長螺旋鉆孔壓灌樁在深厚黏土層施工關鍵技術研究

戴文文 戴 敏

(江蘇地質基樁工程公司,江蘇 鎮江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,并對樁周土體產生壓縮滲透效果的變截面樁[1-2]。與普通傳統混凝土灌注樁相比,長螺旋鉆孔壓灌混凝土樁具有工期短、造價低、環保性好等特點,具有良好的技術指標。當長螺旋鉆孔壓灌樁在深厚黏土地質條件下進行施工時,時常出現工作困難情況。如地質條件以及長螺旋鉆機自身原因,在硬質黏土層工作時,鉆頭切削阻力較大,整體鉆桿產生較大的扭矩,導致鉆具憋車,下鉆速度慢等現象；在地下水較為豐富的黏土層,由于成孔過程細小土塊難以帶出,導致鉆頭抱死[3-4]。本文依據現場項目實例,在原有長螺旋鉆孔壓灌樁施工技術的基礎上,通過將鉆桿與空壓機結合工作的新型技術,穿越深厚黏土地層,完成鉆孔樁施工。

1 工程背景

1.1 水文地質條件

1.1.1 土層分布

長螺旋壓灌樁施工項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,局部夾雜粉質黏土層,粉質黏土干強度中等,韌性中等。

3層粉質黏土(Q4al+pl)-灰褐色,軟塑性,濕,干強度低,韌性低。

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

5層粉質黏土夾粉土(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,中等強度,韌性中等。

6層黏土(Q3al)-灰黃色,濕,硬塑,干強度高,韌性高。

7層粉質黏土(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,干強度中等,韌性中等。

1.1.2 地下水分布

本項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,沒有穩定水面,地下水的補給主要為大氣降水,消散主要為大氣蒸發。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 項目施工難點

2.1 成孔困難

2.1.1 實際鉆進過程中發現,在④層～⑥層中存在堅硬黏土,一度出現長螺旋鉆機動力不足,鉆頭磨損,鉆孔錯位的現象,僅憑鉆頭自重很難成孔,極大地影響了現場施工。

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

2.2 鉆孔涌水

富水黏土層中進行鉆孔工作,鉆具出土量低,出水量高。如圖2所示,鉆機掘進過程中涌水量巨大。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,導致鉆頭抱死。

圖2 鉆孔涌水

所以,本項目具有復雜的地質環境,對鉆孔設備磨損巨大,且鉆進速度較慢,直接導致單日成樁數不足,施工工期延誤等問題。

2.3 鉆頭抱死

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

圖3 鉆頭抱死

2.4 成孔質量差

鉆機隨著周轉次數的增加,成孔半徑急劇減小,且大量土渣在孔內聚集,這將導致鉆孔的成孔質量差,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 施工工藝優化方案

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

圖4 改進型長螺旋鉆機

通過對比兩種優化方案發現:方案一更加便捷、成本更低、效率更高。

4 應用效果分析

4.1 由于負壓力的存在和影響,黏土情況下,黏土與閥門會產生一種牽引力,導致閥門無法輕易打開。在這種情況下,應控制好鉆進速度,避免由于轉速太快,導致黏土與鉆頭之間粘聚力變大,發生堵管。選用回轉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將鉆具變提拉的同時正向旋轉[5],使位于閥門處的泥發生松動,使閥門在泵氣壓力下打開。

4.2 通過增加空壓機設備與鉆機相結合,一方面,有效利用“高壓送風”[6]的方式,降低鉆進過程中土體對鉆頭及鉆具產生的側阻力,進一步提升的鉆頭對深層硬質黏土的削切能力,加快在深層黏土中的鉆進速度,使通過硬層黏土的速度大幅提升；另一方面,側阻力的減小,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量,同時降低了土層中樁徑收縮和樁身夾泥等問題發生概率,加快了鋼筋籠下放速度,使得深層黏土中樁身質量和群樁搭接質量得到大幅的提升,大大減少了成樁時間。

圖5 成樁效果圖

本項目針對豐水區深層黏土地質條件,對長螺旋施工工藝進行了優化,對長螺旋施工中遇到的問題進行了解決,提高了成樁質量、加快施工速度,具有較好的經濟和社會效益,與此同時,也拓展了該工藝的適用范圍,用以指導同類工程的施工。

5 結論

通過改進長螺旋鉆孔壓灌樁在深厚黏土地質條件下的施工技術,改進鉆桿的工作形式成功的解決了在復雜地質條件下的施工問題。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場問題,保證了成樁效率。經實踐證明,改進原有鉆桿形式,配合空壓機的長螺旋鉆孔壓灌樁新型技術是一種在厚黏土地層中施工的有效方法,不但具有很大的經濟效益,更具有較強的實用性,值得改進的新型長螺旋鉆孔壓灌樁施工技術在其他地質條件中推廣。為推進長螺旋鉆孔壓灌樁在深厚黏土層中的應用,本文以豐水區工程項目為背景,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及解決措施。具體研究內容如下:

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問題,提出了利用高壓送風技術及使用大扭矩鉆頭的技術方案,以提高長螺旋鉆孔壓灌樁在深厚黏土層施工效率。

5.3 方案結果表明,改進原有鉆桿形式,配合空壓機的長螺旋鉆孔壓灌樁新型技術是一種在厚黏土地層中施工的有效方法,不但具有很高的經濟效益,還具有較強的實用性。