大直径嵌岩斜桩冲击成孔速度的影响因素分析

2021-02-02胡培强王志明周伏萍谭松成尧在雨段隆臣

钻探工程 2021年2期

胡培强，王志明，周伏萍，谭松成*，尧在雨，段隆臣

（1.江西省地质工程（集团）公司，江西南昌330029；2.中国地质大学（武汉）工程学院，湖北武汉 430074）

0 引言

近年来，工程建设逐渐向外海、深水区域发展，跨海、跨江大桥也朝着大型化迈进，而桩基础因具有承载力强、穿透土层性能好、施工效率高等诸多优点，被普遍应用于跨海（河）桥梁工程、港口工程，以及海上作业平台等工程中［1-3］。其中，嵌岩斜桩可以通过轴向受压和受拉来承受部分水平载荷，而不是像直桩一样仅能通过受剪和受弯来承载，因此相比同尺寸与埋深的直桩而言具有更大的刚度和承载能力［4-7］。在需要承受波浪、大风等较高水平载荷的建（构）筑物（如桥梁码头、大型运动场馆、输电线塔架基础等）施工中，大直径嵌岩斜桩已经得到了广泛的应用与推广［8-12］。

国内外学者针对大直径嵌岩斜桩的设计理论、室内模型试验和承载特性等方面已经开展了大量的理论与实践研究，然而跟施工技术有关的研究仍以结合具体施工案例进行经验总结为主。目前，大直径嵌岩斜桩主要采用冲击成孔钻进施工，然而该方式的成孔效率相较于其他施工方法仍存在较大差距［13-16］。基于此，本文针对大直径嵌岩斜桩的冲击成孔过程进行研究，从而为改进冲击成孔工艺和提高成孔效率提供理论依据。

1 大直径嵌岩斜桩成孔难点分析

大直径嵌岩斜桩对施工设备、施工工艺的要求比较高，技术风险较大。在该类桩型的应用初期阶段，其常用的施工工艺为传统钻孔灌注成孔法，或带有导向装置的改型回转钻机钻进成孔［17-21］。然而，采用传统的钻孔灌注桩施工技术进行大直径嵌岩斜桩施工时，存在诸如设备繁琐笨重、造价高、成孔速度慢、钻头损耗大，以及钻进事故多发等问题，难以满足项目高工效、低成本的综合要求。同时，大直径嵌岩斜桩施工，尤其是在河流或海港码头上进行施工时，其施工平台往往是简易搭设的钢平台，此时普通回转钻机难以倾斜安装，造成斜桩成孔困难大；若采用可调节大角度成孔的旋挖钻机施工，则受旋挖钻机自重太大的影响，普通钢结构平台难以满足施工要求；而选择采用冲击钻机配合普通的十字冲击钻头成孔，则钻头频繁上下运动容易挂到钢护筒底口，且冲击钻进效率低。

生产实践表明，为解决上述大直径嵌岩斜桩施工难题，采用冲击钻机配合圆筒形冲锤钻进成孔是一种较优的解决方案，且其成孔效率与桩径、斜率、入岩深度、基岩强度等因素密切相关，而冲锤的单次冲击破岩效率则主要由冲击工艺参数和冲锤的结构特征决定。为此，需要对冲锤在单次下行（冲击）运动中的受力状态进行理论分析，从而为冲击工艺和冲锤结构优化提供理论依据。

2 冲锤轴向运动分析

嵌岩斜桩冲击钻进成孔过程中，冲锤的受力示意图如图1 所示。因冲击成孔过程中孔内灌满了泥浆，且泥浆的液面高度大于地下水位线，因此冲锤整个行程都位于液面以下，全程受到浮力的作用。

图1 冲锤下落受力示意Fig.1 Forced state of hammer during its dropping process

如图1 所示，对冲锤的受力沿平行于成孔方向和垂直于成孔方向进行分解，可得受力方程组如式（1）所示：

式中：m——冲锤质量，kg；g——重力加速度，9.81 m/s2；ad——不考虑泥浆阻力时，冲锤下落的加速度，m/s2；Fb——孔内液体对冲锤的浮力，N；Fs——钢护筒对冲锤的支撑力，N；θ——斜孔与竖直方向的夹角，（°）；f——钢护筒对冲锤的摩擦阻力，N；μ——钢护筒与冲锤之间的摩擦系数；ρl——孔内液体的密度，kg/m3；V——冲锤体积，m3。

由式（1）可得冲锤下落时的加速度表达式（2）：

设冲锤的冲击行程为h，则冲锤的下落时间td和冲锤落底时的冲击速度vd分别如式（3）、（4）所示：

根据能量守恒原理，则冲锤对孔底岩石的单次冲击功W1如式（5）所示：

设岩石的单位体积破碎功为W0，则：

式中：n1——单位时间内的冲击次数，次/min；Vr——单位时间内（每小时）的破岩体积，Vr=——冲锤的外径，m；vp——冲锤成孔速度，m/h；

单位时间内的冲击次数与单次的冲程密切相关，可对现场冲击结果进行回归分析，建立两者之间的对应关系。根据现场实践的经验公式［20］可知：

式中：n1——冲锤的冲击频率，次/min。

则嵌岩斜桩的冲击成孔效率vp可表示为：

由式（7）可知，冲锤的破岩效率与钻头的质量和冲程呈正比，与桩孔直径、地层的破岩比功和桩孔的倾角呈反比。

根据在温州港状元岙港区化工码头的实践经验可知，在桩孔斜度1/6、桩径1400 mm 时，采用特定结构的筒状冲击钻头在中风化花岗斑岩中进行施工时，其冲锤质量m为8 t，冲程h为1.0 m，成孔速度为0.1～0.3 m/h［17］。其他相关参数包括桩孔内泥浆密度为1.4 g/cm3，筒状钻头的钢材密度为7.85 g/cm3，筒状钻头与钢护筒之间的摩擦系数为0.075。根据式（5）和（6），可得该工程场地的基岩单位体积破岩比功约为3.48×108J/m3。

值得说明的是，本文所采用的基岩单位体积破岩比功计算模型除了与基岩物理力学性能有关之外，还与冲击钻头的结构密切相关。因此，即使在基岩类型相同时，由于冲击钻头结构和冲击工艺不同，其破岩比功会在一定范围内发生变化。

3 成孔效率影响因素分析

3.1 单因素分析

以上述计算结果为例，在桩径1400 mm、单位体积破岩比功为3.48×108J/m3时，采用单因素的方式分析冲锤质量、冲程高度、桩孔斜度，冲锤与钢护筒的摩擦系数对大直径嵌岩斜桩成孔速度的影响，结果如图2 所示。

由图2 可知，在单因素作用下，冲锤质量（6～15 t）和冲锤与钢护筒之间的摩擦系数（0.05～0.15）对冲击成孔效率的影响呈线性关系（见图2a、c），而冲击行程（0.6～1.5 m）和桩孔斜度（0～1）对冲击成孔速度的影响呈非线性关系（见图2b、d）。在上述变量范围内，随着冲锤质量和冲击行程的增加，冲击成孔速度分别提高了150%和77.59%；随着摩擦系数和桩孔斜度的增加，冲击成孔速度分别降低了1.68%和34.59%，其中当桩孔斜度由0 增加到1/3时，成孔速度降低了7.50%。

对比可知，单因素条件下，冲锤质量、冲击行程、桩孔斜度，以及冲锤与钢护筒间的摩擦系数对大直径嵌岩斜桩的成孔速度影响依次降低，其中冲锤质量和冲击行程的影响非常显著，而摩擦系数的影响非常低。分析认为，冲锤质量和冲击行程直接影响冲锤的势能，但因冲程增大会相应降低冲锤的冲击频率，因此其对冲击成孔速度的影响显著性会逐渐降低。

3.2 双因素关联分析

为研究上述4 个因素在双因素协同作用下对大直径嵌岩斜桩成孔速度的影响，依据式（7）中的理论模型，采用MATLAB 对其进行数据分析，获得不同因素耦合条件下对大直径嵌岩斜桩成孔速度的影响如图3 所示。为便于分析桩孔斜度和其他因素的耦合作用对成孔速度的影响，采用桩孔斜角的方式进行表述。桩孔斜角即为斜度的反正切函数角，其中桩孔斜角为 5°、10°和 15°时，对应的桩孔斜度分别约为 1/11.43，1/5.67 和 1/3.73。

图2 各单因素对嵌岩斜桩冲击成孔效率的影响Fig.2 Influences of single factors on the ROP of rock‑socketed inclined pile by percussion drilling

由图3（a）可知，冲锤质量和冲击行程对嵌岩斜桩成孔速度的影响较为相似，且二者的协同作用效果明显，具体表现为当冲锤质量和（或）冲击行程太小时，成孔速度也会受到极大的限制；随着冲锤质量和冲击行程的增大，成孔速度显著提高。图3（b）和（c）则再次表明，在桩孔斜角为 0°～15°范围之内的嵌岩斜桩冲击成孔施工中，冲击行程和冲锤质量对成孔速度的影响均会大于桩孔斜角的影响。随着冲击行程的增大，成孔速度会相应增加，但其影响的显著性会逐渐降低，且冲击行程的影响效果会随着桩孔斜角的增大有略微减小的趋势。图3（d）表明，在嵌岩斜桩的桩孔斜角为0°～15°之间时，摩擦系数在0～0.15 之间进行变化时对冲击成孔效率的影响非常小。因此，冲击成孔施工时，孔内液体介质需要实现的主要功能是满足悬浮岩屑和保持孔壁稳定的作用，而液体的润滑性能可以不作具体要求。