長螺旋鉆頭及施工方法探析

摘 要 長螺旋基礎樁在建筑基礎領域中占有很大的優勢，成樁質量好，成本低、效率高等。隨著國內三、四線山區城市的建筑開發，長螺旋入巖施工已成了難點。長螺旋設備無法入巖或入巖速度很慢，造成施工效率低，成本高，給施工的順利進行帶來很大的障礙。文章闡述了長螺旋入巖鉆頭和相應的施工方法，以供參考。

關鍵詞 巖石破碎機理；入巖鉆頭；施工方法

中圖分類號：TU94 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）02-0117-02

現在的建筑樁基礎中，長樁（樁深大于30米）多適用于旋挖鉆機、沖擊正反循環鉆機、回轉正反循環鉆機等設備來施工。短樁（樁深不大于30米）大徑（直徑大于1米）往往適用于旋挖鉆機、沖擊正反循環鉆機、回轉正反循環鉆機等設備來完成。短樁（樁深小于30米）小徑（直徑不大于1米）多用于長螺旋鉆機、夯擴樁機，螺桿樁機等設備來實現。旋挖鉆機、沖擊正反循環鉆機、回轉正反循環鉆機施工過程中需要泥漿作護壁，灌注時需水下澆灌，污染環境，樁成本造價高。但能入巖，能夠滿足設計樁長。現有的長螺旋在軟巖施工中具有很強的優勢，但在硬巖施工中很難達到樁設計要求。為了降低短樁小徑入巖樁施工成本，有必要對長螺旋入巖鉆頭及施工方法進行研究。

1 巖石破碎理論

利用彈性力學的研究結果來分析巖石內部的應力狀態

1.1 靜載作用下的巖石應用狀

以平底圓柱形壓頭壓入巖石為例，可知巖石的應力狀態如圖1。

由圖可知：在壓頭的邊緣集中區，極值應力使巖石首先在此區域出現變形甚至破壞，在應力集中區產生拉應力。

以球形壓頭壓入巖石為例，可知巖石應力狀態如圖2。

由圖可知，在壓頭的中心凸出處為應力集中區，在接觸面的圓周邊界處，沿徑向產生拉應力區。

圖1 平底圓柱壓頭壓力面上的壓力分布

圖2 球形壓頭壓力面上的壓力分布

1.2 軸向力和切向力共同作用時壓頭下方巖石的應力狀態

以平底圓柱形壓頭壓入巖石為例來分析巖石的應力狀態如圖3所示，只有軸向力單獨作用于壓頭時，彈性半無限體內等應力線分布是均勻的、對稱的。

圖3 軸向力作用時巖石內的應力分布

如圖4所示，在軸向力和切向力共同作用時，等應力線分布是非均勻的。不對稱的（如圖4（a）所示），在接觸面上，切向力作用的前方將產生壓應力，其后方則產生拉應力，在半無限體內，形成正應力區（Ⅰ）、拉應力區（Ⅱ）和過渡區（Ⅲ）（如圖4（b）所示）。軸向力和切向力共同作用時，可看作碎巖工具對孔底巖石表面以某一角度α施加作用力，巖石的破碎效果將由此作用力的大小和方向來決定。通常情況下α值取45°～65°，巖石硬度越高，α值越大。壓縮區（Ⅰ）隨軸向力增加而擴大，隨切向力的增加而縮小；拉伸區（Ⅱ）則隨軸向力增加而縮小，隨切向力的增加而擴大；當巖石中出現拉應力時，巖石將在作用力比較小時，會在拉應力區開始破碎。

（a）等應力線圖 （b）應力狀態特征

圖4 軸向力和切向力共同作用時巖石內的應力分布

2 巖石的破碎過程

巖石在不同軸壓作用下破碎速度是不同的，如圖5所示。

圖5 不同軸壓下巖石破碎的3個區段

在較小軸壓作用情況下，巖石只發生彈性變形或微小裂紋。當軸壓增加到一定值時，可以對巖石產生一定程度的壓裂現象，當軸壓繼續增加到一定極限時，巖石才會出現較大范圍的裂隙，從而達到破碎。鉆頭在鉆進過程中，軸壓對破碎速度的影響是很關鍵的因素。圖中Ⅰ區為巖石表面研磨破碎區，此時軸壓值較小，巖石表面的磨損是由鉆頭齒與巖石表面接觸而引起的。圖中Ⅱ區為巖石疲勞破碎區段，此時軸壓力未達到巖石的極限強度或壓入硬度值，巖石產生微裂隙。破碎效果較表面研磨階段好些。圖中Ⅲ區為體積破碎區，此時軸壓等于或大于巖石的極限抗壓強度或壓入硬度值，巖石出現較大裂隙，從而形成快速破碎。隨著軸壓的增大，破碎效果越來越明顯，此時鉆頭齒的損大損耗為最小，巖石破碎所耗功率也小。

3 長螺旋入巖鉆頭機理

圖6 軸壓與鉆頭距自由面距離曲線

由巖石的破碎理論和巖石的破碎過程可知：回轉入巖鉆頭的入巖是關鍵點，而入巖后剪切破碎是比較容易的。因為在大多數情況下，巖石的抗剪強度極限幾乎是抗壓強度極限的10%左右，參照抗壓強度對地層進行分類表（表1）。

根據施工地勘報告和樁基礎設計要求，得知工程樁所入巖層的抗壓強度。根據施工設備的最大加壓負載來選擇入巖鉆頭的結構形式。入巖鉆頭選擇截齒作為刀具，截齒與巖面的傾角一般在45°～65°之間，巖石越硬，傾角越大，截齒的數量越少，磨損速度越快，但在同等軸向加壓力的情況下，入巖深度深；截齒的數量越多，磨損速度越慢，但在同等軸向加壓力的情況下，入巖深度淺。鉆頭的結構形式多采用錐形體，根據自由面巖石破碎理論可知，隨著離自由面槽的距離增加，鉆頭侵入巖石所需的軸壓也逐漸增大如圖6所示。錐形入巖鉆頭的相鄰截齒同時侵入巖石時，則會互相為對方創造自由面，根據多年的施工實踐，錐形入巖鉆頭相鄰截齒的間距應小于12 cm。

錐形入巖鉆頭如圖7所示。

圖7 錐形入巖鉆頭

4 影響入巖鉆進的速度因素

4.1 巖石性質

巖石的抗壓強度的大小直接決定著鉆頭截齒入巖的難易程度。這就要求施工設備要有軸向加壓裝置。最大加壓負載滿足入巖的基本條件。

4.2 巖石破碎效果

一般評價巖石的破碎效果，常以破碎單位體積巖石所消耗的功來加以衡量。W=。式中：W-單位體積的破碎功；P-鉆機的功率；V-巖石的鉆進速度；D-鉆孔直徑；π-圓周率。單位體積的破碎功越小，則破碎巖石的效果越好。鉆機功率、鉆孔直徑和鉆進速度決定巖石的破碎功的大小，提高鉆機功率有利于降低巖石的破碎功，從而達到提高鉆進速度。

5 結束語

通過吉林柳河地區的現場施工實踐，基于巖石破碎理論和巖石性質，選擇合適的入巖鉆頭，采用帶加壓裝置的長螺旋設備，滿足了入巖樁基礎設計要求，大大降低了施工成本，提高了施工效率，得到用戶的高度評價。

參考文獻

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作者簡介

薛淑華（1964-），女，遼寧沈陽人，高級工程師，從事機械設計及制造工作。endprint