一種減輕糊鉆現(xiàn)象的新型回旋鉆頭設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

楊希偉 李其恒 徐 濱 趙春風(fēng)（同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海200092）

1 引言

在大直徑鉆孔施工中，經(jīng)常會遇到粘土層。在粘土層鉆進(jìn)時(shí)非常容易糊鉆形成泥包鉆頭，使得鉆孔施工無法正常進(jìn)行。特別是當(dāng)粘土層的層厚在全孔深度中所占比例比較大的情況下，如果不能很好的解決糊鉆問題將會嚴(yán)重影響到工程的質(zhì)量和工期[2]?！昂@”現(xiàn)象在深基礎(chǔ)成孔中是常見故障, 排除相當(dāng)困難。糊鉆影響鉆進(jìn)速度，影響成孔的垂直精度，增加施工成本，加劇設(shè)備磨損，嚴(yán)重時(shí)還可能造成鉆頭抱死、坍孔、鉆桿折斷等事故，妨礙工程的正常施工和進(jìn)展。本文通過對螺旋鉆頭加魚尾后的防糊鉆效果進(jìn)行理論探索和試驗(yàn)性研究，并對魚尾形式進(jìn)行不同方式的改造和創(chuàng)新，找到緩解鉆頭糊鉆的有效方法。

2 新型回旋魚尾鉆頭的設(shè)計(jì)

糊鉆的形成需要一定的過程，鉆頭在切削土壤時(shí)，切削下來的土屑有一些粘附在鉆刃、鉆翼和鉆桿等地方，由于這些地方旋轉(zhuǎn)半徑小，土屑受到的離心力、切削分力小，因此在繼續(xù)鉆進(jìn)的過程中，粘附在鉆頭上的土屑很難脫落。一旦摩擦生成熱量使土屑水分蒸發(fā)，粘結(jié)便更加牢固，粘附的泥塊也越來越多，糊鉆便開始形成了[6]。預(yù)防糊鉆的發(fā)生就要通過合理選擇鉆頭的結(jié)構(gòu)形式，使土屑切削更方便，土屑隨泥漿更容易通過排渣孔排出，減少粘附在鉆頭上的土屑量和粘附時(shí)間。

目前，鉆孔灌注樁施工主要采用正循環(huán)泥漿護(hù)壁回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，鉆頭為三翼刮刀魚尾鉆頭[7]。針對糊鉆的原因和目前的施工狀況，我們設(shè)計(jì)了能夠減緩糊鉆現(xiàn)象的新型魚尾鉆頭形式，它包括1）鉆桿、2）保徑圈、3）刮刀片、4）切削齒、5）仿生魚尾裝置，其特征在于：鉆桿為空心鉆管用于泥漿循環(huán)，保徑圈通過支桿與鉆桿固定連接，刮刀片連接在鉆桿和保徑圈之間，刮刀片下端與鉆桿固定連接，上端與腰帶固定連接，切削齒垂直固定于刮刀片外邊緣刃部，在鉆桿下端設(shè)置仿生魚尾裝置。刮刀片數(shù)量為三翼。與鉆桿中心軸所成角度為55°-65°。切削齒形狀可以采用如圖1的尖狀錐體，也可采用端部平整的柱體形式。視工程實(shí)際情況，確定切削齒的數(shù)量。下端仿生魚尾裝置形狀類似魚尾，由成螺旋角度的兩個(gè)分叉魚尾構(gòu)件組成。連接于鉆桿下端出入漿口兩端。魚尾構(gòu)件正面分叉成90°-140°，側(cè)面分叉成20°-60°。魚尾構(gòu)件空間上帶有弧度，成螺旋狀，與螺旋槳類似。仿生魚尾鉆頭結(jié)構(gòu)形式如圖1、圖2所示。

圖1 仿生魚尾鉆頭結(jié)構(gòu)正視圖

對普通刮刀鉆頭添加魚尾以后，魚尾轉(zhuǎn)動時(shí)對泥漿有導(dǎo)流和攪拌的作用，有利于泥漿通過吸渣水孔排出。魚尾相當(dāng)于一個(gè)小半徑的鉆頭，由于受到土的扭矩作用較小，可以對下部土層預(yù)先進(jìn)行攪拌使土層松散，同時(shí)，上部切削掉落下來的大粒徑土塊可以被魚尾有效的粉碎，有利于鉆頭的鉆進(jìn)和大塊土粒的粉碎切削。另外，鉆頭的翼板采用較合理角度，對泥漿具有導(dǎo)向作用，減小泥漿在鉆桿周圍旋轉(zhuǎn)流動，讓鉆頭回轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的徑向力指向圓心吸渣孔，有利于排渣。

圖2 仿生魚尾鉆頭結(jié)構(gòu)側(cè)視圖

仿生魚尾鉆頭能夠一定程度上減輕糊鉆現(xiàn)象，提高成孔效率，方便工程施工。

3 試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)裝置簡介

試驗(yàn)采用GBM 10RE型BOSH電鉆機(jī)為動力裝置，輸出功率236W，額定轉(zhuǎn)速1760次/分；試驗(yàn)用土為上海第二層褐黃色粘性土；試驗(yàn)設(shè)備包括：標(biāo)準(zhǔn)篩、電子稱、鏟子、模型鉆頭。試驗(yàn)?zāi)Ｐ豌@頭如圖3，左圖為對照普通回旋鉆頭，中圖為普通魚尾鉆頭，右圖為仿生魚尾鉆頭。

圖3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ豌@頭圖

3.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用控制變量的方法，在相同的土體重度、含水率和土壓力等條件下，控制兩個(gè)鉆頭在相同的時(shí)間內(nèi)鉆進(jìn)相同的距離，最后以鉆頭上粘附土體的質(zhì)量為參考數(shù)據(jù)，對比得出改造后鉆頭的防糊鉆效果。

3.3 試驗(yàn)方案

方案一：探究不同的土體含水率對鉆頭鉆進(jìn)和糊鉆效果的影響。

1）將采集來的自然土經(jīng)日曬風(fēng)干，人工粉碎后利用0.075mm孔徑篩過孔，對過孔后的粘土分次加入純凈水，控制加水量以計(jì)算含水率和土的重度，并記錄。

2）每次加水后對土體進(jìn)行充分的攪拌和壓實(shí)，以保證土體的均勻性和密實(shí)性。

3）鉆頭每次在土體中鉆進(jìn)之前稱量鉆頭的凈質(zhì)量，然后控制每次在相同的時(shí)間內(nèi)鉆進(jìn)相同的距離，取出鉆頭后稱得粘土鉆頭的總質(zhì)量，利用總質(zhì)量減去凈質(zhì)量即得到每次鉆進(jìn)時(shí)附著在鉆頭上的粘土量。通過粘土量的多少反映糊鉆現(xiàn)象的嚴(yán)重程度。

4）根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制不同含水率下鉆頭粘土量的折線圖，并對改造前后的兩種不同鉆頭進(jìn)行分析比較得出結(jié)論。

方案二：探究不同回旋魚尾鉆頭形式對糊鉆效果的影響。

1）采集容易形成糊鉆現(xiàn)象的自然第二層粘性土，直接作為試驗(yàn)用土。

2）在相同土壤條件下，用對照回旋鉆頭、普通魚尾鉆頭和仿生魚尾鉆頭進(jìn)行試驗(yàn)。

3）鉆頭每次在土體中鉆進(jìn)之前稱量鉆頭的凈質(zhì)量，然后控制每次在相同的時(shí)間內(nèi)鉆進(jìn)相同的距離，取出鉆頭后稱得粘土鉆頭的總質(zhì)量，利用總質(zhì)量減去凈質(zhì)量即得到每次鉆進(jìn)時(shí)附著在鉆頭上的粘土量。通過粘土量的多少反映糊鉆現(xiàn)象的嚴(yán)重程度。

4）根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制不同鉆頭形勢下，粘土量的條形圖。通過對比分析，比較不同魚尾形式對防糊鉆效果的影響。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 方案一糊鉆試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

按照以上試驗(yàn)方案一步驟進(jìn)行糊鉆試驗(yàn)，探究不同的土體含水率對鉆頭鉆進(jìn)和糊鉆效果的影響。

初始數(shù)據(jù)：

1）凈干土重：12642g；

2）普通鉆頭鉆前凈重：554g；

3）魚尾鉆頭鉆前凈重：601g。

對方案一試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理后得到如下數(shù)據(jù)見表1及折線圖6。

圖6 不同含水率下鉆頭粘土量的折線圖

表1 不同的土體含水率對鉆頭鉆進(jìn)和糊鉆效果的影響

4.2 方案一糊鉆試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)論

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)含水率很低時(shí)，鉆頭上粘附泥土的量都較少，“糊鉆”不容易發(fā)生；隨著含水率的增加，兩鉆頭的粘土率都開始升高，可以看出，改造后的鉆頭在減少粘土量上有明顯的優(yōu)勢，尤其當(dāng)含水率繼續(xù)增加后，魚尾鉆頭與普通鉆頭之間的差別更加明顯。從圖上可以看出，當(dāng)含水率增大到一定程度后，兩種形式鉆頭的“糊鉆”現(xiàn)象明顯得到改善，而且通過試驗(yàn)觀察到，粘附在其上的土很容易被清除。由此得到啟發(fā)，可以通過在鉆頭位置設(shè)置噴嘴來噴射清水降低含水率，從而減少“糊鉆”的可能性，同時(shí)還可以通過設(shè)計(jì)噴嘴的位置和形狀，利用噴水的壓力清除粘附在鉆頭上的土屑，但要注意不要影響到周圍的孔壁且避免噴嘴被堵塞。

從試驗(yàn)過程中還可以觀察到，由于加了魚尾以后，鉆頭的晃動更加明顯，這樣可以增大粘附在鉆頭上的土屑的離心力，促使土屑脫離。但同時(shí)由于晃動的原因，也可能造成成孔的垂直度降低，如果晃動幅度過大甚至發(fā)散的話還有可能造成鉆頭損壞等危險(xiǎn)，因此在實(shí)際施工中要特別注意。

4.3 方案二糊鉆試驗(yàn)數(shù)據(jù)

按照以上試驗(yàn)方案二步驟進(jìn)行糊鉆效果試驗(yàn)，探究不同回旋魚尾鉆頭形式對糊鉆效果的影響。

對方案二試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理后得到如下數(shù)據(jù)見表2及條形圖7。

表2 不同回旋魚尾鉆頭形式對糊鉆效果的影響

圖7 不同鉆頭形式下粘土量條形圖

4.4 方案二糊鉆試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)論

由上圖可以明顯看出三種樣式不同的鉆頭在粘土效果上的差異性。除第四次試驗(yàn)外，其余四次試驗(yàn)數(shù)據(jù)大致規(guī)律相同，都表明增加魚尾能夠較為顯著的降低鉆頭粘土率，減少鉆頭糊鉆的可能性。

方案二試驗(yàn)驗(yàn)證了不同鉆頭形式對糊鉆現(xiàn)象產(chǎn)生影響的假設(shè)。通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比分析，以及根據(jù)條形圖的顯示，魚尾鉆頭1號的黏土量最少，在三種形式的鉆頭中，防糊鉆效果最為良好，且其魚尾形式簡單，易于加工，綜合考慮各方面因素，該魚尾設(shè)計(jì)是成功的，可推廣至施工中運(yùn)用。仿生魚尾鉆頭2號雖然附著粘土量較大，但是在試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)仿生魚尾鉆頭成孔速度明顯快于其他兩種形式鉆頭，成孔效率高。能夠很好引導(dǎo)泥漿的流動，進(jìn)土速度快也是導(dǎo)致其附著土量較大的原因，如果進(jìn)一步對仿生魚尾鉆頭進(jìn)行改進(jìn)，可以達(dá)到減緩糊鉆的效果，同時(shí)提高成孔速度，提高施工效率。

綜上所述，魚尾鉆頭可提高鉆頭的防糊鉆能力。試驗(yàn)表明，不同的魚尾形式防糊鉆能力有所區(qū)別，合理選擇魚尾形式可以有效降低糊鉆危害，提高施工效率。

5 結(jié) 語

糊鉆現(xiàn)象產(chǎn)生的原因主要與土的性質(zhì)和鉆頭的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。當(dāng)成孔所在土壤粘度較高，硬度大，土層較厚時(shí)，容易出現(xiàn)糊鉆現(xiàn)象。同時(shí)，糊鉆現(xiàn)象隨著土壤的含水率變化而變化，隨著含水率的增大，糊鉆現(xiàn)象逐漸明顯，當(dāng)含水率到達(dá)一定程度后，土壤逐漸成漿狀，糊鉆現(xiàn)象會隨著含水率繼續(xù)增大而減弱?；匦@頭對糊鉆的影響因素主要集中在能否有效的對出入漿口的泥土導(dǎo)出或?qū)耄谄胀ɑ匦@頭基礎(chǔ)上增加魚尾結(jié)構(gòu)，在鉆頭鉆進(jìn)過程中可以使出入漿口的泥土更加蓬松，有利于泥漿的注入或者抽出，有效減緩粘質(zhì)土對鉆頭的附著。經(jīng)過創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究的仿生魚尾鉆頭，可以一定程度引導(dǎo)泥漿的流動，增大泥漿的流動性，可以一定程度上減緩糊鉆效應(yīng)，成孔速度快，提高施工效率，方便工程施工。

[1]Wu CJ & Wang L.Numerical simulations ofseif-propelled swimming of 3D bionic fish school.Sci China(E),2009,52(2):658-669

[2]靳益民，張新華，張西坤解決易糊鉆地層的鉆頭設(shè)計(jì)要點(diǎn).中國科技縱橫.2010，21：8，15-16

[3]李邵軍，梁群三翼鉆頭的結(jié)構(gòu)改進(jìn)及其在硬粘土地層中的應(yīng)用.地質(zhì)與勘探.2000，36（2）：43-44,62

[4]朱龍和，陳春銀淺談魚尾鉆頭在粘土層中成孔的應(yīng)用.能源技術(shù)與管理.2006，6：101-103

[5]郭智博鉆孔灌注樁中糊鉆的解決辦法.福建建筑.2010，5：91-93

[6]黎現(xiàn)林鉆孔施工“糊鉆“淺析.中國有色施工機(jī)械情報(bào)站.1987，07：9-12

[7]徐美蓮三翼刮刀魚尾鉆頭.西部礦探工程.2003,06：147-148

[8]吳錘結(jié)，信志強(qiáng)三維仿生魚尾鰭拓?fù)鋬?yōu)化研究.第七屆海峽兩岸工程力學(xué)研討會論文摘要集

[9]楊文淵橋梁工程師手冊.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1986

[10]公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范（JTJ041-2000,）[S]