長螺旋鉆機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)探析

摘 要 隨著城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，對(duì)建筑基礎(chǔ)樁的施工設(shè)備要求也越來越高，適應(yīng)于復(fù)雜地質(zhì)條件、成樁質(zhì)量高、施工成本低、施工效率高的樁型受到建筑開發(fā)和施工單位的青睞。螺旋鉆孔成樁在近30年來已被人們認(rèn)可，在施工軟地層、中軟地層和較硬地層中顯現(xiàn)出很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，為了更好地適應(yīng)建筑基礎(chǔ)市場(chǎng)的要求，對(duì)長螺旋鉆機(jī)發(fā)展進(jìn)行論述，以供參考。

關(guān)鍵詞 長螺旋鉆機(jī)；復(fù)雜地質(zhì)條件；發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：P634 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）03-0089-02

1 背景

現(xiàn)代建筑樁基礎(chǔ)施工中，成樁設(shè)備很多，各有各的特點(diǎn)。不同的設(shè)備具有不同的成孔方法及匹配的成樁工藝，同時(shí)還具有不同的最佳適應(yīng)范圍。

旋挖鉆機(jī)鉆孔深度一般不超過80 m，鉆孔直徑800 mm-2500 mm，動(dòng)力頭通過可伸縮鉆桿帶動(dòng)鉆斗旋轉(zhuǎn)，切削并收集巖土，卷揚(yáng)提升并出土，多次反復(fù)而成孔，需泥漿做護(hù)壁，防止孔壁塌落，可以挖鉆軟質(zhì)巖石，對(duì)含有卵石、碎石的地層施工有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

沖擊正反循環(huán)鉆機(jī)適應(yīng)于孔深一般不超過70 m，成孔直徑600 mm-2000 mm，通過沖擊錘擊碎巖土，利用正反循環(huán)泥漿泵排渣，需要泥漿做護(hù)壁和排渣液，對(duì)硬巖的施工有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

回轉(zhuǎn)正循環(huán)鉆機(jī)鉆孔深度一般不超過50 m，鉆孔直徑400 mm-2500 mm，回轉(zhuǎn)反循環(huán)鉆機(jī)鉆孔深一般不超過150 m，鉆孔直徑400 mm-4000 mm，回轉(zhuǎn)正反循環(huán)鉆機(jī)是通過底驅(qū)大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)鉆桿鉆頭做回轉(zhuǎn)切削運(yùn)動(dòng)，利用正反循環(huán)泥漿泵排渣，需要泥漿做護(hù)壁和排渣液，利用牙輪鉆頭可在硬質(zhì)巖層內(nèi)施工，在粘土，黃土，砂土等軟地層施工有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，但對(duì)漂石，孤石地層的施工有一定的難度。

長螺旋鉆機(jī)鉆孔深度一般不大于30 m，鉆孔直徑300 mm-1200 mm，通過頂驅(qū)動(dòng)力頭帶動(dòng)螺旋鉆具旋轉(zhuǎn)進(jìn)行鉆削和排運(yùn)巖土，在粘土、黃土、粉土、砂土等軟質(zhì)層有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，在碎石土、軟質(zhì)巖石和風(fēng)化巖石中施工有一定的難度。

夯擴(kuò)樁機(jī)，成孔深度一般不超過20 m，樁徑300 mm-600 mm，通過夯擴(kuò)錘反復(fù)做自由落體錘擊巖土，護(hù)筒跟隨沉入護(hù)壁而成，在粘土，黃土，粉土等軟質(zhì)地層施工有很強(qiáng)優(yōu)勢(shì)，在密實(shí)砂土、軟質(zhì)巖石、風(fēng)化巖石中施工有一定難度。

人工挖孔樁，成孔深度一般不超過40 m，樁徑800 mm-4000 mm，通過護(hù)板護(hù)壁，人工作業(yè)成孔，對(duì)中間有礫石夾層、地下水位以下的地層處理有一定難度。

振動(dòng)沉管成樁機(jī)，成孔深度一般不超過35 m，成孔直徑300 mm-700 mm，通過頂驅(qū)高頻振動(dòng)錘帶動(dòng)的鋼樁管和樁頭沉入地層里，適用于粘土、黃土、粉土等軟質(zhì)地層，對(duì)密實(shí)砂土、中間有硬夾層的地層施工有一定的難度。

靜壓樁機(jī)，壓樁深度一般不超過70 m，樁徑300 mm-600 mm，通過液壓夾持器將高強(qiáng)度預(yù)制樁沉入地層里，在粘土、黃土、粉土、淤泥質(zhì)土等軟質(zhì)地層施工有很強(qiáng)優(yōu)勢(shì)，在砂土、中間有硬夾層的地層施工有一定難度。

上述這幾種施工設(shè)備及方法中，旋挖鉆機(jī)、沖擊正反循環(huán)鉆機(jī)、回轉(zhuǎn)正反循環(huán)鉆機(jī)的施工中需泥漿護(hù)壁及排渣，施工過程需水下澆灌混凝土，現(xiàn)場(chǎng)需排污處理；夯擴(kuò)樁機(jī)、振動(dòng)沉管成樁機(jī)在施工過程中具有振動(dòng)和噪聲，同時(shí)對(duì)密實(shí)砂土、軟質(zhì)巖石施工都有一定難度；人工挖孔施工安全性差，現(xiàn)行業(yè)部門已有所限制；靜壓樁機(jī)，搬遷費(fèi)用高，在砂土、中間有硬夾層等硬地層的施工有難度；長螺旋鉆機(jī)既無泥漿護(hù)壁而造成污染，又無振動(dòng)和噪聲而造成擾民，同時(shí)搬遷運(yùn)輸方便，缺點(diǎn)是對(duì)深樁（樁長大于30 m）大徑（直徑大于1200 mm），硬巖（巖石抗壓強(qiáng)度值大于600 kPa）的施工有一定難度。改善和突破長螺旋鉆機(jī)在硬巖層的施工成樁，有利于降低施工成本，提高施工效益，值得研究和實(shí)施。

2 建筑市場(chǎng)現(xiàn)狀

改革開放30多年來，國內(nèi)營建了大型城市群，大型基礎(chǔ)設(shè)施的建筑，為樁基礎(chǔ)施工帶來了巨大的市場(chǎng)，同時(shí)也帶動(dòng)了樁基礎(chǔ)施工設(shè)備的開發(fā)與制造。隨著城市建設(shè)規(guī)模的增大，逐漸形成了一線城市，二線城市。大城市向外擴(kuò)張式發(fā)展已受到一定的局限性，一是加大了大城市與邊遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)發(fā)展的不平衡，二是占用大量耕地。近幾年國家調(diào)整了發(fā)展政策，加大了中小城市和邊遠(yuǎn)地區(qū)的發(fā)展，逐漸改善和提高不發(fā)達(dá)和欠發(fā)達(dá)地區(qū)人們的生活水平，幸福指數(shù)。實(shí)行農(nóng)村城鎮(zhèn)化，小城市化，中小城市群的改革方向，這給基礎(chǔ)建筑樁施工帶來了商機(jī)。中小城市及城鎮(zhèn)的地理位置多在山區(qū)地帶，地質(zhì)條件比較復(fù)雜，回填入巖樁，穿越礫石夾層及碎石層樁，是建筑樁基礎(chǔ)的主體，隨著城市建設(shè)用地控制使用，樓房建設(shè)越來越高，要求樁基礎(chǔ)承載能力也越來越高，端載入巖樁是比較適合山區(qū)建筑樁基礎(chǔ)的一種樁型，現(xiàn)在的入巖施工設(shè)備中，都有一定的不足之處，泥漿護(hù)壁和排渣，造成環(huán)境的污染，振動(dòng)沖擊，不僅噪聲大，而且會(huì)影響和破壞周圍建筑物。研制和改進(jìn)一種既能入巖又環(huán)保的樁基礎(chǔ)施工設(shè)備是當(dāng)前建筑市場(chǎng)的需要。

3 長螺旋鉆機(jī)破巖機(jī)理

3.1 巖石破碎機(jī)理

通過彈性力學(xué)的研究結(jié)果來分析巖石內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)，巖石在受軸向壓力單獨(dú)作用時(shí)，彈性半無限體內(nèi)等應(yīng)力線的分布是均勻的、對(duì)稱的，巖石內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，此集中區(qū)是巖石破碎的突破點(diǎn)。巖石在軸向力和切向力共同作用時(shí)，巖石內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，如圖1所示。巖石內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)特征分為三個(gè)區(qū)：在接觸面上切向力作用的前方將產(chǎn)生壓應(yīng)力，形成正應(yīng)力區(qū)。在切向力的后方將產(chǎn)生拉應(yīng)力，形拉應(yīng)力區(qū)。在正應(yīng)力區(qū)和拉應(yīng)力區(qū)之間形成過渡區(qū)。軸向力和切向力共同作用的結(jié)果，可以看作是破巖工具對(duì)巖石表面以某一角度施加作用力，巖石破碎效果由此作用力的大小和方向決定。正應(yīng)力區(qū)是隨著軸向力的增加而擴(kuò)大，隨切向力的增加而減小，拉應(yīng)力區(qū)則是隨著軸向力增加而縮小，隨切應(yīng)力的增加而擴(kuò)大。根據(jù)巖石各種強(qiáng)度比例關(guān)系可知（見表1），巖石的抗剪切強(qiáng)度極限遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度極限，可見巖石采取剪切方式破碎是比較合理的。endprint

表1 不同受載方式下的巖石強(qiáng)度相對(duì)值

巖石 不同受載方式下的巖石強(qiáng)度相對(duì)值

抗壓 抗拉 抗彎 抗剪

花崗巖 1 0.02-0.04 0.08 0.09

砂 巖 1 0.02-0.05 0.06-0.20 0.10-0.12

石灰?guī)r 1 0.04-0.10 0.08-0.10 0.15

3.2 巖石的破碎過程

巖石在不同的軸壓作用下破碎速度是不同的，如圖2所示，巖石的破壞分三個(gè)階段，即研磨破碎階段，疲勞破碎階段和躍進(jìn)破碎階段。研磨破碎階段，在較小軸壓的作用下，巖石的破碎是靠旋轉(zhuǎn)的巖石刀具與巖石表面接觸所產(chǎn)生的摩擦力的作用導(dǎo)致巖石表面磨損，這個(gè)階段巖石破碎速度很慢，破碎的巖石顆粒小，但巖石刀具磨損大、損耗大。疲勞破碎階段，軸壓繼續(xù)加大，但還沒有達(dá)到巖石的抗壓強(qiáng)度極限值或壓入硬度值，巖石的破碎只要是靠破巖刀具多次與巖石沖擊接觸，使巖石產(chǎn)生微裂紋，隨著沖擊次數(shù)的增多，裂紋也增多。當(dāng)巖石強(qiáng)度降到某一程度時(shí)，便形成大顆粒巖屑，導(dǎo)致巖石疲勞破碎。此階段巖石的破碎速度較研磨破碎階段有所提高，但刀具的損壞還是比較嚴(yán)重。躍進(jìn)破碎階段，軸壓繼續(xù)加大，達(dá)到巖石的抗壓強(qiáng)度極限值或壓入硬度值時(shí)，旋轉(zhuǎn)的破巖刀具主要以剪切的方式進(jìn)行破巖，此時(shí)鉆頭損耗小，破碎效果最佳。隨著軸壓的繼續(xù)增大，破碎速度呈線性增加。由此可知，軸壓的大小是能否快速破巖的關(guān)鍵，此剪切方式破巖是效率最高，效益最好。

3.3 影響長螺旋鉆機(jī)入巖的因素

1）巖石的類型。不同的巖石的抗壓強(qiáng)度或壓入硬度值不同，抗壓強(qiáng)度或壓入硬度值越大，入巖所需的軸壓越高，入巖難度也越高，反之亦然。各種地層的抗壓強(qiáng)度值見表2。

表2 幾種常見巖石的抗壓強(qiáng)度值 （Mpa）

巖石種類 頁巖 泥灰?guī)r 砂巖 石灰?guī)r 片麻巖

抗壓強(qiáng)度 9.8-98 12-98 19.6-196 29-245 49-196

巖石種類 干板巖 凝灰?guī)r 云母片巖 石英片巖 白云巖

抗壓強(qiáng)度 49-196 59-167 59-127 69-178 78-245

2）入巖鉆頭的結(jié)構(gòu)形式。入巖鉆頭選擇截齒作為刀具，根據(jù)自由面巖石破碎的理論，相鄰截齒同時(shí)侵入巖石時(shí)，會(huì)互相為對(duì)方創(chuàng)造自由面，相鄰截齒間的距離為10 cm-12 cm為最佳，入巖鉆頭的形狀采用錐形結(jié)構(gòu)，采取錐頭尖部小徑入巖，逐漸擴(kuò)孔的方式。先入巖的截齒為后入巖的截齒創(chuàng)造自由面。截齒與巖面的傾角一般選擇45?-65?之間，巖石硬度越高，傾角越大。截齒隨入巖鉆頭做公轉(zhuǎn)的同時(shí)也做自轉(zhuǎn)，有利于巖石的破碎。

3）長螺旋鉆機(jī)軸向加壓能力和動(dòng)力頭輸出轉(zhuǎn)矩的影響。由巖石破碎過程可知，躍進(jìn)破碎階段是最理想的，這就要求軸壓達(dá)到所破巖石的抗壓強(qiáng)度極限或壓入硬度值。普通長螺旋沒有加壓裝置，只靠鉆具的自重和動(dòng)力頭的重量作為加壓，很難達(dá)到入巖軸壓，導(dǎo)致研磨破碎或疲勞破碎，破巖效率很低，耗材大。

鉆頭切削巖土所產(chǎn)生的阻力矩M與鉆進(jìn)速度V，鉆頭直徑D，巖石強(qiáng)度δ及轉(zhuǎn)數(shù)n有關(guān)。

M=F·D/2=0.12D2Vδ/n

式中：F-螺旋鉆頭阻力。

螺旋鉆具排土所需扭矩M2=0.25D3 L·ρ/Kp

式中：D-鉆頭直徑；L-螺旋長度；ρ-巖土容重；Kp-巖土松散度系數(shù)，Kp=1.1-1.2。

由此可知，長螺旋鉆機(jī)的動(dòng)力頭輸出扭矩和軸向加壓能力是能否破碎巖石的關(guān)鍵因素，增加長螺旋鉆機(jī)的加壓功能，加大動(dòng)力頭輸出扭矩能擴(kuò)大長螺旋鉆機(jī)的施工成孔能力。

4 實(shí)踐現(xiàn)場(chǎng)

沈陽鉆探機(jī)械研制中心，研制了JUS120長螺旋鉆機(jī)，動(dòng)力頭輸出額定轉(zhuǎn)矩為250 kN·m，額定加壓力為400 kN，在遼寧省凌源市龍?zhí)┖栏^(qū)1-5號(hào)樓施工，滿足了樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要求，地質(zhì)勘探報(bào)告：第一層雜填土0.8 m-5.0 m；第二層粉土0.4 m-1.10 m；第三層礫砂0.4-4.40 m ；第四層圓礫3.2 m-6.90 m；第五層強(qiáng)風(fēng)化安山巖；3.3 m-5.70 m；樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要求，樁端持力層強(qiáng)風(fēng)化安山巖入巖深度不小于3倍樁徑。樁徑為3種，Φ800單樁豎向抗壓承載力特征值為2250 kPa；Φ1000單樁豎向抗壓承載力特征值為3250 kPa；Φ1200單樁豎向抗壓承載力特征值為4500 kPa；通過與同現(xiàn)場(chǎng)的6-10號(hào)樓旋挖鉆施工，效率提高15%-18%，成本降低12%-15%左右。

5 結(jié)束語

長螺旋鉆機(jī)的升級(jí)改造，不僅給設(shè)備的生產(chǎn)制造商帶來效益，而且給施工單位和建筑開發(fā)單位帶來更大的收益，在建筑樁基礎(chǔ)市場(chǎng)中會(huì)得到越來越多的應(yīng)用和發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]高大釗，朱小林.巖土工程手冊(cè)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1994.

[2]余靜，徐小荷.巖土破碎學(xué)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1984.

[3]沈保漢.樁基與深基坑支護(hù)技術(shù)發(fā)展[M].北京：知識(shí)產(chǎn)權(quán)出版社，2006.

[4]松崗，李技.多功能旋挖鉆機(jī)長螺旋鉆具的研制[J].探礦工程，2010，38（5）.

作者簡介

劉守進(jìn)（1965-），男，遼寧沈陽人，總工程師，大學(xué)畢業(yè)，從事機(jī)械設(shè)計(jì)及制造工作。endprint

表1 不同受載方式下的巖石強(qiáng)度相對(duì)值

巖石 不同受載方式下的巖石強(qiáng)度相對(duì)值

抗壓 抗拉 抗彎 抗剪

花崗巖 1 0.02-0.04 0.08 0.09

砂 巖 1 0.02-0.05 0.06-0.20 0.10-0.12

石灰?guī)r 1 0.04-0.10 0.08-0.10 0.15

3.2 巖石的破碎過程

巖石在不同的軸壓作用下破碎速度是不同的，如圖2所示，巖石的破壞分三個(gè)階段，即研磨破碎階段，疲勞破碎階段和躍進(jìn)破碎階段。研磨破碎階段，在較小軸壓的作用下，巖石的破碎是靠旋轉(zhuǎn)的巖石刀具與巖石表面接觸所產(chǎn)生的摩擦力的作用導(dǎo)致巖石表面磨損，這個(gè)階段巖石破碎速度很慢，破碎的巖石顆粒小，但巖石刀具磨損大、損耗大。疲勞破碎階段，軸壓繼續(xù)加大，但還沒有達(dá)到巖石的抗壓強(qiáng)度極限值或壓入硬度值，巖石的破碎只要是靠破巖刀具多次與巖石沖擊接觸，使巖石產(chǎn)生微裂紋，隨著沖擊次數(shù)的增多，裂紋也增多。當(dāng)巖石強(qiáng)度降到某一程度時(shí)，便形成大顆粒巖屑，導(dǎo)致巖石疲勞破碎。此階段巖石的破碎速度較研磨破碎階段有所提高，但刀具的損壞還是比較嚴(yán)重。躍進(jìn)破碎階段，軸壓繼續(xù)加大，達(dá)到巖石的抗壓強(qiáng)度極限值或壓入硬度值時(shí)，旋轉(zhuǎn)的破巖刀具主要以剪切的方式進(jìn)行破巖，此時(shí)鉆頭損耗小，破碎效果最佳。隨著軸壓的繼續(xù)增大，破碎速度呈線性增加。由此可知，軸壓的大小是能否快速破巖的關(guān)鍵，此剪切方式破巖是效率最高，效益最好。

3.3 影響長螺旋鉆機(jī)入巖的因素

1）巖石的類型。不同的巖石的抗壓強(qiáng)度或壓入硬度值不同，抗壓強(qiáng)度或壓入硬度值越大，入巖所需的軸壓越高，入巖難度也越高，反之亦然。各種地層的抗壓強(qiáng)度值見表2。

表2 幾種常見巖石的抗壓強(qiáng)度值 （Mpa）

巖石種類 頁巖 泥灰?guī)r 砂巖 石灰?guī)r 片麻巖

抗壓強(qiáng)度 9.8-98 12-98 19.6-196 29-245 49-196

巖石種類 干板巖 凝灰?guī)r 云母片巖 石英片巖 白云巖

抗壓強(qiáng)度 49-196 59-167 59-127 69-178 78-245

2）入巖鉆頭的結(jié)構(gòu)形式。入巖鉆頭選擇截齒作為刀具，根據(jù)自由面巖石破碎的理論，相鄰截齒同時(shí)侵入巖石時(shí)，會(huì)互相為對(duì)方創(chuàng)造自由面，相鄰截齒間的距離為10 cm-12 cm為最佳，入巖鉆頭的形狀采用錐形結(jié)構(gòu)，采取錐頭尖部小徑入巖，逐漸擴(kuò)孔的方式。先入巖的截齒為后入巖的截齒創(chuàng)造自由面。截齒與巖面的傾角一般選擇45?-65?之間，巖石硬度越高，傾角越大。截齒隨入巖鉆頭做公轉(zhuǎn)的同時(shí)也做自轉(zhuǎn)，有利于巖石的破碎。

3）長螺旋鉆機(jī)軸向加壓能力和動(dòng)力頭輸出轉(zhuǎn)矩的影響。由巖石破碎過程可知，躍進(jìn)破碎階段是最理想的，這就要求軸壓達(dá)到所破巖石的抗壓強(qiáng)度極限或壓入硬度值。普通長螺旋沒有加壓裝置，只靠鉆具的自重和動(dòng)力頭的重量作為加壓，很難達(dá)到入巖軸壓，導(dǎo)致研磨破碎或疲勞破碎，破巖效率很低，耗材大。

鉆頭切削巖土所產(chǎn)生的阻力矩M與鉆進(jìn)速度V，鉆頭直徑D，巖石強(qiáng)度δ及轉(zhuǎn)數(shù)n有關(guān)。

M=F·D/2=0.12D2Vδ/n

式中：F-螺旋鉆頭阻力。

螺旋鉆具排土所需扭矩M2=0.25D3 L·ρ/Kp

式中：D-鉆頭直徑；L-螺旋長度；ρ-巖土容重；Kp-巖土松散度系數(shù)，Kp=1.1-1.2。

由此可知，長螺旋鉆機(jī)的動(dòng)力頭輸出扭矩和軸向加壓能力是能否破碎巖石的關(guān)鍵因素，增加長螺旋鉆機(jī)的加壓功能，加大動(dòng)力頭輸出扭矩能擴(kuò)大長螺旋鉆機(jī)的施工成孔能力。

4 實(shí)踐現(xiàn)場(chǎng)

沈陽鉆探機(jī)械研制中心，研制了JUS120長螺旋鉆機(jī)，動(dòng)力頭輸出額定轉(zhuǎn)矩為250 kN·m，額定加壓力為400 kN，在遼寧省凌源市龍?zhí)┖栏^(qū)1-5號(hào)樓施工，滿足了樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要求，地質(zhì)勘探報(bào)告：第一層雜填土0.8 m-5.0 m；第二層粉土0.4 m-1.10 m；第三層礫砂0.4-4.40 m ；第四層圓礫3.2 m-6.90 m；第五層強(qiáng)風(fēng)化安山巖；3.3 m-5.70 m；樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要求，樁端持力層強(qiáng)風(fēng)化安山巖入巖深度不小于3倍樁徑。樁徑為3種，Φ800單樁豎向抗壓承載力特征值為2250 kPa；Φ1000單樁豎向抗壓承載力特征值為3250 kPa；Φ1200單樁豎向抗壓承載力特征值為4500 kPa；通過與同現(xiàn)場(chǎng)的6-10號(hào)樓旋挖鉆施工，效率提高15%-18%，成本降低12%-15%左右。

5 結(jié)束語

長螺旋鉆機(jī)的升級(jí)改造，不僅給設(shè)備的生產(chǎn)制造商帶來效益，而且給施工單位和建筑開發(fā)單位帶來更大的收益，在建筑樁基礎(chǔ)市場(chǎng)中會(huì)得到越來越多的應(yīng)用和發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]高大釗，朱小林.巖土工程手冊(cè)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1994.

[2]余靜，徐小荷.巖土破碎學(xué)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1984.

[3]沈保漢.樁基與深基坑支護(hù)技術(shù)發(fā)展[M].北京：知識(shí)產(chǎn)權(quán)出版社，2006.

[4]松崗，李技.多功能旋挖鉆機(jī)長螺旋鉆具的研制[J].探礦工程，2010，38（5）.

作者簡介

劉守進(jìn)（1965-），男，遼寧沈陽人，總工程師，大學(xué)畢業(yè)，從事機(jī)械設(shè)計(jì)及制造工作。endprint

表1 不同受載方式下的巖石強(qiáng)度相對(duì)值

巖石 不同受載方式下的巖石強(qiáng)度相對(duì)值

抗壓 抗拉 抗彎 抗剪

花崗巖 1 0.02-0.04 0.08 0.09

砂 巖 1 0.02-0.05 0.06-0.20 0.10-0.12

石灰?guī)r 1 0.04-0.10 0.08-0.10 0.15

3.2 巖石的破碎過程

巖石在不同的軸壓作用下破碎速度是不同的，如圖2所示，巖石的破壞分三個(gè)階段，即研磨破碎階段，疲勞破碎階段和躍進(jìn)破碎階段。研磨破碎階段，在較小軸壓的作用下，巖石的破碎是靠旋轉(zhuǎn)的巖石刀具與巖石表面接觸所產(chǎn)生的摩擦力的作用導(dǎo)致巖石表面磨損，這個(gè)階段巖石破碎速度很慢，破碎的巖石顆粒小，但巖石刀具磨損大、損耗大。疲勞破碎階段，軸壓繼續(xù)加大，但還沒有達(dá)到巖石的抗壓強(qiáng)度極限值或壓入硬度值，巖石的破碎只要是靠破巖刀具多次與巖石沖擊接觸，使巖石產(chǎn)生微裂紋，隨著沖擊次數(shù)的增多，裂紋也增多。當(dāng)巖石強(qiáng)度降到某一程度時(shí)，便形成大顆粒巖屑，導(dǎo)致巖石疲勞破碎。此階段巖石的破碎速度較研磨破碎階段有所提高，但刀具的損壞還是比較嚴(yán)重。躍進(jìn)破碎階段，軸壓繼續(xù)加大，達(dá)到巖石的抗壓強(qiáng)度極限值或壓入硬度值時(shí)，旋轉(zhuǎn)的破巖刀具主要以剪切的方式進(jìn)行破巖，此時(shí)鉆頭損耗小，破碎效果最佳。隨著軸壓的繼續(xù)增大，破碎速度呈線性增加。由此可知，軸壓的大小是能否快速破巖的關(guān)鍵，此剪切方式破巖是效率最高，效益最好。

3.3 影響長螺旋鉆機(jī)入巖的因素

1）巖石的類型。不同的巖石的抗壓強(qiáng)度或壓入硬度值不同，抗壓強(qiáng)度或壓入硬度值越大，入巖所需的軸壓越高，入巖難度也越高，反之亦然。各種地層的抗壓強(qiáng)度值見表2。

表2 幾種常見巖石的抗壓強(qiáng)度值 （Mpa）

巖石種類 頁巖 泥灰?guī)r 砂巖 石灰?guī)r 片麻巖

抗壓強(qiáng)度 9.8-98 12-98 19.6-196 29-245 49-196

巖石種類 干板巖 凝灰?guī)r 云母片巖 石英片巖 白云巖

抗壓強(qiáng)度 49-196 59-167 59-127 69-178 78-245

2）入巖鉆頭的結(jié)構(gòu)形式。入巖鉆頭選擇截齒作為刀具，根據(jù)自由面巖石破碎的理論，相鄰截齒同時(shí)侵入巖石時(shí)，會(huì)互相為對(duì)方創(chuàng)造自由面，相鄰截齒間的距離為10 cm-12 cm為最佳，入巖鉆頭的形狀采用錐形結(jié)構(gòu)，采取錐頭尖部小徑入巖，逐漸擴(kuò)孔的方式。先入巖的截齒為后入巖的截齒創(chuàng)造自由面。截齒與巖面的傾角一般選擇45?-65?之間，巖石硬度越高，傾角越大。截齒隨入巖鉆頭做公轉(zhuǎn)的同時(shí)也做自轉(zhuǎn)，有利于巖石的破碎。

3）長螺旋鉆機(jī)軸向加壓能力和動(dòng)力頭輸出轉(zhuǎn)矩的影響。由巖石破碎過程可知，躍進(jìn)破碎階段是最理想的，這就要求軸壓達(dá)到所破巖石的抗壓強(qiáng)度極限或壓入硬度值。普通長螺旋沒有加壓裝置，只靠鉆具的自重和動(dòng)力頭的重量作為加壓，很難達(dá)到入巖軸壓，導(dǎo)致研磨破碎或疲勞破碎，破巖效率很低，耗材大。

鉆頭切削巖土所產(chǎn)生的阻力矩M與鉆進(jìn)速度V，鉆頭直徑D，巖石強(qiáng)度δ及轉(zhuǎn)數(shù)n有關(guān)。

M=F·D/2=0.12D2Vδ/n

式中：F-螺旋鉆頭阻力。

螺旋鉆具排土所需扭矩M2=0.25D3 L·ρ/Kp

式中：D-鉆頭直徑；L-螺旋長度；ρ-巖土容重；Kp-巖土松散度系數(shù)，Kp=1.1-1.2。

由此可知，長螺旋鉆機(jī)的動(dòng)力頭輸出扭矩和軸向加壓能力是能否破碎巖石的關(guān)鍵因素，增加長螺旋鉆機(jī)的加壓功能，加大動(dòng)力頭輸出扭矩能擴(kuò)大長螺旋鉆機(jī)的施工成孔能力。

4 實(shí)踐現(xiàn)場(chǎng)

沈陽鉆探機(jī)械研制中心，研制了JUS120長螺旋鉆機(jī)，動(dòng)力頭輸出額定轉(zhuǎn)矩為250 kN·m，額定加壓力為400 kN，在遼寧省凌源市龍?zhí)┖栏^(qū)1-5號(hào)樓施工，滿足了樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要求，地質(zhì)勘探報(bào)告：第一層雜填土0.8 m-5.0 m；第二層粉土0.4 m-1.10 m；第三層礫砂0.4-4.40 m ；第四層圓礫3.2 m-6.90 m；第五層強(qiáng)風(fēng)化安山巖；3.3 m-5.70 m；樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要求，樁端持力層強(qiáng)風(fēng)化安山巖入巖深度不小于3倍樁徑。樁徑為3種，Φ800單樁豎向抗壓承載力特征值為2250 kPa；Φ1000單樁豎向抗壓承載力特征值為3250 kPa；Φ1200單樁豎向抗壓承載力特征值為4500 kPa；通過與同現(xiàn)場(chǎng)的6-10號(hào)樓旋挖鉆施工，效率提高15%-18%，成本降低12%-15%左右。

5 結(jié)束語

長螺旋鉆機(jī)的升級(jí)改造，不僅給設(shè)備的生產(chǎn)制造商帶來效益，而且給施工單位和建筑開發(fā)單位帶來更大的收益，在建筑樁基礎(chǔ)市場(chǎng)中會(huì)得到越來越多的應(yīng)用和發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]高大釗，朱小林.巖土工程手冊(cè)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1994.

[2]余靜，徐小荷.巖土破碎學(xué)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1984.

[3]沈保漢.樁基與深基坑支護(hù)技術(shù)發(fā)展[M].北京：知識(shí)產(chǎn)權(quán)出版社，2006.

[4]松崗，李技.多功能旋挖鉆機(jī)長螺旋鉆具的研制[J].探礦工程，2010，38（5）.

作者簡介

劉守進(jìn)（1965-），男，遼寧沈陽人，總工程師，大學(xué)畢業(yè)，從事機(jī)械設(shè)計(jì)及制造工作。endprint