CN103758460A - 一种伸缩式防糊钻搅拌桩钻头 - Google Patents

Abstract

一种伸缩式防糊钻搅拌桩钻头，包括：上搅拌桩钻头（1）、下搅拌桩钻头（2）、及使上、下搅拌桩钻头连接、密封的卡环（3）。本发明的优点是：对传统搅拌桩钻头的上、下叶片（12）、（23）的厚度、间距及结构进行了实质性改进，从根本上解决了水泥土搅拌桩钻头对地层适应性差、搅拌不均匀、易糊钻等缺点，设计合理、经济，结构简单，安装操作方便，成桩效果好；对传统搅拌桩钻头进行了改进，设计合理，结构简单，安装操作方便，密闭性可靠，成桩效果好，经济实用。

Description

一种伸缩式防糊钻搅拌桩钻头

技术领域

本发明涉及一种钻具，用于建筑物复合地基基础等岩土工程施工中，尤其适用于上硬下软及高塑性软土等复杂地层的一种伸缩式防糊钻搅拌桩钻头。 

背景技术

水泥土搅拌桩具有施工简便、成本低廉等优点，广泛应用于地基处理、基坑支护及止水帷幕桩等岩土工程领域，但搅拌桩在现有设备条件下，施工中存在如下问题：（1）对地层的适应性差，比如沿海地域存在较多的软硬交错地层，较硬地层，施工效率低，钻头磨损严重，成本高；较软地层，尤其对于高塑性粘土，糊钻现象严重，成桩质量根本无法保证，特别是对于软土中存在夹砂层、铁质胶结层、孤（块）石容易掉钻或钻进困难。（2）喷射介质(水泥浆或者是粉状物质)与土层搅拌不均匀，达不到设计要求，影响桩身强度。为解决这些问题，出现了许多改进型搅拌桩钻头，具有代表性的如专利200720131767.3强制双向水泥土搅拌桩钻头，通过机械方法控制内、外钻杆相向转动来达到搅拌均匀、防止糊钻目的，虽一定程度上达到效果，但其结构复杂，需要对桩机进行相应的改造，成本较高。再如发明专利200810052460.3用于软土或松软土加固搅拌桩的多方位立体搅拌桩钻头，通过在主叶片上设置以主叶片为旋转轴进行旋转的、不带动力的至少一组搅拌轮，来提高搅拌桩体的均匀性和强度。但其对地层的适应性差，若遇到硬质地层或含孤石、块石地层时，搅拌轮易损坏，且在高塑性粘土中容易发生糊钻。总之，目前对搅拌桩钻头改进主要朝这两个思路，第一，通过改装桩机，提供正反力矩来解决糊钻问题；第二，通过改进传统钻头结构，实现搅拌均匀，提高成桩质量。但均为对钻头的某单一方面进行改进，设计结构相对复杂，成本较高，不能完全从根本上解决目前搅拌桩施工存在的这些问题。 

因此，对现有搅拌桩钻头进行根本上的改进设计是十分必要的，否则势必会限制水泥土搅拌桩工艺的适用性。 

发明内容

本发明的目的是提供一种设计合理、结构简单的搅拌桩钻头，以从根本上解决在现有技术存在的地层适应性差、易糊钻、结构复杂和成本较高等问题，本发明可以直接安装在现有的桩机上。 

一种伸缩式防糊钻搅拌桩钻头，包括：上搅拌桩钻头、下搅拌桩钻头、及使上、下搅拌桩钻头连接、密封的卡环。 

所述的上搅拌桩钻头，包括：上搅拌桩钻杆和与上搅拌桩钻杆连接的上钻头叶片；上钻头叶片上设置有用于切削地层的上钻头硬质合金钻齿，上搅拌桩钻杆上设置有用于伸缩的内螺纹、供螺销（栓）固定的螺孔及供钻杆连接的卡槽。 

所述的下搅拌桩钻头，包括：下搅拌桩钻杆和与下搅拌桩钻杆连接的下钻头叶片；下钻头叶片上设置有用于切削地层的下钻头硬质合金钻齿，下搅拌桩钻杆上设置有用于伸缩的外螺纹和供螺销（栓）固定的螺孔，且下搅拌桩钻杆底部还设置有喷射浆液的出浆孔。 

所述的卡环（详见大样图6），是由上、下页片通过螺栓和页片上的螺栓孔连接成为一体，卡环上开有供螺销（栓）固定的螺孔，还有用于密封的胶垫及供螺销固定的凹槽。 

进一步的，上述技术方案中，所述的上搅拌桩钻头、下搅拌桩钻头均为一整体，一次成型，通过内螺纹及外螺纹伸缩连接，并由卡环配合螺销进行密封、固定。 

进一步的，上述技术方案中，所述的上、下钻头叶片呈立体十字交叉，它们的厚度m及间距H有一定理论要求，为确保相当于同一质点地层切割次数在28次以上，叶片厚度增加到m，且要求上下叶片运动轨迹不重叠，切割均匀，不糊钻，将叶片间距设计为H，整个钻头共有（A）、（B）、（C）三个档位，分别对应H₁、H₂、H₃，其具体计算方式如下： 

如图5所示，搅拌时，上、下钻头叶片端部任意一点的运动轨迹方程为： 

$\left\{\begin{array}{c}x=a\cos \mathrm{\ωt}\\ y=a\sin \mathrm{\ωt}\\ z=\mathrm{vt}\end{array}\right.---\left(a\right)$

当叶片旋转一周时，叶片旋转过的螺距： 

h＝2π(v/w)               (b) 

其中：a为水泥土搅拌桩半径，ω为钻头叶片搅拌角速度，v为钻头叶片提升或下降的速度。 

若搅拌桩桩机及桩径一定，则参数a、ω及v均为常量，则： 

①上、下叶片间距H的选取： 

工程实践证明，在高塑性粘土中，搅拌桩钻头易糊钻的原因是上下钻头叶片的间距过小；土体切割均匀是保证搅拌桩质量的前提条件；若同一回次，上下叶片运动轨迹不重复，土体切割均匀。 

由图5可以看出，当上下叶片间距H不为螺距h的整数时，上下叶片运动轨迹不 重复；但若保证在高塑性粘土不糊钻，则必须提高上下叶片的间距(相对传统钻头)，提高幅度应根据当地地层条件及经验选取。 

根据理论及实践分析，上下叶片间距取螺距整数倍加一个半数倍为宜，此时，土体切割均匀，成桩效果好，即： 

$H=\mathrm{nh}+\frac{1}{2}h=\frac{2n+1}{2}h=\frac{(2n+1)}{2}\frac{2\mathrm{\πv}}{w}=\frac{(2n+1)\mathrm{\πv}}{w}---\left(c\right)$

一般还需： 

$H\≥\frac{3}{2}{H}_0---\left(d\right)$

其中：H₀为传统搅拌机钻头上、下叶片间距。 

因此，所述的搅拌桩钻头共设（A）、（B）、（C）三个档位，分别对应H₁、H₂、H₃。 

②叶片厚度m的选取： 

为确保相当于（由于整个搅拌过程不可能保证每个质点都切割）同一质点地层切割次数在28次以上（确保土体切割均匀及成桩质量），即每个搅拌回次（“四搅两喷”工艺）同一质点切割7次以上。 

一般v较小，即h＜m，如图5所示，上下叶片存在切割重合区域。 

假设搅拌桩的桩深为Z₀,则每个搅拌回次所需时间为： 

$t=\frac{Z_0}{v}---\left(e\right)$

上、下叶片每个搅拌回次叶片切割土体的侧面积（包括切割重合区域）： 

$S=4m{\∫}_0^{\frac{Z_0}{v}}\sqrt{x^{\′2}\left(t\right)+y^{\′2}\left(t\right)+z^{\′2}\left(t\right)}\mathrm{dt}=\frac{4m{Z}_0}{v}\sqrt{a^2{\mathrm{\ω}}^2+v^2}---\left(f\right)$

桩体侧面积为： 

S₀＝2πR·Z₀＝2πaZ₀            (g) 

每个搅拌回次，相当于同一质点切割次数不小于7次，即： 

$\frac{S}{S_0}\≥7---\left(h\right)$

将(f)、(g)代入(h)，整理得： 

$m\≥\frac{7\mathrm{\πav}}{2\sqrt{a^2{\mathrm{\ω}}^2+v^2}}---\left(i\right)$

但叶片厚度增加，钻进阻力越大，消耗功率越大，应充分结合现场条件选取合适 的叶片厚度。 

一般取最小值，即： $m=\frac{7\mathrm{\πav}}{2\sqrt{a^2{\mathrm{\ω}}^2+v^2}}---\left(j\right)$

进一步的，上述技术方案中，所述的螺销必须能承受一定的扭矩（扭矩不小于24kN·m），以保证钻头的正常工作，且螺销有与其配套的弹簧垫及胶垫，以确保整个钻头密闭可靠、连接牢固，避免漏浆。 

进一步的，上述技术方案中，所述的卡环上的胶垫对应（A）、（B）、（C）三个档位有三种规格（一般情况下，软土塑性指数越大，上、下叶片间距宜越大），如钻头位于（A）档位时，上、下叶片间距最大，（A）处对应的胶垫开有相应的螺孔，（B）、（C）档位处不开螺孔，依次类推。 

进一步的，上述技术方案中，所述的出浆孔毗邻下叶片，位于其上方，直径为10mm左右，确保足够的喷浆压力，防止孔口堵塞，保证成桩效果。 

本发明伸缩式防糊钻搅拌桩钻头的优点是： 

1、本发明的上搅拌桩钻头、下搅拌桩钻头均为一整体，一次成型，上、下钻头叶片设计成尖棱状，且上有用于切削地层的硬质合金钻齿，对于硬质地层、含孤石（块石）及杂填土等复杂地层有很好的适应性。其中上搅拌桩钻头、下搅拌桩钻头通过内螺纹及外螺纹伸缩连接，为确保相当于同一质点地层切割次数在28次以上，且要求上下叶片运动轨迹不重复，切割均匀，不糊钻，将叶片厚度设计为m，叶片间距设计为H，整个钻头共有（A）、（B）、（C）三个档位，分别对应H₁、H₂、H₃，对软土（尤其是高塑性软土）有很好的适应性，彻底解决了在软土地区搅拌桩容易糊钻问题。 

2、本发明根据相应理论设计了（A）、（B）、（C）三个档位，但并不限于这三个档位，可以根据具体实际地层情况，设计满足现场条件的档位，大大地提高了搅拌桩对特殊地层的适应性。 

3、本发明是对传统搅拌桩钻头进行了改进，设计合理，结构简单，安装操作方便，密闭性可靠，成桩效果好，经济实用。 

附图说明

图1为本发明一种伸缩式防糊钻搅拌桩钻头的结构示意图。 

图2为本发明一种伸缩式防糊钻搅拌桩钻头的正视图。 

图3为本发明一种伸缩式防糊钻搅拌桩钻头的侧视图。 

图4为本发明一种伸缩式防糊钻搅拌桩钻头的俯视图。 

图5为本发明一种伸缩式防糊钻搅拌桩钻头的钻头参数选取计算示意图。 

图6为图1中I处卡环的放大图。 

图中：1-上搅拌桩钻头、2-下搅拌桩钻头、3-卡环、9-螺孔、12-上钻头叶片、121-上钻头硬质合金钻齿、13-上搅拌桩钻杆、131-内螺纹、23-下钻头叶片、231-下钻头硬质合金钻齿、24-下搅拌桩钻杆、241-外螺纹、32-螺销、33-螺栓、34-胶垫、35-凹槽、39-螺栓孔、A-对应（A）档，搅拌桩上、下钻头叶片净间距为H₁、B-对应（B）档，搅拌桩上、下钻头叶片净间距为H₂、C-对应（C）档，搅拌桩上、下钻头叶片净间距为H₃。 

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明。 

如图1、图2、图3、图4、图6所示，一种伸缩式防糊钻搅拌桩钻头，包括：上搅拌桩钻头1、下搅拌桩钻头2、及使上、下搅拌桩钻头连接、密封的卡环3。 

所述的上搅拌桩钻头1，包括：上搅拌桩钻杆13和与上搅拌桩钻杆13连接的上钻头叶片12；上钻头叶片12上设置有用于切削地层的上钻头硬质合金钻齿121，上搅拌桩钻杆13上设置有用于伸缩的内螺纹131、供螺销（栓）固定的螺孔9及供钻杆连接的卡槽132。 

所述的下搅拌桩钻头2，包括：下搅拌桩钻杆24和与下搅拌桩钻杆24连接的下钻头叶片23；下钻头叶片23上设置有用于切削地层的下钻头硬质合金钻齿231，下搅拌桩钻杆24上设置有用于伸缩的外螺纹241和供螺销（栓）固定的螺孔9，且下搅拌桩钻杆24底部还设置有喷射浆液的出浆孔242。 

所述的卡环3（详见大样图6），是由上、下页片通过螺栓33和页片上的螺栓孔39连接成为一体，卡环3上开有供螺销（栓）固定的螺孔9，还有用于密封的胶垫34及供螺销32固定的凹槽35。 

进一步的，上述技术方案中，所述的上搅拌桩钻头1、下搅拌桩钻头2均为一整体，一次成型，通过内螺纹131及外螺纹241伸缩连接，并由卡环3配合螺销32进行密封、固定。 

Claims (9)

1.一种伸缩式防糊钻搅拌桩钻头，其特征在于：包括：上搅拌桩钻头（1）、下搅拌桩钻头（2）、及使上、下搅拌桩钻头连接、密封的卡环（3）。

2.根据权利要求1所述的一种伸缩式防糊钻搅拌桩钻头，其特征在于：所述的上搅拌桩钻头（1），包括：上搅拌桩钻杆（13）和与上搅拌桩钻杆（13）连接的上钻头叶片（12）；上钻头叶片（12）上设置有用于切削地层的上钻头硬质合金钻齿（121），上搅拌桩钻杆（13）上设置有用于伸缩的内螺纹（131）、供螺销/栓固定的螺孔（9）及供钻杆连接的卡槽（132）。

3.根据权利要求1所述的一种伸缩式防糊钻搅拌桩钻头，其特征在于：所述的下搅拌桩钻头（2），包括：下搅拌桩钻杆（24）和与下搅拌桩钻杆（24）连接的下钻头叶片（23）；下钻头叶片（23）上设置有用于切削地层的下钻头硬质合金钻齿（231），下搅拌桩钻杆（24）上设置有用于伸缩的外螺纹（241）和供螺销/栓固定的螺孔（9），且下搅拌桩钻杆（24）底部还设置有喷射浆液的出浆孔（242）。

4.根据权利要求1所述的一种伸缩式防糊钻搅拌桩钻头，其特征在于：所述的卡环（3），是由上、下页片通过螺栓（33）和页片上的螺栓孔（39）连接成为一体，卡环（3）上开有供螺销/栓固定的螺孔（9），还有用于密封的胶垫（34）及供螺销（32）固定的凹槽（35）。

5.根据权利要求1所述的一种伸缩式防糊钻搅拌桩钻头，其特征在于：所述的上搅拌桩钻头（1）、下搅拌桩钻头（2）均为一整体，一次成型，通过内螺纹（131）及外螺纹（241）伸缩连接，并由卡环（3）配合螺销（32）进行密封、固定；卡环（3）是由上、下页片组成，通过螺栓（33）连接成一体。

6.根据权利要求1、4所述的一种伸缩式防糊钻搅拌桩钻头，其特征在于：所述的卡环（3）上有用于密封的胶垫（34）及供螺销（32）固定的凹槽（35），螺销（32）有与其配套的弹簧垫及胶垫。

7.根据权利要求1、4、6所述的一种伸缩式防糊钻搅拌桩钻头，其特征在于：所述的卡环（3）上的胶垫（34）对应A、B、C三个档位有三种规格，如钻头位于A档位时，A处对应的胶垫开有相应的螺孔，B、C档位处不开螺孔，依次类推。

8.根据权利要求3所述的一种伸缩式防糊钻搅拌桩钻头，其特征在于：所述的出浆孔（242）毗邻下叶片，位于其上方，直径为10mm左右，确保足够的喷浆压力，防止孔口堵塞，保证成桩效果。

9.根据权利要求4所述的一种伸缩式防糊钻搅拌桩钻头，其特征在于：所述的螺销（32）必须能承受一定的扭矩，以保证钻头的正常工作。

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