PZ系列组合牙轮钻头及其嵌岩技术的研究

20世纪90年代初，基础设施建设在我国全面展开，城市高层建筑、铁路、公路、码头等建设改造工程纷纷上马，很多施工单位苦于没有适用的嵌岩钻进用钻头而不能承接合同或不能按期交工。为了解决嵌岩桩施工的难题，我们开展了研制适用于中硬以上地层的PZ系列组合牙轮钻头及其嵌岩技术的工作。在研制PZ系列组合牙轮钻头中采用了三牙轮钻头的牙轮掌作为破岩工具，其牙轮上镶焊的钨钴硬质合金耐磨性高，适合坚硬地层钻进，由于其碎岩方式为冲击回转，因而碎岩效率高、寿命长。 PZ系列钻头是专为嵌岩桩施工研制的，适用于国产各种扭矩为3-30KN.m、转速为15-50rpm的大口径回转钻机。钻头与钻杆连接采用标准法兰或API标准接头。钻头加压采用孔底配重加压方式，尽量避免机上加压。增加孔底粗径钻具的长度，提高钻头在孔底钻进时的稳定性。 PZ系列组合牙轮钻头采用滚动式开发研究方式，采取研制-推广-改进的研究方法在几年的时间里结合生产试验。产品经过了三代更新，数十次的改进，使产品本身更趋完善，在短短六年中，经过不断升级换代，为了适应不同施工工艺需要，还设计开发了牙轮扩底钻头、大直径牙轮取心钻头、大直径牙轮环状钻头、牙轮—滚刀复合型钻头，扩大了产品应用领域。目前PZ系列组合牙轮钻头的用户已遍及地矿、冶金、煤炭、建材、交通、铁道、等各个领域，PZ系列钻头在国内市场占有率始终处于前列，部分产品销往香港、新加坡、越南、非州、蒙古等国家和地区。 2100433B

桥梁、渡槽基础往往采用大直径嵌岩桩，其基岩软弱且岩面倾斜。倾斜岩面软岩嵌岩群桩存在沿岩面滑移、群桩挤扩压屈、不均匀沉降等问题；由于持力层性质差、岩面倾斜、基桩非等长、桩-岩界面特殊、荷载条件复杂等因素，该群桩的承载机理需进行系统深入的研究。本项目引入CT扫描技术进行嵌岩桩模型试验，实现变形及发展的可视化，从细观角度揭示嵌固机理；采用扩孔理论研究软岩嵌岩桩的承载机理和应力路径，建立其极限承载力的计算公式；进行软岩应力路径三轴、动力三轴和桩-岩接触特性等试验，建立软岩的静动力本构模型、桩-岩界面本构模型；进行群桩离心模型试验和振动台模型试验，考虑承台-群桩-岩土体非线性共同作用，研究倾斜岩层面的软岩嵌岩群桩的承载机理与破坏模式、动力特性与地震响应。综合模型试验、理论分析和数值模拟结果，提出倾斜岩层面的软岩嵌岩群桩的设计计算方法、承载力与沉降双控设计准则、加固与减震措施，并在实际工程中推广应用。

嵌岩灌注桩的承载性状由于长径比、覆盖土层性质、嵌岩段岩性、施工工艺不同而有显著差异。我国现行的关于嵌岩灌注桩承载力的计算模式大体有两类, 一类是只计桩端阻力, 另一类是只计嵌岩部分的侧阻力和端阻力。两者都不计覆盖土层的侧阻力, 所以两者用于计算长径比较大的建筑物嵌岩灌注桩存在与实际承载力性状不符合的缺点。考虑长径比较大的灌注桩竖向极限承载力, 其侧阻力先于端阻力发挥, 属于端承-摩擦型桩。

按《建筑结构设计统一标准》的规定, 恒载效应的变异系数为0. 07, 服从正态分布, 活载效应的变异系数取为0. 29。取土性参数和荷载效应作为基本随机变量, 几何尺寸视为定值 。

嵌岩灌注桩作为一种特殊类型的桩在地基工程中得到了大量的使用, 特别是山区钻孔灌注嵌岩桩应用更为广泛, 重庆垫江地区近10年来大约有85%以上的高层建筑采用嵌岩灌注桩基础。目前, 桩基础设计方法是将荷载、抗力等设计参数视为定值, 不考虑岩土的变异性, 即使为考虑种种不确定性而引入的安全系数也是确定的, 都属于定值设计方法的范畴。然而, 桩基设计中的每个环节都是在大量的不确定性下进行, 随着高层建筑的日益增多, 此不确定问题将会越来越突出 。