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多节钻扩灌注桩施工工艺

发布时间:2019-5-6  新闻类别:新闻动态 点击次数:48

1 传统工艺的不足


现有技术施工条件下,变径灌注桩需要多种施工机械和设备交替施工,即钻孔、扩径和清孔三道工序需要更换不同的施工设备来完成(图1)。工序繁杂,施工进度慢,质量监控难度大,对成孔成桩质量将产生不利影响。如挤扩灌注桩扩径体成型效果不稳定,掉入扩径腔体内的沉渣难以清理,而掉入孔底的沉渣较多,回钻二次清孔工作量大,严重影响施工进度和桩基质量。


多节钻扩灌注桩施工工艺及成套设备研制

图1 传统变径桩扩径工序


Fig.1 Traditional diameter-expanding procedure for diameter-changed piles


就目前的变径灌注桩扩径体施工方法上看,大体可分为挤扩扩径与旋扩扩径,并且都是钻孔与扩径分离,分为两道工序,存在明显不足:


1.1 挤扩扩径质量不易保证


传统挤扩设备是由吊车将挤扩装置下放到预定位置再实施挤扩,一般需要7—10次挤扩方可扩径成型。首次挤扩时因孔壁完整挤扩臂能够较好的挤入孔壁土体中,但后续挤扩时,挤扩臂旋转较小角度后在临近位置继续挤扩,被挤土体实际上处于半侧限受压状态,土体极易向已挤压区的空腔侧移动,亦称挤扩臂侧滑,结果使得土体沉渣大量增加,填充已形成的空腔,不仅使土体挤密效应大大减小且使扩径体形状较预期相差很大,这也是挤扩首压值远大于后压值的原因所在;另外随着挤扩臂的下压,臂上部会形成空腔,空腔内土体经过了挤压压缩,必然会产生压缩回弹,这种回弹加上重力作用,可能会导致腔体上部土体块状脱落,造成扩径体质量的严重下降,桩端沉渣进一步加厚。


1.2 旋扩扩径易偏心


相比于挤扩,旋扩扩径腔体质量更高,旋扩臂对土体切削而非挤压,对土体扰动小,更易扩径。但由于传统旋扩径置仍然是单独吊装施放,下部没有固定支撑点,若桩周土不均匀,旋切时各支臂受力不均,易使旋扩设备晃动,导致装置轴心偏离竖直中央位置,则旋切形成的扩径腔体几何形状不规则,桩基受荷产生偏心,影响承载能力,且同样不能克服沉渣弊病,使桩基质量下降。


1.3 钻、扩、清工序分离施工效率低


传统的施工工艺需钻孔、扩径、清孔三道工序才能够完成一根桩的成孔施工,给施工带来极大不便。如图1所示,先由钻机钻进成孔,然后钻机撤离孔口位置,吊车就位,吊装扩径装置在孔内特定位置扩径,之后将扩径装置吊离孔口,吊车撤离,重新安置机械进行二次清孔,然后再一次将钻杆、钻头提出孔口,下放钢筋笼,下放灌注导管,灌注混凝土成桩。且往往施工场地紧张,钻机、吊车、扩径设备、钢筋笼下放、混凝土泵车浇筑等互相制约,进一步降低工效,减小变径灌注桩使用信心。


2 施工设备与工艺研究


由于传统工艺的不足,变径灌注桩施工技术渴望新设备新工艺的整合,实现变径灌注桩成孔施工的三个基本工序无缝衔接,即钻孔、扩径、清孔一体化,改善施工场地环境,提高施工效率,降低材料消耗,体现环保可持续发展理念。


2.1 钻扩清三工序合一不间断成孔


正常桩基成孔时,钻头带动钻杆在动力牵引下钻进,钻头转动过程中,采用泥浆护壁法,使泥浆维持孔壁土体稳固平衡,避免塌孔,钻进产生的土渣通过不间断循环流动的泥浆携带排出孔外。


为了实现钻扩清三工序一体化施工,新型设备至少要设置有钻孔钻头、扩径装置和泥浆泵,既能使得三者独立运行,又能使得三者交叉运行,三者各功能间转换自如。


对比挤扩与旋切扩径工艺,考虑采用旋切工艺。为解决偏心问题,拟利用钻头在孔底固定提供支点来稳定旋转中轴线。欲将钻孔与扩径工序合二为一,则需使扩径设备嫁接在钻机上,并考虑钻孔与扩径功能交替转换:正常钻孔时,扩径设备能够跟随钻杆正转向下钻孔,达到既定位置后,钻头停钻,固定于临时孔底,钻扩臂开始张开,钻杆反转带动钻扩臂切削土体,旋切出扩径体。完成一个扩径体施工后,钻扩臂收回,跟随钻杆正转,继续利用钻头钻孔,施工下一个扩径体,直至完成桩孔施工(图2)。由上而下正序施工,一次性形成多节钻扩灌注桩孔。


采用旋切式扩径,避免挤扩形式对土体的局部剧烈扰动,更易形成扩径体,几何形状更理想。旋扩时,钻头嵌入临时孔底固定,钻头与钻杆上部两点形成稳定的旋转中轴线,使得旋转过程稳定匀速,克服了设备晃动及旋转易偏心的缺陷,所成腔体最终形态也是完全关于中轴线对称,使扩径体质量有了很大提升,扩径体内腔圆滑饱满,减少了沉渣淤积,加快扩径速度,最终扩径形状与理想腔体几何形状几乎一致(见图3);并且钻、扩工序合一交替,避免了多种机械设备转换施工,效率大大提高,质量检测难度明显降低。


多节钻扩灌注桩施工工艺及成套设备研制

图2 钻扩桩成孔示意图


Fig.2 Drill diagram for drilled expanded pile


多节钻扩灌注桩施工工艺及成套设备研制

图3 理想扩径体与实图对比


Fig.3 Comparison between ideal and real diameter-expanded section


2.2 泥浆反循环工艺实施沉渣置换


普通等直径桩孔施工时,钻孔同时伴随泥浆循环清渣,垂直向的孔壁使土渣易于清理。但是钻扩桩施工时桩孔内多出扩径腔体这一特殊构造,沉渣清理与循环难度增大。为改进清孔工艺,考虑扩径体特殊构造以及反循环工艺在桩孔清渣时具有较高效率[12-13],将泥浆反循环清渣应用于新型钻扩合一工艺。


⑴反循环钻机的旋转动力装置和泥浆泵设置在机架上,可与钻杆同步在机架间上下移动,不论钻孔、扩径或钻机移位作业时均无须再拆卸钻扩装置,可以大大节省钻扩作业的辅助时间。


⑵钻扩合一工艺对应的反循环钻机的转速通常较低,可以对土体产生较大切削力,易于扩径体的施工。因此反循环钻机有利于扩大钻扩工艺的适用土层范围,且有效延长相关部件的使用寿命,同时也有利于设备运行稳定和减小能耗。


⑶反循环工艺采用的是强制循环清孔模式,钻进和扩径产生的土渣能够连续被钻头吸口强力吸入并置换到泥浆池里(图4)。反循环工艺孔壁处自上而下的泥浆流向配合土粒自重恰好可以带走折线形腔体中产生的土渣,使之一起流向孔底泥浆吸口,通过钻杆中的强大抽吸能力,使泥浆与土渣快速的输送到地面泥浆池中,保证清孔持续,桩端无沉渣,实现钻孔、扩径、清孔一体化。


多节钻扩灌注桩施工工艺及成套设备研制

图4 反循环工艺示意图


Fig.4 Diagram for reverse circulation technology


2.3 可调式扩径体形状


变径灌注桩设计时,有腔体边缘高度参数Z,传统工艺无法调整该值,钻扩合一的特殊工艺突破了这一限制。如图5所示,当钻扩臂张开至设定位置达到设定直径后,钻扩臂不回收,钻头开始带动钻扩臂正转钻孔,使钻扩臂切削土体同时竖直向下移动,移动距离视腔缘高度而定,达到预定高度后,钻扩臂收回,继续实施正常钻孔作业,从而实现了可以人为设定腔缘高度的目的,提高扩径体的抗剪能力,这是钻扩合一工艺的特有优势。


 
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