地下深厚漂卵石層沖擊鉆成樁技術研究

郝興江

（中國安能集團第一工程局有限公司，廣西 南寧 530000）

0 引言

伍須海—上團鄉—孟底溝通鄉公路大修工程Ⅱ標陡坡段改線工程中的楊家坪2#橋樁基礎全部位于漂卵石地質中，通過相似案例及試樁發現，利用沖擊鉆在此類地質中進行樁基施工易出現成孔效率低、卡鉆、塌孔、成孔質量差的問題。因此為探究在此類地質條件下沖擊鉆成樁效率的提升技術，采用Midas civil有限元軟件建模分析沖擊鉆沖錘對成樁效率及沖擊塑性區半徑的影響，以確定出最佳的沖擊鉆機械參數及泥漿調整方法。

1 工程概況

伍須海—上團鄉—孟底溝通鄉公路大修工程Ⅱ標陡坡段改線工程中，楊家坪2#橋全長127m，為6×20小箱梁橋，其斜跨孟底溝，橋梁下部結構為單樁單柱形式，樁徑1.7m。研究分析選擇的樁基施工區域位于溝谷正中，主要地質為沖洪積漂卵石土，結構中密～密實，承載力約0.4～0.5MPa，地質層厚約30m，橋梁樁長17m，全部位于此地層中。

2 沖擊鉆沖錘形式對成樁效率的影響

2.1 沖擊成樁效率分析

橋梁沖擊成孔灌注樁成孔原理為：借助卷揚機架牽引鋼絲繩懸吊大質量沖錘，利用卷揚機揚升與下落沖錘，使其對地基巖體形成上下反復的沖擊，地基巖體在沖擊作用下發生塑性破壞，破碎巖體被嵌擠進入樁端樁側巖體中。由此可知，其成樁效率主要受巖體的塑性破壞程度、破碎速度及破碎巖體的嵌擠速度制約。

地基巖體破碎效率與承受的沖擊荷載的關系曲線如圖1所示，大致可將關系曲線分為3個節段：Ⅰ區-基巖表層破壞：基巖所受沖擊載荷較小，荷載作用處于基巖承載能力之下，僅會在巖石表層接觸面留下沖擊痕跡，難以使基巖內部結構產生塑性破壞而發生破碎；Ⅱ區-基巖破碎發展：荷載的增加會造成基巖出現貫穿裂紋或裂縫，仍無法使基巖破壞；Ⅲ區-基巖體積破碎：沖擊荷載增加至超過基巖承載能力，發生塑性破壞使基巖開始大規模破碎，此時基巖破碎速度和程度都得到大幅度提升[1]。

圖1 破碎效率與沖擊荷載的關系

2.2 沖錘改良優化

傳統的十字沖擊錘在成樁質量及成樁效率方面都有待提升，在樁基施工過程中，傳統十字沖擊錘容易出現卡鉆、沖孔傾斜、成孔孔型不佳、成孔緩慢的問題。因此針對傳統十字沖擊鉆錘頭增設錘頭弧形導正圈、錘頭齒、錘頭擋板進行改良。其中：錘頭弧形導正圈可確保成樁孔型，避免在錘頭各分支間隙部分存在有異物突出進入樁身；錘頭齒用于錘頭下落擊碎大粒徑卵石或基巖，增大破碎程度，減小碎巖粒徑，防止沖擊鉆將其擠壓進入樁身附近土體時造成卡鉆；錘頭擋板：錘頭下落過程中避免有基巖或卵石掉落在錘頭各分支間隙之間造成卡鉆，改良沖錘結構示意如圖2所示。

圖2 優化改良沖錘示意

3 受沖地基土有限元模型分析

3.1 有限元模型分析基本假定

（1）沖擊動力作用轉化為鉆孔沖擊鉆沖錘在沖擊接觸瞬間的靜力作用，研究這一時刻沖擊力對孔底巖體的沖擊作用；

（2）鉆孔沖擊鉆沖錘對樁身巖體的沖擊作用滿足沖擊力計算公式，沖擊力簡化為沖擊錘作用面下的靜力均布荷載；

（3）均布靜壓力荷載作用下樁身巖體破壞滿足摩爾-庫倫準則[2]。

3.2 沖擊力模擬分析

為確定沖擊力的主要影響因素，根據動量公式（1）、牛頓第二定律公式（2）及物體自由落體運動相關公式（3）、（4）進行分析討論：

聯立式（1）～（4）可知，沖錘某一時刻動量的大小主要受到其質量及當前速度的影響，當在外力F作用下，沖錘下落速度由v1變為v2時，其動量P也相應發生變化。且沖錘的下落可近似看作是初速度v0為0m/s的自由落體運動，加速度a基本保持不變，速度v變化大小主要受物體自由落體高度H影響。因此可得出式（5），沖擊力主要受沖錘質量m及下落高度H影響的理論關系如下[3]：

根據上述分析內容確定在對沖擊力的模擬分析中，主要探討沖錘重量Q和沖程H對沖擊力F的影響，但為結合施工實際環境，輔助研究泥漿浮力對沖擊力的削弱作用。根據Labiouse等通過落石沖擊試驗建立的落石沖擊力計算的經驗公式（6）設置兩種不同工況進行沖擊荷載計算：

沖擊力計算公式（6）中ME為地基巖體的變形模量，是一種在部分側限條件下通過載荷試驗得出并計算其應力增量與相應的應變增量比值的壓縮性指標[4]，針對漂卵石地質ME取值5.5×103kPa。計算得出兩種工況條件下沖擊力荷載情況如表1所示。

表1 沖擊工況設置

3.3 泥漿置換

經沖擊力計算得出，泥漿浮力對于沖錘下落沖擊力的削減作用相對較微小，在實際施工過程中，不用強求通過減小泥漿比重來削弱泥漿浮力對沖擊力的抵抗作用，且對于濕孔成樁而言，還是應主要考慮泥漿護壁的形成質量，因此當地質情況發生變化時，采用漿液置換法進行泥漿比重的調整，利用小比重泥漿逐漸置換大比重泥漿，達到調整泥漿性能的目的，小比重泥漿注入量可按式（7）進行計算：

式中：

Vx——泥漿注入量；

V1——當前泥漿體積；

g2——原泥漿比重；

g3——注入泥漿比重；

g4——目標泥漿比重。

3.4 沖錘對成樁效率的影響分析

地基巖體沉降及應力擴散云圖見圖3所示。由圖3可知，不同沖擊荷載作用瞬間在地基巖體中產生的沉降及應力變化規律基本一致：在荷載作用區中心豎向沉降及應力最大，在樁身水平面上向外擴散且逐漸減弱，樁長方向因地基巖體承載力的發揮，豎向沉降及應力逐漸減小。

圖3 地基巖體沉降及應力擴散云圖

不同工況下，地基巖體沉降及應力反應在反應強度、擴散范圍上表現出較大的區別，對比圖3（a）、（c）可知：兩種工況均在荷載作用區中心處產生最大豎向沉降，并沿樁身水平及垂直方向逐漸減小并擴散，但工況1產生的最大豎向變形為33.35mm，工況2產生的最大豎向變形為50.10mm，且在樁身水平面同一位置處的豎向沉降也相應增大，使沖擊鉆一次沖擊進尺效率提高了50.2%。

為提高成樁效率則需要加快巖體塑性破壞的速度及程度，對比圖3（b）、（d）可知：隨沖擊荷載增大，樁身同一水平面位置處的應力值也相應增大，由前文可知地基巖體的承載力在0.4～0.5MPa之間，而工況1條件下，沖擊接觸面產生的最小應力值為0.61MPa。工況2條件下，沖擊接觸面產生的最小應力值為0.73MPa，并向樁長方向擴散，力值均超過了地基巖體的承載能力，使巖體發生塑性破壞。

結合圖3（d）工況2中應力云圖分析各層地基巖體在沖擊荷載作用下產生的應力值大于0.5MPa的區域半徑如表2所示。

表2 基巖塑性區半徑變化

根據表2中基巖塑性區半徑變化數據分析得出如圖4所示的兩種不同工況下的塑性區半徑在地基巖體中的變化規律[5]：塑性區半徑大致呈先增大后減小的趨勢，且在沖擊力作用面下0.2～1m范圍內塑性區半徑最大，巖體塑性破壞范圍最大，表明在這個區域中巖體更容易被破碎嵌擠出樁徑以外，沖擊成樁效果最佳，后隨著沖擊荷載在基巖中的消散，塑性破壞區域逐漸減小，沖擊成樁效果也逐漸減弱。工況2因沖擊荷載的增強，塑性區范圍大于工況1，但兩種工況的基本變化規律一致，這說明增大沖擊荷載作用，有利于基巖的塑性破壞，可提高進尺效率。

圖4 基巖塑性區半徑隨深度變化規律

綜上所述，沖擊荷載的增加加快了地基巖體塑性破壞的速度，提高了巖體破碎程度，有利于提高成樁效率，降低大粒徑破碎巖體卡鉆的風險。但因沖擊荷載的上升也會增大對樁身周圍天然巖體的擾動程度及擾動范圍，從而影響樁身的樁側摩阻力，削弱樁端承載力，因此對于橋梁樁基施工而言，應因地制宜選擇合適的工況進行沖擊鉆孔樁施工。

4 結束語

利用Midas civil進行有限元建模分析，將優化改良后的沖擊錘設置為兩種不同工況的沖錘沖擊荷載作用，根據有限元分析結果對比分析地基巖體的沉降及應力變化，最終得到以下結論：

（1）沖擊鉆沖錘形式的優化可以通過提升基巖的破碎程度及范圍加快沖擊成樁效率，提升成樁質量。

（2）經兩種工況沖擊荷載有限元對比分析可知，增大沖錘重量及沖擊鉆沖程可提升沖擊鉆成樁效率，沖擊成樁進尺效率可提高50.2%左右；沖擊荷載作用下，基巖塑性區半徑呈現先增大后減小的趨勢，且沖擊荷載作用面下0.2～1m范圍內的塑性破壞區域最廣，成樁效率及質量最高。