風(fēng)化砂巖地層長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)鉆孔可行性研究

甄宇航 朱景滟

(北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京 100141)

1 概述

大中型城市(超)高層建筑是趨勢(shì)。隨著樁基的發(fā)展，成樁設(shè)備越來(lái)越多。長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)具有效率高、設(shè)備成本低、成孔效率高等優(yōu)點(diǎn)而普遍采用。它有多種施工方法，趙鵬飛[1]研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)在軟質(zhì)地層有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，但在碎石土、軟質(zhì)巖石和風(fēng)化巖石中施工有一定的難度，應(yīng)在施工前通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定其適用性。郎需輝[2]研究出強(qiáng)風(fēng)化泥巖和強(qiáng)風(fēng)化礫巖中用長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)施工CFG樁進(jìn)行地基加固處理是安全可行的。阮小峰[3]研究出長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌泥漿護(hù)壁成孔施工工藝，在純粘性土層或孔底部有5 m以上的粘土層情況下是可用的，在鉆孔底部為粉性、砂性土層，則不成功(含水土層)。曾獻(xiàn)文[4]研究指出施工前的準(zhǔn)備工作很重要:檢查鉆機(jī)的水泥用量;拌合混凝土?xí)r對(duì)水或用水將碎石冷卻以降低混凝土的澆筑溫度;熱天澆筑混凝土?xí)r減少澆筑厚度,利用澆筑層面散熱;在混凝土中埋設(shè)水管，通入冷水降溫;規(guī)定合理的拆模時(shí)間,氣溫驟降時(shí)進(jìn)行表面保溫，以免混凝土表面發(fā)生急劇的溫度梯度;施工中長(zhǎng)期暴露的混凝土澆筑塊表面或薄壁結(jié)構(gòu)，在寒冷季節(jié)采取保溫措施。以上論文研究了長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)在粘性堅(jiān)硬地層，強(qiáng)風(fēng)化泥巖等地質(zhì)條件下的應(yīng)用，也為此次研究提供了研究思路和借鑒。

2 工程背景

工程地質(zhì)條件的好壞是對(duì)建筑地區(qū)，場(chǎng)址選擇，建筑總平面布置，以及主要建筑物地基基礎(chǔ)工程的設(shè)計(jì)與施工都有密切關(guān)系和影響，必須在工程建筑設(shè)計(jì)前將該地區(qū)的工程地質(zhì)條件預(yù)先查明。一般工程業(yè)主在與施工單位簽訂施工合同前，必須提供一份詳細(xì)的地勘報(bào)告，報(bào)告的內(nèi)容包括：地區(qū)氣候特點(diǎn)、地貌特征、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、水文資料、各巖層的性質(zhì)、抗壓強(qiáng)度及承載力，勘察鉆探資料描述等等，地勘報(bào)告的了解對(duì)設(shè)備的選型和施工工藝的制定非常重要。該工程為長(zhǎng)春某項(xiàng)目一期，勘察所揭露的地層上部為雜填土層、粘性土層，下部為風(fēng)化砂巖層。根據(jù)巖土的物理力學(xué)性質(zhì)分為如下4層：第①層雜填土：層厚0.40 m～8.50 m，一般厚度2.50 m。第②層粉質(zhì)粘土：層厚0.50 m～6.80 m，一般厚度1.60 m。第⑥層全風(fēng)化砂巖，層厚0.70 m～4.00 m，一般厚度2.40 m。第⑦層強(qiáng)風(fēng)化砂巖，揭露最大厚度7.50 m。

3 砂巖地層可鉆性研究

3.1 巖石抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

1)試驗(yàn)設(shè)備與方法。

該試驗(yàn)采用SZDH-100/20型數(shù)字式點(diǎn)荷載儀。試驗(yàn)方法為將具有一定尺寸和形狀系數(shù)的試件置于點(diǎn)荷載儀的上下2個(gè)加荷錐之間，通過(guò)機(jī)械裝置施加集中荷載直至試件破壞，然后根據(jù)試件的破壞荷載和加荷點(diǎn)間距，計(jì)算試件材料的強(qiáng)度指數(shù)。

2)制樣。

為快速、便捷本次試驗(yàn)采用不規(guī)則塊體，要求塊體尺寸如下：試件最短邊長(zhǎng)為3.0 cm；加荷點(diǎn)間距為3.0 cm～10 cm；不規(guī)則試塊從地層由上至下三個(gè)深度范圍內(nèi)各選取3個(gè)，共計(jì)9個(gè)。

3)試驗(yàn)結(jié)果與分析。

試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，根據(jù)點(diǎn)荷載試驗(yàn)的研究成果得出：淺部強(qiáng)風(fēng)化砂巖天然單軸抗壓強(qiáng)度平均值為1.67 MPa；中部強(qiáng)風(fēng)化砂巖天然單軸抗壓強(qiáng)度平均值為1.80 MPa；深部強(qiáng)風(fēng)化砂巖天然單軸抗壓強(qiáng)度平均值為3.22 MPa；依據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》判定此強(qiáng)風(fēng)化砂巖為極軟巖。

3.2 全巖礦物分析

1)試驗(yàn)設(shè)備與取樣。

本次試驗(yàn)使用便攜式X射線衍射儀，從地層由上至下三個(gè)深度范圍取典型巖樣3塊，均為紫紅色全風(fēng)化砂巖。具體如表1，圖1所示。

表1 點(diǎn)荷載試驗(yàn)強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)表

2)試驗(yàn)結(jié)果與分析。

通過(guò)全巖分析試驗(yàn)可以得出：本區(qū)域地層強(qiáng)風(fēng)化砂巖成分為石英、鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石和黏土礦物。淺部強(qiáng)風(fēng)化砂巖石英含量為5.3%，中部強(qiáng)風(fēng)化砂巖石英含量為35.2%，深部強(qiáng)風(fēng)化砂巖石英含量為55.1%，一般認(rèn)為巖石中石英含量對(duì)巖石磨蝕性影響較大，石英含量越高其巖石的磨蝕性越強(qiáng)，見表2。

表2 全巖分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

巖樣編號(hào)礦物種類和含量/%石英鉀長(zhǎng)石斜長(zhǎng)石方解石白云石黏土礦物15.316.242.9——35.6235.228.534.1——2.2355.118.912.6——13.4

3.3 巖石Cerchar磨蝕試驗(yàn)

1)試驗(yàn)設(shè)備及制樣。

此次巖石磨蝕試驗(yàn)設(shè)備采用巖石磨蝕伺服試驗(yàn)儀。Cerchar試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試樣為邊長(zhǎng)30 mm的立方體，由于原始樣品外形尺寸的限制，樣品加工只保證測(cè)試面平直，并與夾持面保持垂直，兩夾持面保持平行，測(cè)試面一個(gè)方向長(zhǎng)度大于30 mm。

2)試驗(yàn)結(jié)果與分析。

將4個(gè)角度測(cè)量的磨蝕值算術(shù)平均，為單次試驗(yàn)值，每個(gè)樣品表面在兩個(gè)方向上各試驗(yàn)1次，以0.1 mm為基本單位，將測(cè)量值轉(zhuǎn)換為巖石CAI磨蝕值，典型試驗(yàn)結(jié)果圖見圖2～圖4，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。通過(guò)CAI實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出：淺部強(qiáng)風(fēng)化砂巖CAI值在0.68～1.55，對(duì)鉆具磨蝕程度輕微～中等，中部強(qiáng)風(fēng)化砂巖CAI值在1.46～2.27，對(duì)鉆具磨蝕程度中等～很強(qiáng)，深部強(qiáng)風(fēng)化砂巖CAI值在3.13～4.29，對(duì)鉆具磨蝕程度很強(qiáng)～極強(qiáng)，因此本區(qū)域地層強(qiáng)風(fēng)化砂巖由淺至深對(duì)鉆具磨蝕作用逐漸加強(qiáng)，鉆進(jìn)過(guò)程中鉆具損耗會(huì)較為嚴(yán)重，在施工時(shí)應(yīng)采取有效方法進(jìn)行防治和處理。

4 齒尖磨損程度(質(zhì)量)數(shù)據(jù)表

為驗(yàn)證鉆頭實(shí)際磨損程度，進(jìn)行了齒尖磨損質(zhì)量分析，選取5個(gè)相同的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量都為3 790 g的齒尖于0 m～5 m深度范圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)定每個(gè)齒尖的磨損質(zhì)量以及留存質(zhì)量，接著分別在5 m～10 m，10 m～15 m深度范圍內(nèi)進(jìn)行相同的實(shí)驗(yàn)分析，記錄其數(shù)據(jù)。

表3 齒尖磨損程度統(tǒng)計(jì)表 g

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：從地層由上至下三個(gè)同等深度范圍內(nèi)，每5 m為一階段，各選取5個(gè)齒尖，共計(jì)15個(gè)進(jìn)行檢驗(yàn)以及數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)見表3，每組磨損質(zhì)量平均值依次為789.8 g，1 028 g，1 107.8 g，并根據(jù)平均值做折線統(tǒng)計(jì)圖，見圖5，經(jīng)分析，由淺至深對(duì)齒尖的磨損程度逐漸加強(qiáng)。其中，10 m～15 m的平均磨損質(zhì)量是0 m～5 m的1.4倍多，可見長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)在地層表面有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，但在地層深處施工有一定的難度。

5 結(jié)語(yǔ)

項(xiàng)目所在區(qū)域，為了研究風(fēng)化砂巖地層長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)鉆孔可行性，進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，以及長(zhǎng)螺旋樁機(jī)鉆具齒尖磨蝕程度分析。通過(guò)點(diǎn)荷載試驗(yàn)得出，由淺至深天然單軸抗壓強(qiáng)度逐漸增大，整體平均值為2.23 MPa，強(qiáng)風(fēng)化砂巖為極軟巖。通過(guò)全巖分析試驗(yàn)得出強(qiáng)風(fēng)化砂巖成分為石英、鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石和黏土礦物。通過(guò)Cerchar試驗(yàn)得出，淺部強(qiáng)風(fēng)化砂巖CAI均值在1.115，對(duì)長(zhǎng)螺旋樁機(jī)鉆具磨蝕程度在輕微～中等，中部強(qiáng)風(fēng)化砂巖CAI均值在1.865，對(duì)鉆具磨蝕程度中等～很強(qiáng)，深部強(qiáng)風(fēng)化砂巖CAI均值在3.71，對(duì)鉆具磨蝕程度很強(qiáng)～極強(qiáng)。通過(guò)鉆具齒尖磨蝕程度分析得出，隨著深度的增加，對(duì)齒尖的磨損程度也逐漸加強(qiáng)。因此該區(qū)域采用長(zhǎng)螺旋樁機(jī)鉆進(jìn)過(guò)程中鉆具損耗會(huì)較為嚴(yán)重，在施工時(shí)應(yīng)采取有效方法進(jìn)行防治和處理。