新型集土式扩底钻具的研制与试验应用

徐军军，冯美贵，黄玉文，杨 鹏，王玉超

(北京探矿工程研究所，北京 100083)

0 引言

钻孔灌注扩底桩是在直桩基础上对施工工法进行优化改进和完善而形成的一种新型钻孔灌注桩，旋挖扩底钻进是利用旋挖钻机对桩孔进行扩底钻进。一般钻孔扩底灌注桩是把按等直径钻孔方法形成的桩孔钻进到预定的深度后，换上扩底钻头，撑开钻头的扩孔刀刃使之旋转切削地层以形成扩大孔底，待成孔后放入钢筋笼，灌注混凝土形成扩底桩以获得较大承载能力[1-2]。扩底桩的底部直径一般为桩身直径的1.5～2倍，因此扩底桩的桩端承载力是普通直型桩的2～4倍。在基础工程施工中，扩底桩与普通直桩相比具有承载能力强、振动小、噪声低、工期短等优点，因此该桩型应用范围越来越广泛[3]。

目前国内配套扩底桩施工所用的机械式扩底钻具还存在以下问题。

(1)扩孔与取土、清孔工序分离，机械式扩底钻具扩孔作业完成后，还需用如双底捞砂钻斗、清孔钻斗或空气反循环钻具等多种专业设备，反复交替作业完成取土、清孔等其它专门工序，工序较繁琐且复杂。

(2)现有施工技术条件下，多种工序需要更换不同的施工设备交替作业，从而导致孔壁不稳定、孔底易坍塌、桩孔成形差、孔内沉渣难以清理干净、施工效率低等一系列问题。

针对于此类常见问题，我所研制了一种钻进成孔过程中不需要更换钻头，集钻孔、扩孔、取土多项功能于一体的新型集土式扩底钻具，简化了施工工序，且具有孔壁稳定、成孔速度快、施工效率高、安全可靠等优势，满足钻孔扩底灌注桩施工要求[4-6]。

1 扩底桩设计理论

根据扩底桩的力学性能和结构形式，扩底桩的关键技术参数主要有扩底角θ、桩身直径d、最大扩底直径D、最大直径段高度hb、扩底斜边高度hc、扩底高度h。扩底桩桩形图如图1所示。

图1 扩底桩桩形图

(1)扩底角、扩底高度与扩底、桩身直径存在经验公式：h≥2(D-d)；对于土层等松散地层，扩底角θ为12°～15°，对于岩石地层，扩底角θ为25°～30°。

(3)扩大倍数：当持力层承载力低于其上部综合载荷时，可采用扩底的型式来提高单桩承载力。扩底端直径与桩身直径比D/d，应根据桩端及桩侧岩土物理力学性质和桩端承载力要求确定，挖孔桩的D/d不应大于3，钻孔桩的D/d不应大于2.5。

(4)扩底端底面形状：为了避免在垂直荷载作用下，因桩底面的剪应力集中而引起土体的剪切破坏，扩底钻头在扩张成孔时，应保持最大扩张下切面与桩s底中心底面形成的高差，使成孔后呈锅底形，有利于清孔和提高端承力。扩底后hb=(0.15～0.20)D。hb根据d来确定,一般200 mm≤hb≤400 mm[7-10]。

2 集土式扩底钻具的结构设计和优化改进

2.1 结构设计

集土式扩底钻具主要由液压系统、控制系统、机械系统组成，其中液压系统主要为扩底钻具提供动力，可借助钻机自带液压泵站来提供，也可采用独立液压泵站；控制系统负责控制钻具开合并检测相关参数；钻具的机械系统负责钻具扩底、集土等动作的实施。

其中钻具本体主要包括传动机构、导向机构、滑动机构、限位机构、矛头机构、钻翼本体机构、连杆机构、集土机构、同步绞车装置、内置位移传感器液压油缸、切削具等零部件，其结构示意如图2所示。

1—同步绞车装置；2—传动机构；3—切削具；4—导向机构；5—限位机构；6—滑动机构；7—钻翼本体机构；8—内置位移传感器液压油缸；9—连杆机构；10—矛头机构；11—集土机构

图2集土式扩底钻具的二维结构示意图

(1)传动机构是连接旋挖钻机方头和传递扭矩的关键部件之一，主要由连接法兰、扶正器、筋板和液压油缸上支架组成。

(2)导向机构主要起导向作用，引导滑动机构沿滑动轴上下移动，主要由连接方头、导向轴和限位框等组成。连接方头与传动机构的连接法兰通过法兰销轴连接，上下限位框限制滑动机构行程。

(3)滑动机构通过内置位移传感器液压油缸的伸缩带动旋转头沿导向机构运动，主要由液压油缸下吊耳和旋转头组成。

(4)限位机构主要根据扩底钻具的扩底直径，限制滑动机构上下运动的极限位置，限制扩底钻具的最小和最大收翼状态。

(5)矛头机构主要通过外力作用下矛头杆在矛头座内转动，开启集土机构，将钻具内渣土卸掉。矛头杆在复位弹簧的作用下，关闭集土机构。

(6)钻翼本体机构主要由固定本体、转轴、推轴销和可转动钻翼组成。

(7)连杆机构主要连接钻翼本体机构和滑动机构，将液压油缸作用力传递给钻翼本体机构，实现可转动钻翼的开合。

(8)集土机构主要收集钻进过程中的渣土，实现清孔作用。

(9)同步绞车装置主要实现液压管线在回转的过程中与钻具实时同步。

(10)内置位移传感器液压油缸是液压系统的执行元件，通过内置位移传感器可实时监测液压油缸的位移行程，实现对两个液压油缸的同步控制。

(11)切削具在钻压和扭矩作用下切入地层并以刮挤、剪切方式破碎地层。

2.2 关键零部件强度校核和优化改进

钻具整体结构及其零部件强度对钻具功能和寿命至关重要，对钻孔施工安全也会产生极大影响。本文中利用三维软件对集土式扩底钻具进行了三维实体建模，并对钻具整体结构以及推轴、推轴销和上转轴等关键零部件进行了三维有限元计算机模拟仿真、强度校核分析(如图3～6所示)，并依此进行了优化改进，改进后的钻具整体结构及其零部件强度均能满足中风化岩层扩底钻进要求，并为施工现场提供安全保障。

图3 钻具整体变形和整体应力图

图4 推轴变形和应力图

图5 推轴销变形和应力图

3 集土式扩底钻具的样机试制

通过以上集土式扩底钻具的结构设计和有限元数值模拟分析，以及对集土式扩底钻具生产制造工艺的研究，完成了一套TGK800/1600型集土式扩底钻具样机试制。在生产车间进行了初步的动作测试，动作流畅不卡顿，钻具整体运转正常，达到了预期设计要求，钻具收翼和扩翼状态如图7所示。

图6 上转轴变形和应力图

图7 TGK800/1600型集土式扩底钻具收翼和扩翼状态

4 集土式扩底钻具的现场试验和效果

在北京市房山区京周路某施工工地，完成了TGK800/1600型集土式扩底钻具的现场整机组装调试以及现场钻进试验。

试验钻机为ZR250A型旋挖钻机，钻机参数如下：最大扭矩为250 kN·m，动力头转速为6～24 r/min，最大钻深为70 m，钻杆直径为470 mm，钻杆方头为200 mm×200 mm。

试验地层为土层，试验钻具的切削具为耐磨斗齿。试验现场、钻具扩翼状态和收翼状态如图8～10所示。

根据地质勘察报告显示，场地自上而下地层为：杂填土，粉质粘性土，砾质粘性土，全风化、强风化、中风化、微风化花岗岩。桩基础设计为钻孔扩底灌注桩，全部采用旋挖钻机施工；桩基孔直径800 mm，扩孔后直径1600 mm；桩长≮21 m；试验桩孔数量：3根；试验孔位：距离实际桩基孔位约9 m，成孔采用干法成孔工艺。

图8 试验现场

图9钻具扩翼状态图10钻具收翼状态

现场试验结果表明：

(1)钻具整体运转稳定，扩收翼动作正常、无卡钻，桩孔无坍塌现象；

(2)新型集土式扩底钻具集扩孔、集土功能于一体，较传统机械式扩底钻具优势明显，边钻进边扩边集土，无需反复扩底-取土-清孔，实时清理沉渣，孔底沉渣尺寸小于15 mm，无需重复清孔和专门检测，减少了施工工艺步骤，工作效率提高了约30%；

(3)新型集土式扩底钻具设计合理，达到了预期设计目的；

(4)满足了旋挖钻进扩底桩的施工、设计及规范要求。

5 结论

新型集土式扩底钻具可将扩底过程中产生的岩屑收集到钻具内部，集土式扩底钻具同时具备扩孔和集土两种功能，与普通机械式扩底钻具相比，具有较强的携土能力，避免了孔内沉渣的产生，扩孔质量好、扩孔效率高，提高了扩底质量和工作效率，减轻了工人的劳动强度。同时扩底桩扩大了桩端受力面积，大幅提高了桩基竖直承载力，使得桩身的材料强度和持力层的承载能力得到充分发挥，满足了单柱单桩结构要求，节约了工程造价，避免无谓消耗，节约资源，符合节能环保的要求。

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