程 萬 里

(北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037)

伴隨沖擊式鉆機(jī)的更新，鉆機(jī)起吊沖錘的能力也隨之提升，沖錘沖擊掘進(jìn)過程中其質(zhì)量的選擇范圍也更為寬泛。沖錘質(zhì)量主要由芯管和加重肋板的質(zhì)量來決定，在一定程度上大質(zhì)量的沖錘需要大直徑的芯管為其提供載體；通過選擇大直徑的加厚鑄鋼芯管，外繃焊加重鋼肋板，進(jìn)而獲得大質(zhì)量的沖錘。沖擊式鉆機(jī)依靠沖錘的上下往復(fù)運(yùn)動沖擊井孔底巖土體形成泥漿混合物排出井孔獲得進(jìn)尺，為了片面地追求快速掘進(jìn)而獲得更多經(jīng)濟(jì)利益，不少作業(yè)隊(duì)伍選用質(zhì)量過大的沖錘和喇叭頭過大的芯管。沖錘質(zhì)量的增加可在一定程度上提高沖錘的掘進(jìn)速度，但大質(zhì)量、大喇叭頭芯管的沖錘對井孔底巖土體施加的沖擊影響過大，破壞了井底孔壁的完整性甚至造成孔壁失穩(wěn)引發(fā)塌孔、埋鉆等事故。設(shè)計(jì)終孔深度以下的巖土體受到?jīng)_錘的沖擊作用，形成一定的塑性區(qū)范圍，表現(xiàn)為樁底虛土[1]。樁底沉渣及虛土對樁基承載力的削弱可通過灌注樁后壓漿技術(shù)得到加強(qiáng)[2-4]。

1 中空沖擊鉆頭

將下端帶有喇叭頭的高強(qiáng)度鑄鋼管作為芯管，在芯管外圍對稱地繃焊4～12根加重鋼肋板形成中空沖擊鉆頭的主體結(jié)構(gòu)。根據(jù)實(shí)際施工的樁孔徑和地質(zhì)情況，在加重鋼肋板上焊接高低交錯的加寬肋板以便翻漿護(hù)孔，并在加寬肋板外圍焊接弧形導(dǎo)正圈以保證孔壁的圓整[5](見圖1)。

圖1 中空沖擊鉆頭

1.1 喇叭頭沖擊刃

沖擊鉆機(jī)通過拐臂連接沖擊梁及前游輪帶動主鋼絲繩端固定的中空沖擊鉆頭上下往復(fù)地沖擊破碎井孔底巖土體獲得進(jìn)尺，同時兼顧了孔壁的穩(wěn)定。將井孔底巖土體的沖擊破碎分為孔底核心部位強(qiáng)力破碎和孔周保護(hù)性欲裂破碎的分部位破碎[6]。

中空沖擊鉆頭的喇叭頭在沖擊掘進(jìn)過程中起到的作用[1]：

(1) 通過喇叭頭的預(yù)先掘進(jìn)實(shí)現(xiàn)了井孔的分級鉆進(jìn)，在喇叭頭的沖擊作用下，井孔底核心區(qū)形成圓形的超前導(dǎo)坑。超前導(dǎo)坑對沖錘具有導(dǎo)向作用，保證沖錘的各個沖擊刃同時沖擊孔底，避免因沖錘的部分沖擊刃先接觸孔底造成沖錘過度搖擺，進(jìn)而保證沖擊能同時作用于孔底。

(2) 沖錘的沖擊能集中的作用在超前導(dǎo)坑下方的巖土體上，巨大的沖擊力使孔底超前導(dǎo)坑下方發(fā)生整體性破碎；由于超前導(dǎo)坑外圍巖土體的隔離保護(hù)，井孔壁土受到了擠壓密實(shí)。

(3) 喇叭頭的倒錐形內(nèi)腔對孔底巖土體具有聚擠作用，并對進(jìn)入其內(nèi)腔的塊石具有擠壓破碎作用，通過塊石間的相互擠壓，加快了塊石的破碎過程?？椎椎膸r土體塊、稠泥漿擠入喇叭頭內(nèi)腔的同時，芯管內(nèi)的稠泥漿則通過其頂口翻出，芯管外的新鮮泥漿下沉。

(4) 在提升沖錘時，加寬肋板和導(dǎo)正圈切削至芯管外圍的碎石土隨同喇叭頭的拖動一起離開孔底，與新鮮的泥漿混合。通過正循環(huán)排渣工藝不斷泵送新鮮泥漿至井孔底，并將攜帶鉆渣的稠泥漿返至地面沉渣坑。

1.2 加寬肋板和弧形導(dǎo)正圈

在掘進(jìn)不同孔徑的井孔前，根據(jù)孔徑大小在沖錘的加重肋板上對稱的焊接加寬肋板，肋板底焊接高強(qiáng)度耐磨損鋼材作為沖擊刃，切削破碎喇叭頭外圍孔壁范圍內(nèi)的巖土體。在掘進(jìn)黏土層時，為加快對井孔底黏土塊體的攪動、切削，避免粘鉆；加寬肋板個數(shù)不宜過多，環(huán)形擴(kuò)刀采用短弧形高低交錯布置。在掘進(jìn)硬層時，可通過增加加重肋板，進(jìn)而增加沖錘的質(zhì)量，加快破碎巖土體。

弧形導(dǎo)正圈的設(shè)置起到校正對中的作用，避免了沖錘在上下往復(fù)運(yùn)動過程中偏離井孔中軸線。通過環(huán)形擴(kuò)刀閉合肋板沖擊刃，共同切削裸露在孔中的巖土體，保證了樁孔的圓整[1]。

1.3 沖錘沖擊孔底巖土體的沖擊力

沖錘在井孔中的下落加速度受到巖粉漿的影響。Labiouse等通過落石沖擊試驗(yàn)，構(gòu)建出落石沖擊力計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式[7-10]。本文提出應(yīng)用于井孔中沖錘沖擊孔底巖土體的沖擊力計(jì)算公式。

(1)

式中：R為喇叭頭沖擊刃半徑,m;H為沖錘沖程,m；j為孔底沖錘下落加速度,m/s2；m為沖錘的質(zhì)量,t；E0為井孔底巖土體變形模量,kPa。

2 井孔底巖土體環(huán)形荷載受力模型

2.1 基本假設(shè)

(1) 喇叭頭沖擊刃對井孔底的靜壓力，滿足井孔中沖錘沖擊巖土體的沖擊力計(jì)算公式。

(2) 沖錘對井孔底的沖擊力，簡化為喇叭頭環(huán)形沖擊刃對孔底的均布靜荷載，不計(jì)加寬肋板和環(huán)形擴(kuò)刀的沖擊作用。

(4) 分析環(huán)形荷載作用下井孔底巖土體破壞范圍，屈服準(zhǔn)則滿足土力學(xué)中的莫爾-庫侖準(zhǔn)則。

2.2 模型建立

(1) 根據(jù)假設(shè)，環(huán)形荷載和井孔均屬軸對稱模型。因此，將巖土體的網(wǎng)格劃分由空間簡化為沿井孔軸線的半個豎直平面模型作計(jì)算分析[11]。運(yùn)用數(shù)學(xué)計(jì)算軟件——Mathe-matica的循環(huán)計(jì)算功能，計(jì)算出模型中每個網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的6個附加應(yīng)力。取井孔底范圍豎直平面-面yoz為計(jì)算平面，將面yoz劃分為m×m網(wǎng)格，如圖2 所示。

圖2 孔底范圍內(nèi)yoz平面網(wǎng)格劃分

井孔范圍內(nèi)的孔底巖土體還受孔內(nèi)泥漿的靜壓力，井孔以外范圍的巖土體計(jì)算點(diǎn)受上覆蓋層的地層靜壓力：

① 計(jì)算點(diǎn)(x0,0,z)在井孔范圍內(nèi)，即x0h時有：

(3)

② 計(jì)算點(diǎn)(x0,0,z)在井孔范圍外，即x0>D/2有：

(4)

式中：γm為泥漿重度；γ為土體重度；K0為巖土體的側(cè)壓力系數(shù)，K0=1-sinφ。

根據(jù)剪應(yīng)力互等定理得：τxy=τyz、τyz=τzy、τzx=τxz。井孔底周圍的巖土體計(jì)算點(diǎn)的全部應(yīng)力狀態(tài)可用矩陣表示為：

(5)

即為中空沖擊鉆頭環(huán)形荷載作用下孔底巖土體受力模型計(jì)算式。

2.3 孔底破壞范圍

式中：φ為井底巖土體的內(nèi)摩擦角；c為井底巖土體的黏聚力。

(1) 若w>0，說明該網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的巖土體已破壞。

(2) 若w=0，說明該網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)在切點(diǎn)所代表的平面上剪應(yīng)力恰好等于巖土體的抗剪強(qiáng)度，該點(diǎn)處于極限平衡狀態(tài)。

(3) 若w<0，說明該網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)在任何平面上的剪應(yīng)力均小于巖土體所能發(fā)揮的抗剪強(qiáng)度，該點(diǎn)未破壞。

根據(jù)在喇叭頭沖擊刃的環(huán)形荷載作用下井孔底范圍各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的巖土體破壞值的大小，分析井孔底巖土體的破壞范圍及破壞程度；據(jù)此得出孔底巖土體的塑性區(qū)邊界。

3 典型地層中沖錘的選擇

3.1 黏土層

黏土層的典型特征是土體的內(nèi)摩擦角、變形模量均較小，抗壓強(qiáng)度也較低，但黏土層的黏性大，表現(xiàn)為泊松比和黏聚力數(shù)值都較高。沖擊鉆機(jī)在黏土層中掘進(jìn)配合撈渣捅排渣時，往往因孔底泥漿過稠不能及時置換新鮮漿液，出現(xiàn)粘鉆造成沖錘下落加速度過小而中斷掘進(jìn)，需待吊出沖錘、下放撈渣捅撈渣后再次掘進(jìn)。若配備正循環(huán)法不間斷地泵送新鮮泥漿至孔底將黏土塊及稠泥漿翻出井底循環(huán)至地表沉渣池的排渣工藝，將大大加快掘進(jìn)速度。黏土層的物理力學(xué)參數(shù)[12-15]見表1。

表1 黏土層物理力學(xué)參數(shù)

將表1中黏土層的物理力學(xué)參數(shù)代入沖擊力計(jì)算公式、孔底巖土體受力模型計(jì)算式，數(shù)值擬合出孔底巖土體的塑性區(qū)邊界。根據(jù)擬定的樁孔直徑、沖錘質(zhì)量、喇叭頭外徑，分別擬合出黏土層中不同孔徑的井孔底合理的塑性區(qū)范圍(見圖3)；為黏土層中不同孔徑掘進(jìn)的沖錘選型提供配置參數(shù)(見表2)。

圖3 直徑為0.8 m、1.0 m、1.2 m的井孔底

擬合出的合理塑性區(qū)范圍：樁孔半徑為0.4 m時，塑性區(qū)寬度為0.48 m，深度為0.5 m；樁孔半徑為0.5 m時，塑性區(qū)寬度為0.58 m，深度為0.7 m；樁孔半徑為0.6 m時，塑性區(qū)寬度為0.68 m，深度為0.8 m。

表2 不同孔徑的黏土層中沖錘參數(shù)

黏土層井孔底的塑性區(qū)邊界近似地呈喇叭頭沖擊刃平面(井孔深20 m的平面)上下對稱、沿樁軸線對稱分布的封閉空間。沖擊刃半徑的增加，對擴(kuò)大塑性區(qū)寬度影響顯著，對塑性區(qū)高度的影響不是很明顯。受拉應(yīng)力的作用，沖擊刃平面上方巖土體的塑性區(qū)高度比下方巖土體的略大。

3.2 砂卵石層

砂卵石層的典型特征是其內(nèi)摩擦角、變形模量較黏土層均有所增加，砂卵石層較為堅(jiān)硬，但易受地下水的影響或是受擾動后其黏聚力很低。沖錘在砂卵石層中掘進(jìn)時，首先要保證井孔壁的穩(wěn)定；為了有效地破碎堅(jiān)硬的卵石，考慮適當(dāng)增加沖錘質(zhì)量。砂卵石層的物理力學(xué)參數(shù)[12-15]見表3。

表3 砂卵石層物理力學(xué)參數(shù)

擬合出的砂卵石層中不同孔徑井孔底合理的塑性區(qū)邊界見圖4。砂卵石層中沖錘選型的配置參數(shù)見表4。

圖4 直徑為0.8 m、1.0 m、1.2 m的井孔底

擬合出的合理塑性區(qū)范圍：樁孔半徑為0.4 m時，塑性區(qū)寬度為0.46 m，深度為1.8 m；樁孔半徑為0.5 m時，塑性區(qū)寬度為0.56 m，深度為1.7 m；樁孔半徑為0.6 m時，塑性區(qū)寬度為0.66 m，深度為1.9 m。

表4 不同孔徑的砂卵石層中沖錘參數(shù)

砂卵石層井孔底的黏聚力很低，巖土體受拉應(yīng)力作用影響的塑性區(qū)更為顯著。喇叭頭沖擊刃平面上方的塑性區(qū)邊界相比下方的較寬、較高，喇叭頭范圍上方的塑性區(qū)呈開放性區(qū)域，下方的塑性區(qū)深度較黏土層要大很多。井孔底巖土體塑性區(qū)呈“竹節(jié)腫脹狀”，“竹節(jié)”半徑同沖擊刃半徑；沖擊刃半徑的增加對“腫脹”范圍的擴(kuò)大影響顯著，對“竹節(jié)”深度變化影響不明顯。

為保證孔壁的穩(wěn)定，沖錘在砂卵石層掘進(jìn)時喇叭頭半徑相比黏土層時要??；為更有效的破碎欲裂剝落至井孔底的堅(jiān)硬卵石，需增加沖錘的質(zhì)量及肋板沖擊刃數(shù)量；選用結(jié)構(gòu)緊湊的沖錘，以保證其堅(jiān)固耐用；同時需配置大比重、高質(zhì)量的泥漿采用正循環(huán)法及時地將破碎后地砂礫、碎石排出井孔，避免沖錘重復(fù)破碎成石粉再排出。

3.3 巖層

巖層通常作為支護(hù)樁的嵌固層、樁基礎(chǔ)的持力層，其典型特征是抗壓強(qiáng)度高、變形模量大。井孔底巖土體對沖錘反作用力大，具有硬碰硬的相互作用，沖錘的掘進(jìn)速率低。Ⅴ級軟巖層物理力學(xué)參數(shù)[12-15]見表5。

表5 Ⅴ級軟巖層物理力學(xué)參數(shù)

擬合出的巖層中不同孔徑井孔底合理的塑性區(qū)邊界見圖5。巖層中沖錘選型的配置參數(shù)見表6。

圖5 直徑為0.8 m、1.0 m、1.2 m的井孔底

擬合出的合理塑性區(qū)范圍：樁孔半徑為0.4 m時，塑性區(qū)寬度為0.48 m，深度為0.3 m；樁孔半徑為0.5 m時，塑性區(qū)寬度為0.58 m，深度為0.4 m；樁孔半徑為0.6 m時，塑性區(qū)寬度為0.66 m，深度為0.5 m。

表6 不同孔徑的Ⅴ級巖層中沖錘參數(shù)

Ⅴ級軟巖層井孔底的塑性區(qū)邊界近似地呈喇叭頭沖擊刃平面上下幾乎對稱、沿樁軸線對稱分布的封閉空間。沖擊刃半徑的增加，對擴(kuò)大塑性區(qū)寬度影響顯著，對塑性區(qū)高度增加略有影響。巖層黏聚力大，削弱了喇叭頭沖擊刃的環(huán)形荷載對井孔底巖層的影響力度，遠(yuǎn)離荷載的井孔底核心處巖體的塑性區(qū)深度變淺。

為提高巖層井孔中沖錘的掘進(jìn)速率，在喇叭頭外徑滿足井孔上覆其他地層安全掘進(jìn)的前提下，盡可能地增加沖錘質(zhì)量，增加沖錘對巖層的沖擊作用；沖擊刃選用高強(qiáng)度耐磨鋼、并鋸齒狀高強(qiáng)焊接，對井孔底巖層形成大的欲裂沖擊力，同時對巖塊進(jìn)行小范圍的侵入式擠壓破碎；控制沖擊式鉆機(jī)的懸距，確保沖錘高能的沖擊巖層；采用正循環(huán)法及時地將井孔底的碎石排出井孔。

4 結(jié) 論

本文基于Mindlin課題基本解通過積分建立環(huán)形荷載作用下孔底巖土體力學(xué)模型；根據(jù)莫爾-庫侖準(zhǔn)則及數(shù)學(xué)軟件分析、計(jì)算得出孔底范圍巖土體的塑性區(qū)邊界。根據(jù)孔底不同巖土體理想的塑性區(qū)邊界分析得出合理的沖錘質(zhì)量及喇叭頭外徑。

(1) 喇叭頭沖擊刃直徑的增加可有效的擴(kuò)大井孔底巖土體的塑性區(qū)寬度，井孔底的塑性區(qū)深度略有增加。

(2) 合理的喇叭頭半徑配置質(zhì)量較小的沖錘可對以黏土層為主的孔底土體形成較理想的塑性區(qū)范圍。

(3) 掘進(jìn)砂卵石層的合理喇叭頭半徑較掘進(jìn)黏土層的??；增加沖錘配重利于破碎孔底的巖塊(卵石)，而對孔周的塑性區(qū)寬度影響較小。

(4) 在掘進(jìn)巖層時須配置質(zhì)量大的沖錘，喇叭頭須焊接高強(qiáng)度耐磨鋼作為沖擊刃承受巨大荷載；孔底軸線處塑性區(qū)深度較外圍淺，在喇叭頭內(nèi)腔增設(shè)一字型橫梁沖擊刃加強(qiáng)軸線處巖體破碎。

(5) 進(jìn)一步計(jì)算分析可得：當(dāng)井孔深較淺時，沖錘的沖擊力作用使井孔口附近的巖土體均處于塑性區(qū)范圍，從孔底沖錘的沖擊掘進(jìn)受力角度闡明孔口埋設(shè)護(hù)筒的必要性。隨著井孔深度的增加，相同的環(huán)形荷載對井孔底巖土體形成的塑性區(qū)范圍逐漸變小，沖錘的掘進(jìn)速率變低，變厚的上覆蓋層增加了對井孔底巖土體約束的緣故。

(6) 在終孔環(huán)節(jié)通過減小沖錘行程、增加漿液密度、調(diào)整沖錘懸距等措施減小沖錘沖擊力，減小對樁孔底巖土體的擾動范圍，減少樁底虛土。