长螺旋钻孔压灌桩在深厚黏土层施工关键技术研究

戴文文 戴 敏

(江苏地质基桩工程公司,江苏 镇江212001)

长螺旋钻孔压灌混凝土桩作为一种近几年新兴的工程用桩,是一种借助高压传送混凝土,并对桩周土体产生压缩渗透效果的变截面桩[1-2]。与普通传统混凝土灌注桩相比,长螺旋钻孔压灌混凝土桩具有工期短、造价低、环保性好等特点,具有良好的技术指标。当长螺旋钻孔压灌桩在深厚黏土地质条件下进行施工时,时常出现工作困难情况。如地质条件以及长螺旋钻机自身原因,在硬质黏土层工作时,钻头切削阻力较大,整体钻杆产生较大的扭矩,导致钻具憋车,下钻速度慢等现象；在地下水较为丰富的黏土层,由于成孔过程细小土块难以带出,导致钻头抱死[3-4]。本文依据现场项目实例,在原有长螺旋钻孔压灌桩施工技术的基础上,通过将钻杆与空压机结合工作的新型技术,穿越深厚黏土地层,完成钻孔桩施工。

1 工程背景

1.1 水文地质条件

1.1.1 土层分布

长螺旋压灌桩施工项目平面及钻孔剖面如图1所示。

图1 施工平面及剖面图

1素填土(Q4ml)-褐、黄褐色,以黏性土为主,含植物根茎,含建筑垃圾。

2层粉土(Q4al+pl)-灰黄色,密度稍密,湿,局部夹杂粉质黏土层,粉质黏土干强度中等,韧性中等。

3层粉质黏土(Q4al+pl)-灰褐色,软塑性,湿,干强度低,韧性低。

4层粉质黏土(Q4al+pl)-灰黄色,可塑,局部夹杂少量粉土,切面稍光滑、稍有光泽,干强度中等,韧性中等。

5层粉质黏土夹粉土(Q4al+pl)-灰黄色,可塑至硬塑,局部夹杂少量的粉土,切面稍光滑、稍有光泽,中等强度,韧性中等。

6层黏土(Q3al)-灰黄色,湿,硬塑,干强度高,韧性高。

7层粉质黏土(Q4al+pl)灰黄色,可塑至硬塑,局部夹杂少量粉土,切面稍光滑、略有光泽,干强度中等,韧性中等。

1.1.2 地下水分布

本项目地下水类型为上层滞水、潜水。其中,滞水主要存在于①素填土层中,潜水主要存在于②粉土层中,没有稳定水面,地下水的补给主要为大气降水,消散主要为大气蒸发。在勘探期间测得混合地下水位(静止)埋深约为1.5 ～2.1 m,均值为1.8 m。受季节气温影响,春冬水位低,夏秋水位高,全年变化幅度为1.0 ～1.5 m。

2 项目施工难点

2.1 成孔困难

2.1.1 实际钻进过程中发现,在④层～⑥层中存在坚硬黏土,一度出现长螺旋钻机动力不足,钻头磨损,钻孔错位的现象,仅凭钻头自重很难成孔,极大地影响了现场施工。

2.1.2 硬质黏土层(干燥)中进行钻孔工作,钻头的切削阻力大,钻杆稳定性差且扭矩增加,极易产生钻具憋车、卡泥、钻杆扭矩螺丝拧断或者下钻速度缓慢等现象。

2.2 钻孔涌水

富水黏土层中进行钻孔工作,钻具出土量低,出水量高。如图2所示,钻机掘进过程中涌水量巨大。大量的涌水使得钻头底部的渣土无法排除,最终使得大量沉渣堆积在钻头底部,包裹钻头,导致钻头抱死。

图2 钻孔涌水

所以,本项目具有复杂的地质环境,对钻孔设备磨损巨大,且钻进速度较慢,直接导致单日成桩数不足,施工工期延误等问题。

2.3 钻头抱死

由于钻机设备陈旧或动力不足,在富水或者坚硬地层中成孔时,钻头的沉孔质量会变差。在富水粘性土层中施工时,粘性较强的土块经常聚集在钻头的顶部而不随螺旋杆转出,久而久之,钻头阀门抱死,嵌入坚硬土块中。如图3所示,土体粘附在钻头叶片上,这将使得钻头钻进的阻力增加,从而使得钻头抱死。

图3 钻头抱死

2.4 成孔质量差

钻机随着周转次数的增加,成孔半径急剧减小,且大量土渣在孔内聚集,这将导致钻孔的成孔质量差,影响钢筋笼下方。造成混凝土成桩断面不均匀,承载能力急剧降低等问题。

3 施工工艺优化方案

由于复杂的地质条件造成了长螺旋钻机的工作效率降低,因此提出以下两种改进方案。方案一:在原始钻杆上焊接接风管,连接空气压缩机为钻杆的钻进提供动力,如图4所示。方案二:采用全液压式的动力钻头替代传统钻头,增大钻头的扭矩和自重,提高钻机在不同钻孔角度下运行的效率。

图4 改进型长螺旋钻机

通过对比两种优化方案发现:方案一更加便捷、成本更低、效率更高。

4 应用效果分析

4.1 由于负压力的存在和影响,黏土情况下,黏土与阀门会产生一种牵引力,导致阀门无法轻易打开。在这种情况下,应控制好钻进速度,避免由于转速太快,导致黏土与钻头之间粘聚力变大,发生堵管。选用回转钻杆松动混凝土的方法,可以很好地避免钻头糊泥,具体流程是在泵送混凝土的同时将钻具变提拉的同时正向旋转[5],使位于阀门处的泥发生松动,使阀门在泵气压力下打开。

4.2 通过增加空压机设备与钻机相结合,一方面,有效利用“高压送风”[6]的方式,降低钻进过程中土体对钻头及钻具产生的侧阻力,进一步提升的钻头对深层硬质黏土的削切能力,加快在深层黏土中的钻进速度,使通过硬层黏土的速度大幅提升；另一方面,侧阻力的减小,极大提升了孔底处的沉渣被钻具携带到地面的几率,确保后续顺利下放钢筋笼的几率,也减小沉渣对后期桩承载力的影响。

4.3 如图5所示,采用改进后的方法,钻孔成桩后的整体效果有了很大提升,有效的提高了高长螺旋成孔的质量,同时降低了土层中桩径收缩和桩身夹泥等问题发生概率,加快了钢筋笼下放速度,使得深层黏土中桩身质量和群桩搭接质量得到大幅的提升,大大减少了成桩时间。

图5 成桩效果图

本项目针对丰水区深层黏土地质条件,对长螺旋施工工艺进行了优化,对长螺旋施工中遇到的问题进行了解决,提高了成桩质量、加快施工速度,具有较好的经济和社会效益,与此同时,也拓展了该工艺的适用范围,用以指导同类工程的施工。

5 结论

通过改进长螺旋钻孔压灌桩在深厚黏土地质条件下的施工技术,改进钻杆的工作形式成功的解决了在复杂地质条件下的施工问题。解决了长螺旋钻孔桩在厚黏土层难成孔和钢筋笼易卡孔等现场问题,保证了成桩效率。经实践证明,改进原有钻杆形式,配合空压机的长螺旋钻孔压灌桩新型技术是一种在厚黏土地层中施工的有效方法,不但具有很大的经济效益,更具有较强的实用性,值得改进的新型长螺旋钻孔压灌桩施工技术在其他地质条件中推广。为推进长螺旋钻孔压灌桩在深厚黏土层中的应用,本文以丰水区工程项目为背景,分析了长螺旋钻孔灌注桩在深厚黏土层中施工的施工难点及解决措施。具体研究内容如下:

5.1 长螺旋钻孔压灌桩在深厚黏土层施工存在的问题主要包括:成孔困难、钻孔涌水、钻头抱死和成孔质量差。

5.2 为解决长螺旋钻孔压灌桩在深厚黏土层施工技术问题,提出了利用高压送风技术及使用大扭矩钻头的技术方案,以提高长螺旋钻孔压灌桩在深厚黏土层施工效率。

5.3 方案结果表明,改进原有钻杆形式,配合空压机的长螺旋钻孔压灌桩新型技术是一种在厚黏土地层中施工的有效方法,不但具有很高的经济效益,还具有较强的实用性。