一种新型螺旋锥体挤土钻头
2014-04-21 00:38郭海艳
新媒体研究 2014年3期
摘 要 新型螺旋锥体挤土钻头由上下两部分组成，下部分是螺旋锥体结构，在挤土过程中占主要作用。它是由锥体芯管、截面为四边形的螺旋叶片和钻头门组成，在下旋钻进过程中，每个组成部分都在作有效挤土运动。上部分是螺旋柱体结构，它是由柱体芯管、截面为四边形并带有缺口的螺旋叶片和钻头接头组成。在上旋提升过程中，螺旋柱体叶片对已挤扩成型的桩孔进行二次挤压，防止缩径。其目的在于提供一种钻进动力消耗低、钻进效率高、能够穿透各种复杂土层、用于施工螺旋挤土灌注桩的更高效、更实用的钻头。
关键词 螺旋锥体挤土钻头；二次挤压；锥体叶片；锥体芯管
中图分类号：TU4 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）03-0015-02
1 背景技术
在建筑基础施工领域中，桩基础的成桩方法，可分为排土桩和非排土桩。排土桩如长螺旋CFG，冲击钻和回转钻正反循环等施工方法，具有所成的桩承载力低，成本造价高，清理排土和废弃泥浆费用高等缺点。非排土桩有预制桩和现浇桩两大类。预制桩具有制造设备昂贵，生产成本高，桩身长、运输困难，只适用于软土层和小桩径等缺点。现浇桩有螺杆桩和双向螺旋挤扩桩。螺杆桩要求成桩设备同步性控制的技术高，对于有土层和软硬变化的不确定性和非均匀性，很难保证成桩岩土螺牙的不挠动，会形成虚假螺牙，降低桩的承载力，并且无法应用于坚硬地层。双向螺旋挤扩桩采用先钻后挤的成孔方法，下旋钻进过程中，利用双向螺旋挤扩钻头中柱体螺旋钻头部分将土体旋钻出来，并通过螺旋叶片由下而上运送到锥体芯管部分，通过锥体芯管逐渐将土体挤入桩孔侧壁，对于比较复杂的地层如黏土层和夹砾石层，旋钻出来岩土会阻塞螺旋叶片所形成的运输通路，产生憋钻现象；由于地层的不同，经过先钻后挤所形成的桩孔，往往在原地层与被挤压土体间稳定性差，会出现坍落现象，严重会埋钻。
图1 钻头结构示意图
2 新型螺旋锥体挤土钻头结构
螺旋挤土灌注桩具有成桩成本低、承载力高和环保等优势，受到了广泛的应用。现有的螺旋挤土桩多采用先钻后挤的原理进行施工，也就是说，它的钻头是由两部分构成，下部分是普通长螺旋钻具，是用来钻岩土和将已钻动的岩土通过叶片向上运输，上部是芯管为锥形体的螺旋钻具，是用来将运输过来的岩土利用锥体芯管挤向桩孔周围。由于各种土层比较复杂，砾石和黏土等都容易堵塞已钻动岩土的运输通道，导致憋钻，达不到挤土效果。鉴于现在螺旋挤土钻头在施工中遇到的困难，经过大量实践改进，最终归纳为如图1所示新型螺旋锥体挤土钻头结构示意图，它是由两大部分组成。上部分是螺旋柱体结构，是由序号1（钻头接头），序号2（柱体芯管），序号7（柱体叶片）组成。下部分是螺旋锥体结构，它是由序号3（锥体芯管），序号4（销轴），序号5（钻头门），序号6（锥体叶片）组成。
3 挤土原理
新型螺旋锥体钻头的挤土原理：钻头通过大扭矩动力头和加压装置及标准钻杆顺时针下旋钻进时，下部分螺旋锥体结构中锥体芯管、锥体叶片及钻头门都在作径向挤土运动，使钻头周围的土体受压并挤密，其中有很少的一部分土体通过锥体叶片被运到柱体结构部分。由于柱体叶片上有缺口，这部分土体又被柱体叶片挤压到桩孔内侧壁。在顺时针上旋提升过程中，钻头中螺旋柱体结构的叶片对已形成的桩孔进行二次挤压，防止缩径；在提升同时，启动混凝土输送泵，使混凝土通过动力头、钻杆中心管，直到钻头底部，并压开钻头门（绕销轴4转动），然后注入到桩孔里。各部分挤土作用如下所示。
如图2所示，取锥体芯管表面土体的一个小单元作受力分析，单元土体受到垂直于锥体表面的力F，土体在力F的作用下，向径向偏下方挤压，形成挤土效果。
如图3所示，取锥体叶片三个外表面土体的小单元作受力分析，三个小单元土体在三个外表面受到的力分别为G、M、N，力G使土体径向偏上运动，力M使土体径向偏下运动，力N使土体径向偏下运动，力G使少量土体沿锥体叶片向上移动到柱体叶片，被柱体叶片挤压到桩孔内侧壁。
如图4所示，取柱体叶片三个外表面土体的三个小单元作受力分析，单元土体在三个外表面上分别受到P、Q、R三个力作用，这三个力中P对土体产生径向偏上挤土作用，Q对土体产生径向挤土作用，R对土体产生径向偏下挤土作用。
如图5所示，取柱体叶片缺口处平面对土体小单元作受力分析，土体受到径向挤压力T的作用。
如图6为柱体叶片图，图7为锥体叶片图。
图6 图7
4 结论
参照相关资料，根据实践总结，各参数值如下：
D=300～700mm； d=（0.65～0.75）D；
H=350～420mm；h=（0.7～0.8）H；
L1=（3～4）h； L2=（10～12）H；
α=5～8°；β=65～70°；γ=55～60°；
φ=45～50°；ω=65～70°。
根据不同的岩土层调整各参数值。对于砂土层，β、φ值应取大些，γ、ω值应取小些；对于塑性较大的黏土层，L2取大值或更大值。
5 结束语
通过实践，新型螺旋锥体钻头挤土桩有如下优势。
技术优势：成桩质量可控可靠，桩侧和桩端土体挤扩，桩间土体具有挤密效应，桩承载力高、沉降量小，成桩效率高；
成本优势：桩单体积承载力高，成桩效率高、不排土，节省混凝土用量；环保优势：无泥浆外排污染，无渣土外运，无施工扬尘，不需要存土场地，成桩无噪音、无振动，节约混凝土原材料等。
适用范围：适用土层包括淤泥质黏土、黏性土、粉土、砂土、含小砾石黏性土、黄土和强风化土等，现已广泛用于交通工程、工业与民用建筑工程领域。
参考文献
[1]桩基工程手册编写委员会.桩基工程手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1995.
[2]沈保汉.桩基与深基坑支护技术进展[M].北京：知识产权出版社，2006.
[3]刘钟，张义，李志毅，等.新型螺旋挤土桩（SDS P）技术[A].第十届全国地基处理学术讨论会论文集[C].南京：东南大学出版社，2008：131-136.
[4]刘钟，李志毅，卢璟春.短螺旋挤土灌注桩（SDS桩）施工新技术[A].第九届全国桩基工程学术会议论文集[C].北京：中国建筑工业出版社，2009：491-499.
作者简介
郭海艳（1965-），女，满族，辽宁锦州人，高级工程师，本科，毕业于黑龙江科技学院机械设计专业，一直从事工程机械及相关科研项目研究工作。endprint
摘 要 新型螺旋锥体挤土钻头由上下两部分组成，下部分是螺旋锥体结构，在挤土过程中占主要作用。它是由锥体芯管、截面为四边形的螺旋叶片和钻头门组成，在下旋钻进过程中，每个组成部分都在作有效挤土运动。上部分是螺旋柱体结构，它是由柱体芯管、截面为四边形并带有缺口的螺旋叶片和钻头接头组成。在上旋提升过程中，螺旋柱体叶片对已挤扩成型的桩孔进行二次挤压，防止缩径。其目的在于提供一种钻进动力消耗低、钻进效率高、能够穿透各种复杂土层、用于施工螺旋挤土灌注桩的更高效、更实用的钻头。
关键词 螺旋锥体挤土钻头；二次挤压；锥体叶片；锥体芯管
中图分类号：TU4 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）03-0015-02
1 背景技术
在建筑基础施工领域中，桩基础的成桩方法，可分为排土桩和非排土桩。排土桩如长螺旋CFG，冲击钻和回转钻正反循环等施工方法，具有所成的桩承载力低，成本造价高，清理排土和废弃泥浆费用高等缺点。非排土桩有预制桩和现浇桩两大类。预制桩具有制造设备昂贵，生产成本高，桩身长、运输困难，只适用于软土层和小桩径等缺点。现浇桩有螺杆桩和双向螺旋挤扩桩。螺杆桩要求成桩设备同步性控制的技术高，对于有土层和软硬变化的不确定性和非均匀性，很难保证成桩岩土螺牙的不挠动，会形成虚假螺牙，降低桩的承载力，并且无法应用于坚硬地层。双向螺旋挤扩桩采用先钻后挤的成孔方法，下旋钻进过程中，利用双向螺旋挤扩钻头中柱体螺旋钻头部分将土体旋钻出来，并通过螺旋叶片由下而上运送到锥体芯管部分，通过锥体芯管逐渐将土体挤入桩孔侧壁，对于比较复杂的地层如黏土层和夹砾石层，旋钻出来岩土会阻塞螺旋叶片所形成的运输通路，产生憋钻现象；由于地层的不同，经过先钻后挤所形成的桩孔，往往在原地层与被挤压土体间稳定性差，会出现坍落现象，严重会埋钻。
图1 钻头结构示意图
2 新型螺旋锥体挤土钻头结构
螺旋挤土灌注桩具有成桩成本低、承载力高和环保等优势，受到了广泛的应用。现有的螺旋挤土桩多采用先钻后挤的原理进行施工，也就是说，它的钻头是由两部分构成，下部分是普通长螺旋钻具，是用来钻岩土和将已钻动的岩土通过叶片向上运输，上部是芯管为锥形体的螺旋钻具，是用来将运输过来的岩土利用锥体芯管挤向桩孔周围。由于各种土层比较复杂，砾石和黏土等都容易堵塞已钻动岩土的运输通道，导致憋钻，达不到挤土效果。鉴于现在螺旋挤土钻头在施工中遇到的困难，经过大量实践改进，最终归纳为如图1所示新型螺旋锥体挤土钻头结构示意图，它是由两大部分组成。上部分是螺旋柱体结构，是由序号1（钻头接头），序号2（柱体芯管），序号7（柱体叶片）组成。下部分是螺旋锥体结构，它是由序号3（锥体芯管），序号4（销轴），序号5（钻头门），序号6（锥体叶片）组成。
3 挤土原理
新型螺旋锥体钻头的挤土原理：钻头通过大扭矩动力头和加压装置及标准钻杆顺时针下旋钻进时，下部分螺旋锥体结构中锥体芯管、锥体叶片及钻头门都在作径向挤土运动，使钻头周围的土体受压并挤密，其中有很少的一部分土体通过锥体叶片被运到柱体结构部分。由于柱体叶片上有缺口，这部分土体又被柱体叶片挤压到桩孔内侧壁。在顺时针上旋提升过程中，钻头中螺旋柱体结构的叶片对已形成的桩孔进行二次挤压，防止缩径；在提升同时，启动混凝土输送泵，使混凝土通过动力头、钻杆中心管，直到钻头底部，并压开钻头门（绕销轴4转动），然后注入到桩孔里。各部分挤土作用如下所示。
如图2所示，取锥体芯管表面土体的一个小单元作受力分析，单元土体受到垂直于锥体表面的力F，土体在力F的作用下，向径向偏下方挤压，形成挤土效果。
如图3所示，取锥体叶片三个外表面土体的小单元作受力分析，三个小单元土体在三个外表面受到的力分别为G、M、N，力G使土体径向偏上运动，力M使土体径向偏下运动，力N使土体径向偏下运动，力G使少量土体沿锥体叶片向上移动到柱体叶片，被柱体叶片挤压到桩孔内侧壁。
如图4所示，取柱体叶片三个外表面土体的三个小单元作受力分析，单元土体在三个外表面上分别受到P、Q、R三个力作用，这三个力中P对土体产生径向偏上挤土作用，Q对土体产生径向挤土作用，R对土体产生径向偏下挤土作用。
如图5所示，取柱体叶片缺口处平面对土体小单元作受力分析，土体受到径向挤压力T的作用。
如图6为柱体叶片图，图7为锥体叶片图。
图6 图7
4 结论
参照相关资料，根据实践总结，各参数值如下：
D=300～700mm； d=（0.65～0.75）D；
H=350～420mm；h=（0.7～0.8）H；
L1=（3～4）h； L2=（10～12）H；
α=5～8°；β=65～70°；γ=55～60°；
φ=45～50°；ω=65～70°。
根据不同的岩土层调整各参数值。对于砂土层，β、φ值应取大些，γ、ω值应取小些；对于塑性较大的黏土层，L2取大值或更大值。
5 结束语
通过实践，新型螺旋锥体钻头挤土桩有如下优势。
技术优势：成桩质量可控可靠，桩侧和桩端土体挤扩，桩间土体具有挤密效应，桩承载力高、沉降量小，成桩效率高；
成本优势：桩单体积承载力高，成桩效率高、不排土，节省混凝土用量；环保优势：无泥浆外排污染，无渣土外运，无施工扬尘，不需要存土场地，成桩无噪音、无振动，节约混凝土原材料等。
适用范围：适用土层包括淤泥质黏土、黏性土、粉土、砂土、含小砾石黏性土、黄土和强风化土等，现已广泛用于交通工程、工业与民用建筑工程领域。
参考文献
[1]桩基工程手册编写委员会.桩基工程手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1995.
[2]沈保汉.桩基与深基坑支护技术进展[M].北京：知识产权出版社，2006.
[3]刘钟，张义，李志毅，等.新型螺旋挤土桩（SDS P）技术[A].第十届全国地基处理学术讨论会论文集[C].南京：东南大学出版社，2008：131-136.
[4]刘钟，李志毅，卢璟春.短螺旋挤土灌注桩（SDS桩）施工新技术[A].第九届全国桩基工程学术会议论文集[C].北京：中国建筑工业出版社，2009：491-499.
作者简介
郭海艳（1965-），女，满族，辽宁锦州人，高级工程师，本科，毕业于黑龙江科技学院机械设计专业，一直从事工程机械及相关科研项目研究工作。endprint
摘 要 新型螺旋锥体挤土钻头由上下两部分组成，下部分是螺旋锥体结构，在挤土过程中占主要作用。它是由锥体芯管、截面为四边形的螺旋叶片和钻头门组成，在下旋钻进过程中，每个组成部分都在作有效挤土运动。上部分是螺旋柱体结构，它是由柱体芯管、截面为四边形并带有缺口的螺旋叶片和钻头接头组成。在上旋提升过程中，螺旋柱体叶片对已挤扩成型的桩孔进行二次挤压，防止缩径。其目的在于提供一种钻进动力消耗低、钻进效率高、能够穿透各种复杂土层、用于施工螺旋挤土灌注桩的更高效、更实用的钻头。
关键词 螺旋锥体挤土钻头；二次挤压；锥体叶片；锥体芯管
中图分类号：TU4 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）03-0015-02
1 背景技术
在建筑基础施工领域中，桩基础的成桩方法，可分为排土桩和非排土桩。排土桩如长螺旋CFG，冲击钻和回转钻正反循环等施工方法，具有所成的桩承载力低，成本造价高，清理排土和废弃泥浆费用高等缺点。非排土桩有预制桩和现浇桩两大类。预制桩具有制造设备昂贵，生产成本高，桩身长、运输困难，只适用于软土层和小桩径等缺点。现浇桩有螺杆桩和双向螺旋挤扩桩。螺杆桩要求成桩设备同步性控制的技术高，对于有土层和软硬变化的不确定性和非均匀性，很难保证成桩岩土螺牙的不挠动，会形成虚假螺牙，降低桩的承载力，并且无法应用于坚硬地层。双向螺旋挤扩桩采用先钻后挤的成孔方法，下旋钻进过程中，利用双向螺旋挤扩钻头中柱体螺旋钻头部分将土体旋钻出来，并通过螺旋叶片由下而上运送到锥体芯管部分，通过锥体芯管逐渐将土体挤入桩孔侧壁，对于比较复杂的地层如黏土层和夹砾石层，旋钻出来岩土会阻塞螺旋叶片所形成的运输通路，产生憋钻现象；由于地层的不同，经过先钻后挤所形成的桩孔，往往在原地层与被挤压土体间稳定性差，会出现坍落现象，严重会埋钻。
图1 钻头结构示意图
2 新型螺旋锥体挤土钻头结构
螺旋挤土灌注桩具有成桩成本低、承载力高和环保等优势，受到了广泛的应用。现有的螺旋挤土桩多采用先钻后挤的原理进行施工，也就是说，它的钻头是由两部分构成，下部分是普通长螺旋钻具，是用来钻岩土和将已钻动的岩土通过叶片向上运输，上部是芯管为锥形体的螺旋钻具，是用来将运输过来的岩土利用锥体芯管挤向桩孔周围。由于各种土层比较复杂，砾石和黏土等都容易堵塞已钻动岩土的运输通道，导致憋钻，达不到挤土效果。鉴于现在螺旋挤土钻头在施工中遇到的困难，经过大量实践改进，最终归纳为如图1所示新型螺旋锥体挤土钻头结构示意图，它是由两大部分组成。上部分是螺旋柱体结构，是由序号1（钻头接头），序号2（柱体芯管），序号7（柱体叶片）组成。下部分是螺旋锥体结构，它是由序号3（锥体芯管），序号4（销轴），序号5（钻头门），序号6（锥体叶片）组成。
3 挤土原理
新型螺旋锥体钻头的挤土原理：钻头通过大扭矩动力头和加压装置及标准钻杆顺时针下旋钻进时，下部分螺旋锥体结构中锥体芯管、锥体叶片及钻头门都在作径向挤土运动，使钻头周围的土体受压并挤密，其中有很少的一部分土体通过锥体叶片被运到柱体结构部分。由于柱体叶片上有缺口，这部分土体又被柱体叶片挤压到桩孔内侧壁。在顺时针上旋提升过程中，钻头中螺旋柱体结构的叶片对已形成的桩孔进行二次挤压，防止缩径；在提升同时，启动混凝土输送泵，使混凝土通过动力头、钻杆中心管，直到钻头底部，并压开钻头门（绕销轴4转动），然后注入到桩孔里。各部分挤土作用如下所示。
如图2所示，取锥体芯管表面土体的一个小单元作受力分析，单元土体受到垂直于锥体表面的力F，土体在力F的作用下，向径向偏下方挤压，形成挤土效果。
如图3所示，取锥体叶片三个外表面土体的小单元作受力分析，三个小单元土体在三个外表面受到的力分别为G、M、N，力G使土体径向偏上运动，力M使土体径向偏下运动，力N使土体径向偏下运动，力G使少量土体沿锥体叶片向上移动到柱体叶片，被柱体叶片挤压到桩孔内侧壁。
如图4所示，取柱体叶片三个外表面土体的三个小单元作受力分析，单元土体在三个外表面上分别受到P、Q、R三个力作用，这三个力中P对土体产生径向偏上挤土作用，Q对土体产生径向挤土作用，R对土体产生径向偏下挤土作用。
如图5所示，取柱体叶片缺口处平面对土体小单元作受力分析，土体受到径向挤压力T的作用。
如图6为柱体叶片图，图7为锥体叶片图。
图6 图7
4 结论
参照相关资料，根据实践总结，各参数值如下：
D=300～700mm； d=（0.65～0.75）D；
H=350～420mm；h=（0.7～0.8）H；
L1=（3～4）h； L2=（10～12）H；
α=5～8°；β=65～70°；γ=55～60°；
φ=45～50°；ω=65～70°。
根据不同的岩土层调整各参数值。对于砂土层，β、φ值应取大些，γ、ω值应取小些；对于塑性较大的黏土层，L2取大值或更大值。
5 结束语
通过实践，新型螺旋锥体钻头挤土桩有如下优势。
技术优势：成桩质量可控可靠，桩侧和桩端土体挤扩，桩间土体具有挤密效应，桩承载力高、沉降量小，成桩效率高；
成本优势：桩单体积承载力高，成桩效率高、不排土，节省混凝土用量；环保优势：无泥浆外排污染，无渣土外运，无施工扬尘，不需要存土场地，成桩无噪音、无振动，节约混凝土原材料等。
适用范围：适用土层包括淤泥质黏土、黏性土、粉土、砂土、含小砾石黏性土、黄土和强风化土等，现已广泛用于交通工程、工业与民用建筑工程领域。
参考文献
[1]桩基工程手册编写委员会.桩基工程手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1995.
[2]沈保汉.桩基与深基坑支护技术进展[M].北京：知识产权出版社，2006.
[3]刘钟，张义，李志毅，等.新型螺旋挤土桩（SDS P）技术[A].第十届全国地基处理学术讨论会论文集[C].南京：东南大学出版社，2008：131-136.
[4]刘钟，李志毅，卢璟春.短螺旋挤土灌注桩（SDS桩）施工新技术[A].第九届全国桩基工程学术会议论文集[C].北京：中国建筑工业出版社，2009：491-499.
作者简介
郭海艳（1965-），女，满族，辽宁锦州人，高级工程师，本科，毕业于黑龙江科技学院机械设计专业，一直从事工程机械及相关科研项目研究工作。endprint
