平底型组合牙轮钻对灌注桩承载力的提高

　　【摘要】钻孔灌注桩在基础工程中得到了广泛的使用。本文对平底型组合牙轮钻的有关技术参数及承载力计算进行了探讨。与传统的圆锥体钻头相比，平底型组合牙轮钻具有提高钻孔灌注桩承载力的优点，并结合常州地区的工程实例，进行了分析验证。
　　【关键字】钻孔灌注桩，圆锥体钻头，承载力，平底型组合牙轮钻
　　引言
　　近几年来，钢筋混凝土灌注桩作为一种常见的深基础形式，具有单桩承载力高、抗震性能良好、施工低噪音，无振动、钻孔时对土壤没有挤密作用等特点广泛使用，工程中普遍采用嵌岩桩，该桩钻进过程中遇到的最大难题就是缺乏高效低耗的器具。为解决这一技术难题，我们采用平底型组合牙轮钻头钻进的工艺方法，经过多个工程实践总结：平底型组合牙轮钻头不仅使嵌岩桩钻进高效而且能适当的提高钻孔灌注桩的承载力。
　　1钻孔灌注桩施工工艺及操作要点
　　1.1施工工艺流程图（见附图）
　　1.2操作要点
　　1.2.1钻进成孔：常采用正反循环钻进工艺，在钻进过程中，注意地层变化，对不同的土层，采用不同的钻速钻进。
　　1.2.2终孔的判定：满足图纸设计要求及桩端进入持力层深度。如为嵌岩桩，入岩判断方法主要根据设计桩长，返渣的岩样以及钻机钻入的速度来判别。进入强、中风化岩层时，不能直接用清水注入钻孔，应适当加大泥浆浓度，以确保能将磨碎的岩粒随浆排出孔外，如此不仅能保证通长钢筋的安放顺利，也减少了清孔排污量和清孔时间，而且也提高成孔质量。
　　1.2.3清孔：钻孔达到设计深度后，将钻具稍提升，常用泥浆置换法进行清孔或者泵吸反循环清孔。导管安放后采用导管法进行二次清孔，确保孔底沉碴满足规范要求。

　　图1工艺流程图
　　1.2.4钢筋笼的制作及吊装：控制钢筋笼安放标高，吊筋长度计算确定。
　　1.2.5浇筑混凝土：混凝土浇注必须在二次清孔结束后20分钟内进行。首灌量通过计算确定，保证导管一次埋入混凝土面以下1m以上。
　　2钻孔灌注桩钻进技术研究
　　钻孔混凝土灌注桩是在泥浆护壁下，利用旋转台盘带动底部装有钻头的钻杆旋转进行挖土钻进，所以，根据土层的地质情况选择合适的钻头是非常重要的。如果钻头选择不当，就可能无法顺利进行挖掘，从而影响工程的进度。
　　2.1圆锥体钻头工作机理及弊端
　　钻孔混凝土灌注桩使用的钻头有多种形式，其中最常用的是多瓣式钻头，适用于多种土质，如粉砂、粘土、砂和砂砾层。对于击数超过40以上的硬土层，因为一般钻头的刃口会打滑，故要采用三翼式钻头才有效。对于更硬的土层及特别坚硬的砂砾层，则需采用四翼式钻头才有效。这种四翼式钻头在刃尖部分为阶梯式圆筒形，即圆锥体钻头。钻进时先挖一个小圆孔，然后成阶梯形扩大，起导向作用，钻头摇动很小，孔壁不会扩大，因此可以顺利地进行钻进。但是，圆锥体钻头嵌岩钻进时机械损耗率高，孔底沉渣厚度高，桩端孔径缩小。尤其对于强风化、中风化含砾泥岩与砂岩层钻进效率较低，进尺非常缓慢，钻头磨损厉害，需及时补焊钻爪。
　　2.2平底型组合牙轮钻工作机理及优势
　　对于特别硬的粘土和砂砾层，选用组合牙轮钻头（即为滚轮式钻头）钻进优势较明显。这种钻头有20~200kN的压力加到钻头上，因而需要大功率的旋转台盘。
　　2.2.1牙轮钻头
　　牙轮钻头在油气钻井和大口径施工钻进中得到了广泛的应用，其中在油气钻井中用牙轮钻头完成的工作量占80%～90%左右。
　　○1.牙轮的自转与公转：牙轮钻头工作时，固定在牙轮上的牙齿随钻头一起绕钻头轴线顺时针旋转运动，称为公转，公转的速度就是钻机转盘的回转速度。牙轮上各排牙齿的公转速度是不同的，外排齿公转的线速度最大。牙齿绕牙轮轴逆时针旋转称为自转，自转转速与公转的转速及牙齿对孔底的作用有关。牙轮自转是破岩时牙齿与地层岩石之间相互作用的结果。
　　○2.钻头的纵向振动及对地层的冲击、压碎作用
　　钻进时，钻头上承受的钻压经牙齿作用在岩石上，除静载以外还有一冲击载荷，这是由牙轮的牙齿与孔底单齿、双齿交替接触造成的（图3）。单齿接触孔底时，牙轮的中心处于最高位置；双齿接触时牙轮的中心下降。牙轮在滚动过程中，牙轮中心的位置不断上下交替，使钻头沿轴向作上下往返运动，这就是钻头的纵向振动。实际钻进过程中，在此基础上还由于孔底不平叠加了振幅较大的低频振动。钻头在孔底的纵向振动，使钻杆柱不断压缩与伸张，这种周期性变化的弹性能通过牙齿转化为对地层的冲击作用以破碎岩石，与静载压入一起形成了钻头对地层的冲击、压碎作用，这种破岩方式是牙轮钻头的主要形式。
　　○3.牙齿对地层的剪切作用：牙轮钻头除对岩石产生冲击、压碎作用外，还对地层有剪切作用。剪切作用主要是通过牙轮在孔底滚动的同时还伴有牙齿对孔底的滑动来实现。
　　2.2.2平底型组合牙轮钻
　　平底型组合牙轮钻：钻头底部为平底式，各破岩刀具受力均匀，孔底排渣畅通，钻头径向跳动主要靠边刀和钻头上部扶正器承受，这种结构适合于反循环钻进中风化、强风化岩石及卵砾石地层。
　　组合牙轮钻头碎岩机理及钻压确定
　　钻头在轴压和扭矩作用下，牙轮除了公转和自转外，还有轴向纵振及牙轮滑动，由钻头纵振产生牙轮对岩石的冲击、压碎作用，是牙轮钻头破碎岩石的主要方式。由钻头的设计结构(牙掌移轴式布置)及地层摩擦阻力的影响，使牙轮产生滑动，起到剪切碎岩的作用。
　　从上述碎岩机理可以看出，牙轮钻进以冲击压碎为主。能否实现有效的冲击压碎，关键在于钻头上作用的有效钻压大小。
　　2.2.3灌注桩承载力提高机理
　　端承型钻孔灌注桩的桩顶竖向荷载主要由桩端阻力承受。随着桩端与地基（持力层）接触面积增大，桩端阻力也增大，最终提高桩体竖向承载力，正如扩展基础的应用原理。从此方面分析，我们可以认为平底型组合牙轮钻头相对于圆锥型钻头形成的桩端为扩底桩端。在持力层确定后，为了充分发挥混凝土抗压强度的优势，桩体的直径应适当增大，或者直接增加桩端底面积（即钻孔扩底桩），从而提高桩体的竖向抗压承载力。[!--empirenews.page--]
　　分析圆锥型钻头与平底型组合牙轮钻头桩端受力机理
　　易见，
　　D>D’：平底型组合牙轮钻头成桩桩端面积>圆锥体钻头成桩桩端面积。
　　h1>h1’：平底型组合牙轮钻头成桩沉渣厚度<圆锥体钻头成桩沉渣厚度。
　　锥体钻头桩端侧边摩擦力也提供部分桩端阻力。
　　单桩竖向承载力特征值估算：Ra=qpaAp+up∑qsiali
　　Ra—单桩竖向承载力特征值
　　qpa，qsia——桩端端阻力、桩侧阻力特征值，由当地静载荷试验结果统计分析算得。
　　Ap——桩底端横截面面积up——桩身周边长度
　　li——第i层岩土的厚度
　　当桩端嵌入完整及较完整的硬质岩中，可按下式估算：Ra=qpaAp
　　qpa——桩端岩石承载力特征值
　　所以，
　　平底型组合牙轮钻头成桩桩端面积Ap>圆锥体钻头成桩桩端面积Ap’
　　平底型组合牙轮钻头灌注桩承载力特征值提高。
　　
　　另外，从沉渣角度分析，牙轮钻头桩端沉渣厚度远远小于普通圆锥钻头，故钻孔灌注桩承载力特征值必然大于圆锥钻头成桩承载力。
　　3工程试验：常州新区某商务写字楼（一期）工程：该工程主体建筑7～20层办公商务楼各一幢，裙房2层，地下室一层，位于主楼、裙房及广场下，基础采用钻孔灌注桩，桩径为Φ800/Φ1000。试桩阶段桩径采用Φ1200。场地在钻探深度范围内所揭示的岩土层可分为7层：其中①层为素填土，②1~②1第四系全新统（Q4）长江冲积层，③层为第四系上更新统（Q3）下蜀组冲一洪积层，④1、④2、④3层为白垩系上统（K2）浦口组岩层。桩端持力层选取中等风化岩层，桩端进入持力层不小于1.5m。常州新区某商务写字楼中心(一期工程)单桩竖向抗压静载荷试验检测结果如下：

　　注：试桩阶段承压桩桩径Φ1200，钻进成孔采用圆锥体钻头。工程桩时承压桩桩径Φ1000，钻进成孔采用平底型组合牙轮钻头。根据设计要求终孔以贯入度或平底组合牙轮钻头每小时进尺低于2cm控制。故53＃、207＃、244＃嵌岩1.0m（此时进尺低于2cm/h）。
　　3根试桩Φ1200单桩竖向抗压极限承载力试验值均大于等于9500KN；满足设计要求。
　　6根工程桩Φ1000单桩竖向抗压极限承载力试验值均大于等于9500KN；满足设计要求。
　　易见，平底型组合牙轮钻头在灌注桩承载力提高方面的贡献。
　　4总结：通过在常州区多个工程的检验，组合牙轮钻头在钻岩成孔中速度提高30%，不仅缩短了工期，而且也减少了泥浆排放量，保护了环境。更重要的是对于灌注桩成孔质量以及单桩竖向承载力皆有一定提高。

《平底型组合牙轮钻对灌注桩承载力的提高》

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