地下深厚漂卵石层冲击钻成桩技术研究

郝兴江

（中国安能集团第一工程局有限公司，广西 南宁 530000）

0 引言

伍须海—上团乡—孟底沟通乡公路大修工程Ⅱ标陡坡段改线工程中的杨家坪2#桥桩基础全部位于漂卵石地质中，通过相似案例及试桩发现，利用冲击钻在此类地质中进行桩基施工易出现成孔效率低、卡钻、塌孔、成孔质量差的问题。因此为探究在此类地质条件下冲击钻成桩效率的提升技术，采用Midas civil有限元软件建模分析冲击钻冲锤对成桩效率及冲击塑性区半径的影响，以确定出最佳的冲击钻机械参数及泥浆调整方法。

1 工程概况

伍须海—上团乡—孟底沟通乡公路大修工程Ⅱ标陡坡段改线工程中，杨家坪2#桥全长127m，为6×20小箱梁桥，其斜跨孟底沟，桥梁下部结构为单桩单柱形式，桩径1.7m。研究分析选择的桩基施工区域位于沟谷正中，主要地质为冲洪积漂卵石土，结构中密～密实，承载力约0.4～0.5MPa，地质层厚约30m，桥梁桩长17m，全部位于此地层中。

2 冲击钻冲锤形式对成桩效率的影响

2.1 冲击成桩效率分析

桥梁冲击成孔灌注桩成孔原理为：借助卷扬机架牵引钢丝绳悬吊大质量冲锤，利用卷扬机扬升与下落冲锤，使其对地基岩体形成上下反复的冲击，地基岩体在冲击作用下发生塑性破坏，破碎岩体被嵌挤进入桩端桩侧岩体中。由此可知，其成桩效率主要受岩体的塑性破坏程度、破碎速度及破碎岩体的嵌挤速度制约。

地基岩体破碎效率与承受的冲击荷载的关系曲线如图1所示，大致可将关系曲线分为3个节段：Ⅰ区-基岩表层破坏：基岩所受冲击载荷较小，荷载作用处于基岩承载能力之下，仅会在岩石表层接触面留下冲击痕迹，难以使基岩内部结构产生塑性破坏而发生破碎；Ⅱ区-基岩破碎发展：荷载的增加会造成基岩出现贯穿裂纹或裂缝，仍无法使基岩破坏；Ⅲ区-基岩体积破碎：冲击荷载增加至超过基岩承载能力，发生塑性破坏使基岩开始大规模破碎，此时基岩破碎速度和程度都得到大幅度提升[1]。

图1 破碎效率与冲击荷载的关系

2.2 冲锤改良优化

传统的十字冲击锤在成桩质量及成桩效率方面都有待提升，在桩基施工过程中，传统十字冲击锤容易出现卡钻、冲孔倾斜、成孔孔型不佳、成孔缓慢的问题。因此针对传统十字冲击钻锤头增设锤头弧形导正圈、锤头齿、锤头挡板进行改良。其中：锤头弧形导正圈可确保成桩孔型，避免在锤头各分支间隙部分存在有异物突出进入桩身；锤头齿用于锤头下落击碎大粒径卵石或基岩，增大破碎程度，减小碎岩粒径，防止冲击钻将其挤压进入桩身附近土体时造成卡钻；锤头挡板：锤头下落过程中避免有基岩或卵石掉落在锤头各分支间隙之间造成卡钻，改良冲锤结构示意如图2所示。

图2 优化改良冲锤示意

3 受冲地基土有限元模型分析

3.1 有限元模型分析基本假定

（1）冲击动力作用转化为钻孔冲击钻冲锤在冲击接触瞬间的静力作用，研究这一时刻冲击力对孔底岩体的冲击作用；

（2）钻孔冲击钻冲锤对桩身岩体的冲击作用满足冲击力计算公式，冲击力简化为冲击锤作用面下的静力均布荷载；

（3）均布静压力荷载作用下桩身岩体破坏满足摩尔-库伦准则[2]。

3.2 冲击力模拟分析

为确定冲击力的主要影响因素，根据动量公式（1）、牛顿第二定律公式（2）及物体自由落体运动相关公式（3）、（4）进行分析讨论：

联立式（1）～（4）可知，冲锤某一时刻动量的大小主要受到其质量及当前速度的影响，当在外力F作用下，冲锤下落速度由v1变为v2时，其动量P也相应发生变化。且冲锤的下落可近似看作是初速度v0为0m/s的自由落体运动，加速度a基本保持不变，速度v变化大小主要受物体自由落体高度H影响。因此可得出式（5），冲击力主要受冲锤质量m及下落高度H影响的理论关系如下[3]：

根据上述分析内容确定在对冲击力的模拟分析中，主要探讨冲锤重量Q和冲程H对冲击力F的影响，但为结合施工实际环境，辅助研究泥浆浮力对冲击力的削弱作用。根据Labiouse等通过落石冲击试验建立的落石冲击力计算的经验公式（6）设置两种不同工况进行冲击荷载计算：

冲击力计算公式（6）中ME为地基岩体的变形模量，是一种在部分侧限条件下通过载荷试验得出并计算其应力增量与相应的应变增量比值的压缩性指标[4]，针对漂卵石地质ME取值5.5×103kPa。计算得出两种工况条件下冲击力荷载情况如表1所示。

表1 冲击工况设置

3.3 泥浆置换

经冲击力计算得出，泥浆浮力对于冲锤下落冲击力的削减作用相对较微小，在实际施工过程中，不用强求通过减小泥浆比重来削弱泥浆浮力对冲击力的抵抗作用，且对于湿孔成桩而言，还是应主要考虑泥浆护壁的形成质量，因此当地质情况发生变化时，采用浆液置换法进行泥浆比重的调整，利用小比重泥浆逐渐置换大比重泥浆，达到调整泥浆性能的目的，小比重泥浆注入量可按式（7）进行计算：

式中：

Vx——泥浆注入量；

V1——当前泥浆体积；

g2——原泥浆比重；

g3——注入泥浆比重；

g4——目标泥浆比重。

3.4 冲锤对成桩效率的影响分析

地基岩体沉降及应力扩散云图见图3所示。由图3可知，不同冲击荷载作用瞬间在地基岩体中产生的沉降及应力变化规律基本一致：在荷载作用区中心竖向沉降及应力最大，在桩身水平面上向外扩散且逐渐减弱，桩长方向因地基岩体承载力的发挥，竖向沉降及应力逐渐减小。

图3 地基岩体沉降及应力扩散云图

不同工况下，地基岩体沉降及应力反应在反应强度、扩散范围上表现出较大的区别，对比图3（a）、（c）可知：两种工况均在荷载作用区中心处产生最大竖向沉降，并沿桩身水平及垂直方向逐渐减小并扩散，但工况1产生的最大竖向变形为33.35mm，工况2产生的最大竖向变形为50.10mm，且在桩身水平面同一位置处的竖向沉降也相应增大，使冲击钻一次冲击进尺效率提高了50.2%。

为提高成桩效率则需要加快岩体塑性破坏的速度及程度，对比图3（b）、（d）可知：随冲击荷载增大，桩身同一水平面位置处的应力值也相应增大，由前文可知地基岩体的承载力在0.4～0.5MPa之间，而工况1条件下，冲击接触面产生的最小应力值为0.61MPa。工况2条件下，冲击接触面产生的最小应力值为0.73MPa，并向桩长方向扩散，力值均超过了地基岩体的承载能力，使岩体发生塑性破坏。

结合图3（d）工况2中应力云图分析各层地基岩体在冲击荷载作用下产生的应力值大于0.5MPa的区域半径如表2所示。

表2 基岩塑性区半径变化

根据表2中基岩塑性区半径变化数据分析得出如图4所示的两种不同工况下的塑性区半径在地基岩体中的变化规律[5]：塑性区半径大致呈先增大后减小的趋势，且在冲击力作用面下0.2～1m范围内塑性区半径最大，岩体塑性破坏范围最大，表明在这个区域中岩体更容易被破碎嵌挤出桩径以外，冲击成桩效果最佳，后随着冲击荷载在基岩中的消散，塑性破坏区域逐渐减小，冲击成桩效果也逐渐减弱。工况2因冲击荷载的增强，塑性区范围大于工况1，但两种工况的基本变化规律一致，这说明增大冲击荷载作用，有利于基岩的塑性破坏，可提高进尺效率。

图4 基岩塑性区半径随深度变化规律

综上所述，冲击荷载的增加加快了地基岩体塑性破坏的速度，提高了岩体破碎程度，有利于提高成桩效率，降低大粒径破碎岩体卡钻的风险。但因冲击荷载的上升也会增大对桩身周围天然岩体的扰动程度及扰动范围，从而影响桩身的桩侧摩阻力，削弱桩端承载力，因此对于桥梁桩基施工而言，应因地制宜选择合适的工况进行冲击钻孔桩施工。

4 结束语

利用Midas civil进行有限元建模分析，将优化改良后的冲击锤设置为两种不同工况的冲锤冲击荷载作用，根据有限元分析结果对比分析地基岩体的沉降及应力变化，最终得到以下结论：

（1）冲击钻冲锤形式的优化可以通过提升基岩的破碎程度及范围加快冲击成桩效率，提升成桩质量。

（2）经两种工况冲击荷载有限元对比分析可知，增大冲锤重量及冲击钻冲程可提升冲击钻成桩效率，冲击成桩进尺效率可提高50.2%左右；冲击荷载作用下，基岩塑性区半径呈现先增大后减小的趋势，且冲击荷载作用面下0.2～1m范围内的塑性破坏区域最广，成桩效率及质量最高。