìn)長螺旋鉆孔壓灌樁在深厚黏土地質(zhì)條件下的施工技術(shù),改進(jìn)鉆桿的工作形式成功的解決了在復(fù)雜地質(zhì)條件下的施工問題。解決了長螺旋鉆孔樁在厚黏土層難成孔和鋼筋籠易卡孔等現(xiàn)場問題,保證了成樁效率。經(jīng)實(shí)踐證明,改進(jìn)原有鉆桿形式,配合空壓機(jī)的長螺旋鉆孔壓灌樁新型技術(shù)是一種在厚黏土地層中施工的有效方法,不但具有很大的經(jīng)濟(jì)效益,更具有較強(qiáng)的實(shí)用性,值得改進(jìn)的新型長螺旋鉆孔壓灌樁施工技術(shù)在其他地質(zhì)條件中推廣。為推進(jìn)長螺旋鉆孔壓灌樁在深厚黏土層中的應(yīng)用,本文以豐水區(qū)工程項(xiàng)目為背景,分析了長螺旋鉆孔灌注樁在深厚黏土層中施工的施工難點(diǎn)及解決措施。具體研究內(nèi)容如下:

5.1 長螺旋鉆孔壓灌樁在深厚黏土層施工存在的問題主要包括:成孔困難、鉆孔涌水、鉆頭抱死和成孔質(zhì)量差。

5.2 為解決長螺旋鉆孔壓灌樁在深厚黏土層施工技術(shù)問題,提出了利用高壓送風(fēng)技術(shù)及使用大扭矩鉆頭的技術(shù)方案,以提高長螺旋鉆孔壓灌樁在深厚黏土層施工效率。

5.3 方案結(jié)果表明,改進(jìn)原有鉆桿形式,配合空壓機(jī)的長螺旋鉆孔壓灌樁新型技術(shù)是一種在厚黏土地層中施工的有效方法,不但具有很高的經(jīng)濟(jì)效益,還具有較強(qiáng)的實(shí)用性。