螺旋半擠土排土鉆具的研制

【摘要】螺旋半擠土排土鉆具是以擠土為主、排土為輔的螺旋鉆進成孔的鉆具。鉆具是由鉆頭部分和標準鉆具部分組成。本鉆具同時具有擠土成孔和排土成孔的優(yōu)點，提高了樁的承載力，減少了排土，杜絕了縮徑和斷樁，鉆進無振動和噪音，匹配鉆機設備成本不貴重，適用于回填土、粘土、砂土、強風化等各種復雜地層。

【關鍵詞】螺旋鉆具；半擠土排土；鉆頭；錐體

一、螺旋鉆孔成樁的背景

在建筑基礎領域中，螺旋鉆孔成樁具有很大的優(yōu)勢，它具有成樁效率高，成本造價較低，施工過程簡單等優(yōu)點。按樁基礎的成樁方法，螺旋鉆孔成樁可分為排土樁和非排土樁，排土樁如長螺旋CFG樁、超流態(tài)樁等，他們主要是利用高速小扭矩動力頭帶動鉆具作離心排土方式成孔，這種排土樁的特點是樁承載力一般，成本造價較高，清理排出殘土費用高，使用設備簡單，設備成本低等；非排土樁有預制樁和現(xiàn)澆樁兩大類，預制樁具有制造設備昂貴，生產成本高，樁身長、運輸困難，只適用于軟土層和小樁徑等缺點，現(xiàn)澆樁有螺桿樁和雙向螺旋擠擴樁。雙向螺旋擠擴樁，它主要是利用低速大轉矩動力頭帶動鉆具擠壓不排土方式成孔，使用的專用鉆頭是雙向螺旋封閉擠擴鉆頭。這種非排土樁的特點是施工時，無須將土壤排出地面，而是靠鉆具的錐形面將鉆頭部鉆出的土壤逐漸擠向孔周圍的土壤層內，使孔周圍土層的土壤密度增加，從而增大樁承載力，提高了工程質量。由于無殘土排出，所以節(jié)省了大量的人力和機械，降低了工程的造價。但匹配使用設備昂貴，施工過程經常會出現(xiàn)憋鉆和埋鉆現(xiàn)象。憋鉆主要是由動力頭輸出轉矩不足造成的，埋鉆是由雙向螺旋擠擴鉆頭和鉆桿的結構造成的。鉆孔過程中對已擠擴成形的樁孔沒有進行防縮徑、塌落的保護措施?；诂F(xiàn)有的樁基礎螺旋鉆孔成樁的各自特點，結合實踐生產制造出螺旋半擠土排土鉆具。該鉆具成樁承載力高、排土少，施工效率高、樁身質量可靠，匹配設備成本合理，能適應各種復雜地層的施工。

二、擠排土原理

雙向螺旋擠擴樁是采用專用的雙向螺旋封閉擠擴鉆頭進行擠擴成孔的。在鉆進擠擴過程中，土體被鉆頭底端螺旋葉片上的合金鉆齒旋轉出來，沿螺旋葉片表面做自下而上的螺旋運動，逐步被鉆頭錐臺體芯管的外表面擠入樁孔側壁，錐臺體芯管最大外徑為樁孔直徑，與封閉擠擴體（圓柱體）相聯(lián)，這樣被旋轉出來的土體只能在很短的錐臺體芯管的外表面與樁孔壁之間存留，如果巖層較硬，密度較大或動力頭輸出轉矩不足時，就很容易憋鉆。對于已擠擴成的樁孔，由于不同巖層間擠壓穩(wěn)定性差，沒有防縮徑塌落的措施，容易造成塌落埋鉆的現(xiàn)象。長螺旋排土樁是完全排土鉆孔成樁，土體被鉆頭底端螺旋葉片上的鉆齒旋轉出來，沿螺旋鉆具葉片做自下而上的螺旋運動，直到地平面，所需的動力轉矩小，但樁間擠土效應差，樁承載力一般，殘土清理費用高。螺旋半擠土排土鉆具的工作原理，通過鉆頭葉片底端鉆齒將巖土旋鉆出來，巖土在錐體葉片的作用下，一部分巖土被錐體葉片及錐體芯管擠壓到樁孔內壁，剩余部分巖土沿著錐體葉片做自下而上的螺旋運動到柱體鉆具葉片處，柱體螺旋葉片上的巖土，一部分又被葉片擠擴到樁孔內壁，剩余部分將沿著柱體葉片做自下而上的螺旋運動到雙錐鉆具葉片上，巖土經過雙錐鉆具過程中，一部分被葉片和錐體芯管擠壓到樁孔內壁，剩余部分巖土沿葉片做自下而上的螺旋運動到柱體鉆具部分。就這樣，巖土一旦被鉆頭部分的鉆齒旋鉆出來，巖土在沿葉片做自下而上的螺旋運動過程中，巖土每到一處，總有一部分被擠壓到孔內側壁，最后，排出地平面的巖土已經是很少的一部分。

三、鉆具結構

鉆具結構組成如圖1所示，螺旋半擠土排土鉆具是由鉆頭部分和標準鉆具部分組成，其中標準鉆具部分是由柱體鉆具和雙錐體鉆具組成，鉆頭部分和雙錐體鉆具的錐體芯管的外表都有螺旋葉片，葉片的外緣分布著均勻的缺口，柱體鉆具的柱體芯管外表有截面為梯形的螺旋葉片。根據樁孔的深度可選用一節(jié)或多節(jié)標準鉆具部分，通過接頭連接在一起，一節(jié)標準鉆具長度在3m～3.5m之間。鉆頭部分（如圖2所示）是由上接頭（序號1）、錐體葉片（序號2）、錐體芯管（序號3）、鉆頭尖（序號4）、銷軸（序號5）、鉆頭尖齒（序號6）、鉆頭葉片齒（序號7）、柱體葉片（序號8）組成，鉆頭尖（序號4）可以繞銷軸（序號5）旋轉。標準鉆具部分（如圖3所示）是由上接頭（序號1）、柱體葉片（序號8）、錐體葉片（序號2）、雙錐芯管（序號9）、柱體芯管（序號10）、下接頭（序號11）組成，它是由一個雙錐鉆具和兩個柱體鉆具組成。

四、結論

螺旋半擠土排土鉆具的實用性強，所形成的樁承載力高，沉降更小，更加環(huán)保，效率高，并解決了復雜地層擠擴孔難的問題，同時又大大減少了排土量，省去了運送殘土的費用，降低了成本，對配套設備的要求合理，廣泛適用于交通工程和工民建筑樁基礎中。

參考文獻

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作者簡介

薛淑華（1964年），女，遼寧沈陽，從事機械設計及制造工作，高級工程師。