新型集土式擴底鉆具的研制與試驗應(yīng)用

徐軍軍，馮美貴，黃玉文，楊 鵬，王玉超

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

0 引言

鉆孔灌注擴底樁是在直樁基礎(chǔ)上對施工工法進行優(yōu)化改進和完善而形成的一種新型鉆孔灌注樁，旋挖擴底鉆進是利用旋挖鉆機對樁孔進行擴底鉆進。一般鉆孔擴底灌注樁是把按等直徑鉆孔方法形成的樁孔鉆進到預(yù)定的深度后，換上擴底鉆頭，撐開鉆頭的擴孔刀刃使之旋轉(zhuǎn)切削地層以形成擴大孔底，待成孔后放入鋼筋籠，灌注混凝土形成擴底樁以獲得較大承載能力[1-2]。擴底樁的底部直徑一般為樁身直徑的1.5～2倍，因此擴底樁的樁端承載力是普通直型樁的2～4倍。在基礎(chǔ)工程施工中，擴底樁與普通直樁相比具有承載能力強、振動小、噪聲低、工期短等優(yōu)點，因此該樁型應(yīng)用范圍越來越廣泛[3]。

目前國內(nèi)配套擴底樁施工所用的機械式擴底鉆具還存在以下問題。

(1)擴孔與取土、清孔工序分離，機械式擴底鉆具擴孔作業(yè)完成后，還需用如雙底撈砂鉆斗、清孔鉆斗或空氣反循環(huán)鉆具等多種專業(yè)設(shè)備，反復(fù)交替作業(yè)完成取土、清孔等其它專門工序，工序較繁瑣且復(fù)雜。

(2)現(xiàn)有施工技術(shù)條件下，多種工序需要更換不同的施工設(shè)備交替作業(yè)，從而導(dǎo)致孔壁不穩(wěn)定、孔底易坍塌、樁孔成形差、孔內(nèi)沉渣難以清理干凈、施工效率低等一系列問題。

針對于此類常見問題，我所研制了一種鉆進成孔過程中不需要更換鉆頭，集鉆孔、擴孔、取土多項功能于一體的新型集土式擴底鉆具，簡化了施工工序，且具有孔壁穩(wěn)定、成孔速度快、施工效率高、安全可靠等優(yōu)勢，滿足鉆孔擴底灌注樁施工要求[4-6]。

1 擴底樁設(shè)計理論

根據(jù)擴底樁的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)形式，擴底樁的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)主要有擴底角θ、樁身直徑d、最大擴底直徑D、最大直徑段高度hb、擴底斜邊高度hc、擴底高度h。擴底樁樁形圖如圖1所示。

圖1 擴底樁樁形圖

(1)擴底角、擴底高度與擴底、樁身直徑存在經(jīng)驗公式：h≥2(D-d)；對于土層等松散地層，擴底角θ為12°～15°，對于巖石地層，擴底角θ為25°～30°。

(3)擴大倍數(shù)：當(dāng)持力層承載力低于其上部綜合載荷時，可采用擴底的型式來提高單樁承載力。擴底端直徑與樁身直徑比D/d，應(yīng)根據(jù)樁端及樁側(cè)巖土物理力學(xué)性質(zhì)和樁端承載力要求確定，挖孔樁的D/d不應(yīng)大于3，鉆孔樁的D/d不應(yīng)大于2.5。

(4)擴底端底面形狀：為了避免在垂直荷載作用下，因樁底面的剪應(yīng)力集中而引起土體的剪切破壞，擴底鉆頭在擴張成孔時，應(yīng)保持最大擴張下切面與樁s底中心底面形成的高差，使成孔后呈鍋底形，有利于清孔和提高端承力。擴底后hb=(0.15～0.20)D。hb根據(jù)d來確定,一般200 mm≤hb≤400 mm[7-10]。

2 集土式擴底鉆具的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化改進

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

集土式擴底鉆具主要由液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、機械系統(tǒng)組成，其中液壓系統(tǒng)主要為擴底鉆具提供動力，可借助鉆機自帶液壓泵站來提供，也可采用獨立液壓泵站；控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制鉆具開合并檢測相關(guān)參數(shù)；鉆具的機械系統(tǒng)負(fù)責(zé)鉆具擴底、集土等動作的實施。

其中鉆具本體主要包括傳動機構(gòu)、導(dǎo)向機構(gòu)、滑動機構(gòu)、限位機構(gòu)、矛頭機構(gòu)、鉆翼本體機構(gòu)、連桿機構(gòu)、集土機構(gòu)、同步絞車裝置、內(nèi)置位移傳感器液壓油缸、切削具等零部件，其結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

1—同步絞車裝置；2—傳動機構(gòu)；3—切削具；4—導(dǎo)向機構(gòu)；5—限位機構(gòu)；6—滑動機構(gòu)；7—鉆翼本體機構(gòu)；8—內(nèi)置位移傳感器液壓油缸；9—連桿機構(gòu)；10—矛頭機構(gòu)；11—集土機構(gòu)

圖2集土式擴底鉆具的二維結(jié)構(gòu)示意圖

(1)傳動機構(gòu)是連接旋挖鉆機方頭和傳遞扭矩的關(guān)鍵部件之一，主要由連接法蘭、扶正器、筋板和液壓油缸上支架組成。

(2)導(dǎo)向機構(gòu)主要起導(dǎo)向作用，引導(dǎo)滑動機構(gòu)沿滑動軸上下移動，主要由連接方頭、導(dǎo)向軸和限位框等組成。連接方頭與傳動機構(gòu)的連接法蘭通過法蘭銷軸連接，上下限位框限制滑動機構(gòu)行程。

(3)滑動機構(gòu)通過內(nèi)置位移傳感器液壓油缸的伸縮帶動旋轉(zhuǎn)頭沿導(dǎo)向機構(gòu)運動，主要由液壓油缸下吊耳和旋轉(zhuǎn)頭組成。

(4)限位機構(gòu)主要根據(jù)擴底鉆具的擴底直徑，限制滑動機構(gòu)上下運動的極限位置，限制擴底鉆具的最小和最大收翼狀態(tài)。

(5)矛頭機構(gòu)主要通過外力作用下矛頭桿在矛頭座內(nèi)轉(zhuǎn)動，開啟集土機構(gòu)，將鉆具內(nèi)渣土卸掉。矛頭桿在復(fù)位彈簧的作用下，關(guān)閉集土機構(gòu)。

(6)鉆翼本體機構(gòu)主要由固定本體、轉(zhuǎn)軸、推軸銷和可轉(zhuǎn)動鉆翼組成。

(7)連桿機構(gòu)主要連接鉆翼本體機構(gòu)和滑動機構(gòu)，將液壓油缸作用力傳遞給鉆翼本體機構(gòu)，實現(xiàn)可轉(zhuǎn)動鉆翼的開合。

(8)集土機構(gòu)主要收集鉆進過程中的渣土，實現(xiàn)清孔作用。

(9)同步絞車裝置主要實現(xiàn)液壓管線在回轉(zhuǎn)的過程中與鉆具實時同步。

(10)內(nèi)置位移傳感器液壓油缸是液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件，通過內(nèi)置位移傳感器可實時監(jiān)測液壓油缸的位移行程，實現(xiàn)對兩個液壓油缸的同步控制。

(11)切削具在鉆壓和扭矩作用下切入地層并以刮擠、剪切方式破碎地層。

2.2 關(guān)鍵零部件強度校核和優(yōu)化改進

鉆具整體結(jié)構(gòu)及其零部件強度對鉆具功能和壽命至關(guān)重要，對鉆孔施工安全也會產(chǎn)生極大影響。本文中利用三維軟件對集土式擴底鉆具進行了三維實體建模，并對鉆具整體結(jié)構(gòu)以及推軸、推軸銷和上轉(zhuǎn)軸等關(guān)鍵零部件進行了三維有限元計算機模擬仿真、強度校核分析(如圖3～6所示)，并依此進行了優(yōu)化改進，改進后的鉆具整體結(jié)構(gòu)及其零部件強度均能滿足中風(fēng)化巖層擴底鉆進要求，并為施工現(xiàn)場提供安全保障。

圖3 鉆具整體變形和整體應(yīng)力圖

圖4 推軸變形和應(yīng)力圖

圖5 推軸銷變形和應(yīng)力圖

3 集土式擴底鉆具的樣機試制

通過以上集土式擴底鉆具的結(jié)構(gòu)設(shè)計和有限元數(shù)值模擬分析，以及對集土式擴底鉆具生產(chǎn)制造工藝的研究，完成了一套TGK800/1600型集土式擴底鉆具樣機試制。在生產(chǎn)車間進行了初步的動作測試，動作流暢不卡頓，鉆具整體運轉(zhuǎn)正常，達到了預(yù)期設(shè)計要求，鉆具收翼和擴翼狀態(tài)如圖7所示。

圖6 上轉(zhuǎn)軸變形和應(yīng)力圖

圖7 TGK800/1600型集土式擴底鉆具收翼和擴翼狀態(tài)

4 集土式擴底鉆具的現(xiàn)場試驗和效果

在北京市房山區(qū)京周路某施工工地，完成了TGK800/1600型集土式擴底鉆具的現(xiàn)場整機組裝調(diào)試以及現(xiàn)場鉆進試驗。

試驗鉆機為ZR250A型旋挖鉆機，鉆機參數(shù)如下：最大扭矩為250 kN·m，動力頭轉(zhuǎn)速為6～24 r/min，最大鉆深為70 m，鉆桿直徑為470 mm，鉆桿方頭為200 mm×200 mm。

試驗地層為土層，試驗鉆具的切削具為耐磨斗齒。試驗現(xiàn)場、鉆具擴翼狀態(tài)和收翼狀態(tài)如圖8～10所示。

根據(jù)地質(zhì)勘察報告顯示，場地自上而下地層為：雜填土，粉質(zhì)粘性土，礫質(zhì)粘性土，全風(fēng)化、強風(fēng)化、中風(fēng)化、微風(fēng)化花崗巖。樁基礎(chǔ)設(shè)計為鉆孔擴底灌注樁，全部采用旋挖鉆機施工；樁基孔直徑800 mm，擴孔后直徑1600 mm；樁長≮21 m；試驗樁孔數(shù)量：3根；試驗孔位：距離實際樁基孔位約9 m，成孔采用干法成孔工藝。

圖8 試驗現(xiàn)場

圖9鉆具擴翼狀態(tài)圖10鉆具收翼狀態(tài)

現(xiàn)場試驗結(jié)果表明：

(1)鉆具整體運轉(zhuǎn)穩(wěn)定，擴收翼動作正常、無卡鉆，樁孔無坍塌現(xiàn)象；

(2)新型集土式擴底鉆具集擴孔、集土功能于一體，較傳統(tǒng)機械式擴底鉆具優(yōu)勢明顯，邊鉆進邊擴邊集土，無需反復(fù)擴底-取土-清孔，實時清理沉渣，孔底沉渣尺寸小于15 mm，無需重復(fù)清孔和專門檢測，減少了施工工藝步驟，工作效率提高了約30%；

(3)新型集土式擴底鉆具設(shè)計合理，達到了預(yù)期設(shè)計目的；

(4)滿足了旋挖鉆進擴底樁的施工、設(shè)計及規(guī)范要求。

5 結(jié)論

新型集土式擴底鉆具可將擴底過程中產(chǎn)生的巖屑收集到鉆具內(nèi)部，集土式擴底鉆具同時具備擴孔和集土兩種功能，與普通機械式擴底鉆具相比，具有較強的攜土能力，避免了孔內(nèi)沉渣的產(chǎn)生，擴孔質(zhì)量好、擴孔效率高，提高了擴底質(zhì)量和工作效率，減輕了工人的勞動強度。同時擴底樁擴大了樁端受力面積，大幅提高了樁基豎直承載力，使得樁身的材料強度和持力層的承載能力得到充分發(fā)揮，滿足了單柱單樁結(jié)構(gòu)要求，節(jié)約了工程造價，避免無謂消耗，節(jié)約資源，符合節(jié)能環(huán)保的要求。

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