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超深长螺旋钻孔压灌桩在含粘性土圆砾地质下的施工

  Abstract: Aimed at the practical difficulty of cohesive soil pastes on the driller of the cinstruction of long-spiral drilled press-grouting pile in the geological condition of cohesive gravel soil, this paper uses second pile-forming of "hole by relay and stake by single machine", the "reduction and block fluid" confected in the drilling procedure of driller, motorless automatic rising-lowering scrape device in the driller empennage to successfully implement pile-forming by long-spiral driller in deep cohesive gravel soil, greatly improve the construction speed of drilling, avoid the environmental and noise pollution for perimeter zone caused by the mechanical execution and largely reduce the construction cost.
  Key words:cohesive gravel soil;long-spiral driller;second pile-forming;technical measures
  中图分类号:TU4 文献标识码:A 文章编号:1006-4311(2016)12-0097-04
  0 引言
  含粘性土圆砾层兼具粘性土、圆砾土的岩性特征,既有圆砾土硬度大、抗剪强度高的特点,又有粘性土粘度大、吸附性强的特点。在此地质条件下进行长螺旋钻孔压灌桩的施工极易出现钻孔进度慢、钻杆内粘土、清土困难等技术难题,本工程桩基施工初期采用传统的长螺旋钻孔压灌桩的施工工艺效果不佳,严重影响施工进度。项目部学习国内先进桩基施工经验,根据现场实际状况,对常规长螺旋钻孔压灌桩施工的单机成孔成桩工艺,改进为“接力成孔、单机成桩”的二次成桩工艺,并在采用此工艺的基础上,辅以加快成孔速度的具体措施刚大大的提高了桩基的施工速度,缩短了施工周期,有效减少桩基成本。为今后类似工程的施工提供有效参考。
  1 工程概况
  沈阳乐天世界N4住宅楼基础形式采用379根设计长度29.55m的工程桩,设计桩顶相对标高为-23.150m,桩底标高达-52.700m。本工程桩身长度范围内小部分处于圆砾层中,大部分处于含粘性土圆砾层中,所处地质条件均具有硬度大、强度高的特点,因含粘性土圆砾层岩性影响,粘性土粘结在钻杆内,增加钻进阻力,使钻进速度大大减慢;同时,需要在提钻后对钻杆内残土进行清理,因此严重影响施工速度。
  2 施工工艺流程
  含粘性圆砾地质下的超深长螺旋钻孔压灌桩施工的具体步骤如下:
  第1步:根据桩基参数及场地条件选择桩工机械;
  第2步:对桩机自身结构进行改造;
  第3步:第1台螺杆钻机就位,完成桩身上半段的钻孔工作,钻杆反钻提升对孔间进行掘搅后提钻移至下一桩位;
  第4步:第2台长螺旋钻机跟进完成余下区段的钻孔作业,钻孔期间泵送配置的“削阻液”降低摩擦阻力;
  第5步:第2台长螺旋钻机提钻,进行压灌混凝土施工;
  第6步:第2台第螺旋钻机提钻后,利用设置在钻机尾部的“一种挂式无动力自动升降铲土装置”对附着于钻杆叶片间的土体进行铲除;
  第7步:后插入钢筋笼施工;
  第8步:桩基检测。
  3 施工技术措施
  3.1 “接力成孔、单机成桩”二次成桩技术
  通过对钻进效率进行分析,发现钻机钻头在进入含粘性土圆砾层后,钻进速度开始明显下降,当钻入深度达到25m左右时,钻机下钻速度变得十分缓慢,需要数个小时才能完成最后5m多的钻孔作业。
  分析原因如下:
  1)来自钻机动力头的动力,受到钻头掘进力①、叶片内土体与钻杆叶片间摩擦阻力②、叶片内土体与桩周土体摩擦阻力③的分配;
  2)当在桩身上部分所处的圆砾层中钻进时,桩身部位土体可以顺利返至地表,阻力②、阻力③极小,因此钻头部位分配的掘进力①较大,钻机钻进速度较快;
  3)当钻头钻进至含粘性土圆砾层后,由于含粘性土圆砾层的特殊岩性,经钻机掘搅并与地下水结合后,形成具有一定粘度的粘性土与圆砾的混合物,粘结在钻杆叶片之间。随着钻进的不断深入,这种混合物附着在钻杆叶片间越来越多,阻力②、阻力③开始逐渐增大,钻头掘进力①分配的越来越小,同时,迫使钻机的输出功率越来越大,本阶段,钻机钻进速度呈时间阶段性下降;   4)随着钻机在含粘性土圆砾层中钻进的继续深入,钻机的输出功率已达到额定最大功率,而此时,粘性土与圆砾的混合物继续不断的附着在钻杆叶片之间,使阻力②、阻力③呈加速递增趋,钻头掘进力①分配急剧下滑,使钻进速度呈时间阶段性加速下降趋势。
  经测验,采用改造后的螺杆钻机钻孔时,其钻孔深度与时间的关系如图2。
  从图2可知,从开钻至钻进15m区间,用时大约1.1小时,从钻孔深度15m至25m区间,用时大约2.3小时,从钻孔深度25m至桩底,大约用时5.6个小时。因此,最后5m长度内的钻孔是制约单桩完成时间长短的关键。
  经过深入探讨分析后,确定采用2台桩机协调作业,避免1台钻机在最后阶段满负额运转,因钻进时间过长而影响整体工期。最终采取“接力成孔、单机成桩”二次成桩技术(如图3),具体流程如下:
  1)第1台螺杆钻机负责桩身长度内含粘性土圆砾层2/3处以上部位的钻孔工作,钻孔完成后,钻杆反钻提升对孔间进行掘搅,使含粘性土圆砾层及圆砾层中部分粘土混合于地下水内,形成具有一定比重、粘度的天然泥浆,要求此时提钻的速度不大于2m/min;(降水控制水位在施工操作面以下0.5m)
  2)第1台螺杆钻机钻杆提出孔外后,即移动桩机进行下一根基桩的钻孔作业,此时,已完成的钻孔利用经掘搅的天然泥浆进行护壁;
  3)第2台长螺旋钻机跟进完成余下区段的钻孔作业,并及时进行压灌混凝土、后插入钢筋笼施工。
  通过采取此技术,解决了桩基底部最后区间钻孔时间长的问题,整桩钻孔完成时间减少了4.6个小时,大大提高了施工速度,采用2台桩机接力钻孔与单机钻孔的钻孔深度与时间的关系对比曲线如图4。
  这样,第1台桩机与第2台桩机协同作业,每根桩的钻孔时间:第1台桩机为3.4小时,第2台桩机为1小时;第1台桩机的钻进时间大于第2台桩机的钻进时间,第1台桩机钻孔完成后,第2台桩机及时跟进,每根桩的钻孔完成时间实际上为第1台桩机的钻孔时间,总体工作效率为3.4小时/孔;而采用单机成孔,每根桩钻孔完成时间为9小时,2台桩机作业,总体工作效率为4.5小时/孔;采用“接力成孔、单机成桩”二次成桩技术比“单机成孔、单机成桩”每桩钻孔时间节省1.1小时,工作效率提高24.4%。
  3.2 泵送“削阻液”
  为了减小外力因素的影响,即减小粘性土与钻杆叶片间的摩擦阻力、减小钻杆叶片内土体与桩周土体间的摩擦力,进一步提高桩机钻进效率,加快钻孔成桩进度。配置了降低上述部位之间摩擦阻力的液体,就如零部件间采用润滑油润滑一样的道理,并取名为“削阻液”。削阻液使用小型搅拌机现场配制,在每1m3水中掺入6kg具有润滑作用的硬脂酸钠,深入搅拌待硬脂酸钠充分溶解后(溶解后浓度6g/L),泵送至钻机钻杆空腔内。泵入钻杆空腔内的削阻液利用自身重力,通过钻头端部泵送口处缝隙渗出,与地下水混合,使桩身范围内地下水具有一定的润滑效果,从而使粘性土与圆砾的混合物能够尽可能多的向上返至孔外。
  通过此措施,降低了粘性土与钻杆叶片间及叶片内土体与桩周土体之间的摩擦阻力,第1台桩机与第2台桩机钻进时间分别节省了近0.3小时,工作效率较前又提高了9%,加快了成孔速度。使用削阻液前后双机钻孔深度与时间的关系对比曲线如图5。
  3.3 安装挂式无动力自动升降铲土装置
  因钻机钻进过程中,含粘性土圆砾层受到掘搅,并与地下水混合,形成圆砾及粘性土的混合物粘结在钻杆叶片内,必须在钻杆提升过程中清除完毕,否则将无法进行下一根基桩的下钻工作。通常采用人工用铁锹在钻杆提升时对叶片内残土进行清理(如图6),操作速度慢,费工费力费时。
  因提升钻杆、残土清理为本桩基施工过程中的关键过程,要加快施工进度,必须尽可能地缩短本工序的持续时间,因此,需要提高钻杆提升过程中残土清理的速度和效率,同时,避免因为残土清理操作持续时间长,出现混凝土达到初凝时间不能继续压灌甚至堵塞泵管的现象。
  为了加快钻杆提升过程中钻杆叶片内残土清理的速度和效率,达到减轻工人的劳动强度、加快施工速度、提高成桩质量的目的,可以对长螺旋钻机进行改进,在钻机下部的导向架上方利用钢板、废钢筋和滑道组焊接制作铲土设备,因受地质条件影响及钻机自身功率输出存在不稳定的现象,钻杆提升速度不尽相同,致使钻片旋转轨道发生变化,其必须可以随着钻杆叶片的上下碰撞而能在滑道上自由上下滑动;并且其铲土板及附属设备能在水平方向上调动,当钻机成孔时可以将其侧向收起,方不影响钻机正常工作,当钻杆提升时将铲土板水平旋转至叶片内,端部基本与钻杆中心管切线方向一致时锁定,即可自动铲除钻杆叶片内残土。
  本装置由:滑动槽1、滑动槽加固钢板2、滑动槽连接板3、支架限位销4、限位销扳手5、铲土板支架6、高强螺栓7、铲土板8、咬合齿9、滑动支座10共10个部分组成。如图7、图8所示。
  该装置附着于桩机动力头导轨上,位于钻杆固定支架上方,可以沿导轨自由滑动,并设有手动进退装置,在钻孔和停机时,可以手动将铲土板从钻杆叶片之间退出。滑动槽连接板上设有滑动支座,可调节支架伸出角度,适应不同型号钻机和钻杆。前端清土板和固定板均设有咬合齿,清土板上还设有长条形螺栓孔,可根据现场实际自由调节清土板伸出长度。
  该装置无需外加动力,充分利用了长螺旋桩机的自身结构,对桩机本身无任何改动,拆卸方便,能够迅速有效地清除螺杆叶片间附着的泥土,并且前端清土板可自由拆卸更换,方便了不同型号清土板的更换和维修。
  对于在粘性土、含粘性土圆砾等地质下采用长螺旋钻孔压灌桩技术进行施工的桩基,存在钻杆叶片内被粘性土等附着的现象时,采用本装置将具有非常大的实用性。
  4 结束语
  沈阳乐天世界工程N4住宅楼桩基工程施工中,通过编制合理的施工方案和施工方面的大量技术创新,成功地解决了在埋置较深、含粘性土圆砾地质条件下的桩基工程采用长螺旋钻孔压灌桩技术施工的可行性,并较大程度上降低了施工成本。施工期间,未发生任何安全、质量、环境事故,并在合理的工期范围内完成了全部桩基施工,得到了业主、监理等社会各界的一致好评,同时,较大程度上降低了施工成本,取得了很好的经济效益和社会效益。该技术的成功应用,为日后其它工程相似、相近于本场地作业条件的桩基工程提供了宝贵的施工经验和广泛的借鉴作用。

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