CN110118061B - 双层反向环状钻头及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双层反向环状钻头及其施工方法，属于地基基础施工装置领域。该钻头由内外两层带齿轮的套筒结构组成，双层结构通过钻杆驱动和齿轮传动而反向旋转，从而在地基中搅拌成槽。该双层反向环状钻头的机械原理简单可靠，旋转稳定性好，可拆卸和组装，施工和运输均方便，受现场施工条件影响小。本发明为大直径预制混凝土管桩或管片在软土地基中的大规模应用提供了一种必要的机械装置，以弥补现有搅拌桩机设备的不足。
Description
技术领域
本发明属于地基基础施工装置领域，具体涉及一种用于搅拌桩机新型钻头的结构设计，以实现大直径混凝土预制管桩或管片在软土地基中的施工和应用。
背景技术
地基基础工程领域中应用最为广泛的两种桩基础是混凝土预制管桩和混凝土灌注桩，其中，预制管桩相比于灌注桩具有以下优点：①预制管桩能在工厂加工完成，相对于施工现场浇筑形成的灌注桩，桩身混凝土质量能够得到很好控制，因而桩基本身的安全性更易得到保障；②由于预制管桩中间一般为空心，而灌注桩为实心，工程上地基承载力要求相同条件下，预制管桩所需的混凝土用量远远小于灌注桩所需混凝土用量。预制管桩的主要缺陷在于：由于管桩的直径普遍较小，其单桩承载力较小，相比于大直径的混凝土灌注桩，其工程应用常常受到限制。管桩尺寸普遍较小主要是由于施工困难造成的，预制管桩一般是采用打桩机打入地基中，或静压桩机压入地基中，当管桩直径太大或地基土体具有坚硬地层时，预制管桩难以施工进入地层，因此大直径的预制管桩的应用受到了限制。
近年来，工程上出现一种新的桩基施工方法，可解决预制管桩的打设困难的问题，使大直径预制管桩的大规模应用成为可能。该方法是首先利用水泥搅拌桩机对地基土体进行预搅拌，同时在地基中喷射水泥，使地基土松软并提高土体抗渗性，后插入混凝土预制管桩或其他形式的预制结构，形成一种抗渗性能和承载性能均较好的基础，如静钻根植桩、竹节管桩等桩基础。该方法的最重要部分在于施工装置，即水泥搅拌桩机。国内外现有最为常见的搅拌桩机有单轴搅拌桩机、双轴搅拌桩机和三轴搅拌桩机，然而这三种搅拌桩机的钻头尺寸均较小，无法一次性钻出大直径的圆形或圆环形松土边界，仍主要用于小直径预制管桩的施工。如何结合搅拌桩机，使大直径预制管桩能大规模应用是工程上的主要难点。
此外，考虑到大直径预制管桩打设进入地基后，管桩中心的土体实际上为四周封闭的状态，而深部土体的渗透系数较小，土体不易固结而且抗剪强度提高，因此这部分封闭土体的承载作用可以大大提高，相对于传统桩基仅利用桩土相互作用来提供承载力，大直径预制管桩可以利用土体的承载作用，这将极大提高地基基础的承载力，同时也可节约混凝土用量。因此，大直径混凝土预制管桩的大规模应用在地基基础工程领域将是一个重要突破。本发明主要解决的是大直径预制管桩的施工装置，即如何结合现有的搅拌桩机，设计一种大直径环状钻头，使得大直径预制管桩的能够顺利施工。另外，若大直径预制管桩能够大规模应用，地铁隧道工程领域中的大直径预制管片在地基基础工程中的应用也将成为可能，这对于工程也是极为有益的。
发明内容
本发明的目的在于解决到现有搅拌桩机无法钻出圆环形松土边界，使得大直径预制管桩或管片打设存在困难的问题，并提出一种新的双层反向环状钻头。该双层反向环状钻头考虑采用搅拌桩机预先使地基土体松软，而后打入预制管桩；因此设计出一种新的钻头形式，该钻头能够钻出圆环形松土边界，使得大直径预制管桩或管片在地基中的施工成为可能。
本发明解决具体技术问题采用的技术方案是：
一种双层反向环状钻头，其包括驱动钻杆、内层套筒、外层套筒；
所述的内层套筒由外齿轮和第一钻进结构组成，第一钻进结构的主体为第一环体，第一环体周向均匀固定有若干块第一带肋翼板，每块第一带肋翼板沿第一环体的径向向外延伸；外齿轮同轴固定于第一环体的顶部；
所述的外层套筒由内齿轮和第二钻进结构组成，第二钻进结构的主体为第二环体，第二环体周向均匀固定有若干块第二带肋翼板，每块第二带肋翼板沿第二环体的径向向外延伸；内齿轮同轴固定于第二环体的顶部；
所述的内层套筒和外层套筒同轴嵌套，且内层套筒嵌套固定在内层轴承上，外层套筒嵌套固定于外层轴承上；所述的驱动钻杆底部设有齿轮结构，且所述齿轮结构伸入外齿轮和内齿轮之间的环形空间中，与外齿轮和内齿轮分别啮合，构成行星齿轮机构；所述的第一带肋翼板和第二带肋翼板在驱动钻杆的带动下朝相反方向旋转；
所述的内层轴承固定在圆筒状的内壳上，外层轴承固定在圆筒状的外壳上；所述的驱动钻杆外部套有套管，内壳和外壳均固定在套管上，使整个钻头与套管连接成整体。
作为优选，所述的第一带肋翼板由第一直角梯形翼板和第一肋条组成，第一直角梯形翼板的底边与第一环体的外侧壁固定，第一肋条垂直固定于第一直角梯形翼板的直角边下方，且第一肋条底部低于第一环体底部。
作为优选，所述的第二带肋翼板由第二直角梯形翼板和第二肋条组成，第二直角梯形翼板的底边与第二环体的外侧壁固定，第二肋条垂直固定于第二直角梯形翼板的直角边下方，且第二肋条底部低于第二环体底部。
作为优选，所述的套管内径大于驱动钻杆的外径，使得驱动钻杆能够无约束地旋转。
作为优选，所述的驱动钻杆有3条，均匀分布在外齿轮和内齿轮之间的环形空间中。
作为优选，所述的第一带肋翼板的最外缘位于第二环体内侧，旋转过程中与外层套筒不接触。
作为优选，所述的驱动钻杆顶部与电机输出轴连接，由电机驱动旋转。
作为优选，所述的内壳和外壳的顶部通过一块环状的连接板连接并密封，所述的套管与连接板固定。
作为优选，所述的第一带肋翼板和第二带肋翼板分别均有6块。
本发明的另一目的在于提供一种利用上述任一方案所述双层反向环状钻头的软土地基中环状土槽施工方法，其步骤如下：
1)将所述双层反向环状钻头通过套管固定于搅拌桩机底部；
2)将钻头压入目标施工位置，然后通过电机带动驱动钻杆旋转，进而带动内层套筒和外层套筒以相反方向旋转，由第一带肋翼板和第二带肋翼板对土体进行搅拌，使地基土变得松软，同时对旋转路径上的块状岩体或土体进行剪切破碎；
3)逐步对钻头进行施压，使钻头在旋转搅拌过程中逐渐向下钻入地层，直至达到目标位置后将钻头出地面，用于下一位置的施工。
本发明通过上述技术方案，使得该钻头能够在软土地基中形成大直径环形松土边界，以方便大直径预制混凝土管桩和管片在地基中的应用。本发明钻头的机械原理简单可靠，可组装和拆卸，方便运输，适用工况广泛，受现场施工条件影响较小，弥补了现有搅拌桩机的不足。
附图说明
图1为钻头内部主要结构的俯视图；
图2为钻头内部主要结构的轴测图；
图3为内层套筒俯视图和轴测图；
图4为外层套筒的俯视图和轴测图
图5为轴承与内壳、外壳连接的示意图；
图6为钻头内壳、外壳与套管连接的示意图；
图7为钻头整体示意图(隐去内壳)。
图中：驱动钻杆1、内层套筒2、内层轴承3、外层轴承4、外层套筒5、外齿轮6、第一钻进结构7、第一带肋翼板8、内齿轮9、第二钻进结构10、第二带肋翼板11、外壳12、内壳13、套管14。
具体实施方式
下面结合附图和实施步骤对本发明进一步说明。
本发明设计了一种双层反向环状钻头，采用两轴或多轴驱动，本实施例选择三轴进行说明，但需要注意的是，其他两轴或多轴驱动方式也在本发明权利要求范围内。
如图1和2所示，本实施例中的一种双层反向环状钻头，主要由驱动钻杆1、内层套筒2、内层轴承3、外层轴承4、外层套筒5等结构组成。
如图3所示，内层套筒2由外齿轮6和第一钻进结构7组成，第一钻进结构7的主体为具有第一环体，第一环体自身具有一定的高度，呈圆筒状。第一环体的外侧壁周向均匀固定有6块第一带肋翼板8，每块第一带肋翼板8沿第一环体的径向向外延伸。外齿轮6同轴固定于第一环体的顶部，两者呈刚性连接，能够同步转动。
如图4所示，外层套筒5由内齿轮9和第二钻进结构10组成，第二钻进结构10的主体为第二环体，第二环体自身也具有一定的高度，呈圆筒状。第二环体的外侧壁周向均匀固定有6块第二带肋翼板11，每块第二带肋翼板11沿第二环体的径向向外延伸。内齿轮9同轴固定于第二环体的顶部，两者呈刚性连接，能够同步转动。
参见图1和2，内层套筒2和外层套筒5是以同轴嵌套的方式配合的，外层套筒5套在内层套筒2外部，外齿轮6和内齿轮9位于同一高度处，两者夹持形成一个环形空间。内层套筒2的内部设有一个内层轴承3，内层套筒2整体嵌套固定在内层轴承3上，内层套筒2在内层轴承3的支撑下旋转。同样的，外层套筒5的外部设有一个外层轴承4，外层套筒5嵌套固定于外层轴承4上，外层套筒5在外层轴承4的支撑下旋转。因此，两个套筒分别与轴承连接，通过轴承可实现竖向的固定和旋转，通过轴承又可以与上部的其他结构相连。
内层套筒2和外层套筒5的旋转动力是由驱动钻杆1输入的。本实施例中，驱动钻杆1共3条，每条驱动钻杆1底部设有齿轮结构，可通过焊接或以其他方式固定。且驱动钻杆1的齿轮结构伸入外齿轮6和内齿轮9之间的环形空间中，与外齿轮6和内齿轮9分别啮合，构成行星齿轮机构。3条驱动钻杆1沿环形空间周向均匀分布。第一带肋翼板8和第二带肋翼板11在驱动钻杆1的带动下朝相反方向旋转。驱动钻杆1顶部与电机输出轴连接，由电机带动驱动钻杆转动，钻杆带动其上的齿轮转动。当驱动钻杆1旋转时，将带动内外套筒以相反方向旋转，例如若驱动钻杆1顺时针旋转，则内层套筒2逆时针旋转，外层套筒5顺时针旋转。内外套筒反向旋转。双层套筒结构同时旋转，角速度相同，但方向相反，一方面保证了钻头在钻进过程的稳定性保持较高，另一方面也可因错动而提供更高的钻进动力，切碎钻进过程中可能遇到的坚硬石块或土块。
由于在钻头下钻的过程中，需要承受较大的外力，因此各部件之间需要联结成一个整体，以保持较高的刚度。在本实施例中，内层轴承3顶部同轴固定在圆筒状的内壳13的底部，外层轴承4的顶部同轴固定在圆筒状的外壳12底部。驱动钻杆1外部套有套管14，套管14内径略大于驱动钻杆1的外径，使得驱动钻杆1不会碰到套管14内壁，能够实现无约束地旋转。内壳13和外壳12均需要固定在套管14上，使整个钻头与套管14连接成整体。在本实施例中，如图5所示，内壳13和外壳12的顶部通过一块水平的环状连接板连接并密封，三条套管14与连接板固定。由此，内壳13、外壳12和连接板形成了一个包裹钻头内部结构的保护壳体，同时通过该保护壳体又能够将内部的各部件联结成整体，通过三条套管14即可将整个钻头挂接在外部设备上。在该装置中，为了能在竖向固定钻头，采用内层轴承3和外层轴承4分别与内层套筒2和外层套筒5相连，而两个轴承再与钻头内壳13、外壳12相连，内壳13、外壳12与套管4相连，套管4与外部结构连接，从而实现钻头在旋转的同时竖向被约束。此外，套管4和钻头内壳13、外壳12的尺寸应当与驱动钻杆1、内层套筒2、外层套筒5的尺寸匹配，以不妨碍钻杆1、内层套筒2、外层套筒5的旋转为准。
在本实施例中，钻头对地基土的搅动是通过第一带肋翼板8和第二带肋翼板11实现的。第一带肋翼板8由第一直角梯形翼板和第一肋条组成，第一直角梯形翼板的底边与第一环体的外侧壁固定，第一肋条垂直固定于第一直角梯形翼板的直角边下方，且第一肋条底部低于第一环体底部。第二带肋翼板11由第二直角梯形翼板和第二肋条组成，第二直角梯形翼板的底边与第二环体的外侧壁固定，第二肋条垂直固定于第二直角梯形翼板的直角边下方，且第二肋条底部低于第二环体底部。由于带肋翼板的主要作用是搅拌地基土体，翼板形式和数目并不唯一，与地层性质、钻头尺寸等相关，本案例只列举其中一种翼板形式，也可以根据实际需要设计相应的翼板形状。此外，翼板可直接焊接在钻头上，也可采用螺栓连接等方式固定在钻头上，可以组装和拆卸，以方便运输和标准化生产。但需要注意的是，第一带肋翼板8和第二带肋翼板11的整体刚度需要满足要求，防止在旋转过程中折断。肋条可以具有一定的锐度，以便于切入土体。
为了保证第一带肋翼板8和第二带肋翼板11旋转过程中不会碰撞，可以通过调节长度，使第一带肋翼板8的最外缘位于第二环体内侧，旋转过程中与外层套筒5不接触。
基于上述双层反向环状钻头，还可以提供一种软土地基中环状土槽施工方法，其步骤如下：
1)将所述双层反向环状钻头通过套管14固定于搅拌桩机底部；
2)将钻头压入目标施工位置，然后通过电机带动驱动钻杆1旋转(当驱动钻杆1有多条时，其旋转方向需要保持一致)，进而带动内层套筒2和外层套筒5以相反方向旋转，由第一带肋翼板8和第二带肋翼板11对土体进行搅拌，使地基土变得松软，同时由于两者是错向旋转的，旋转路径上如果存在硬度较大的块状岩体或土体时，可以由两块翼板通过剪切作用进行破碎；
3)逐步对钻头进行施压，使钻头在旋转搅拌过程中逐渐向下钻入地层，直至达到目标位置后将钻头出地面，用于下一位置的施工。
本发明经过上述钻孔过程，可以在软土地基中形成了一定直径的环形松土边界，后续可以方便地将大直径预制混凝土管桩和管片压入该环形松土边界中，扩展了大直径预制混凝土管桩和管片在地基中的应用。而且该钻头设计的机械原理简单可靠，可组装和拆卸，方便运输，适用工况广泛，受现场施工条件影响较小，弥补了现有搅拌桩机的不足。
本发明对传统搅拌桩机(单轴、双轴或三轴)的钻头进行改进，能在软土地基中搅拌形成大直径的环状土槽。另外，还可以在该钻头上设置水泥喷浆口，在旋转搅拌的同时喷射水泥，使水泥与地基土体搅拌均匀，后插入大直径混凝土预制管桩或管片，以充分利用封闭空间土体的承载作用，最终实现大直径预制混凝土管桩基础的打设。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。例如，驱动钻杆尺寸、数目等可以根据实际工程要求进行改变。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种双层反向环状钻头，其特征在于，包括驱动钻杆(1)、内层套筒(2)、外层套筒(5)；
所述的内层套筒(2)由外齿轮(6)和第一钻进结构(7)组成，第一钻进结构(7)的主体为第一环体，第一环体周向均匀固定有若干块第一带肋翼板(8)，每块第一带肋翼板(8)沿第一环体的径向向外延伸；外齿轮(6)同轴固定于第一环体的顶部；
所述的外层套筒(5)由内齿轮(9)和第二钻进结构(10)组成，第二钻进结构(10)的主体为第二环体，第二环体周向均匀固定有若干块第二带肋翼板(11)，每块第二带肋翼板(11)沿第二环体的径向向外延伸；内齿轮(9)同轴固定于第二环体的顶部；
所述的内层套筒(2)和外层套筒(5)同轴嵌套，且内层套筒(2)嵌套固定在内层轴承(3)上，外层套筒(5)嵌套固定于外层轴承(4)上；所述的驱动钻杆(1)底部设有齿轮结构，且所述齿轮结构伸入外齿轮(6)和内齿轮(9)之间的环形空间中，与外齿轮(6)和内齿轮(9)分别啮合，构成行星齿轮机构；所述的第一带肋翼板(8)和第二带肋翼板(11)在驱动钻杆(1)的带动下朝相反方向旋转；
所述的第一带肋翼板(8)由第一直角梯形翼板和第一肋条组成，第一直角梯形翼板的底边与第一环体的外侧壁固定，第一肋条垂直固定于第一直角梯形翼板的直角边下方，且第一肋条底部低于第一环体底部；
所述的第二带肋翼板(11)由第二直角梯形翼板和第二肋条组成，第二直角梯形翼板的底边与第二环体的外侧壁固定，第二肋条垂直固定于第二直角梯形翼板的直角边下方，且第二肋条底部低于第二环体底部；
所述的内层轴承(3)固定在圆筒状的内壳(13)上，外层轴承(4)固定在圆筒状的外壳(12)上；所述的驱动钻杆(1)外部套有套管(14)，内壳(13)和外壳(12)均固定在套管(14)上，使整个钻头与套管(14)连接成整体。
2.如权利要求1所述的双层反向环状钻头，其特征在于，所述的套管(14)内径大于驱动钻杆(1)的外径，使得驱动钻杆(1)能够无约束地旋转。
3.如权利要求1所述的双层反向环状钻头，其特征在于，所述的驱动钻杆(1)有3条，均匀分布在外齿轮(6)和内齿轮(9)之间的环形空间中。
4.如权利要求1所述的双层反向环状钻头，其特征在于，所述的第一带肋翼板(8)的最外缘位于第二环体内侧，旋转过程中与外层套筒(5)不接触。
5.如权利要求1所述的双层反向环状钻头，其特征在于，所述的驱动钻杆(1)顶部与电机输出轴连接，由电机驱动旋转。
6.如权利要求1所述的双层反向环状钻头，其特征在于，所述的内壳(13)和外壳(12)的顶部通过一块环状的连接板连接并密封，所述的套管(14)与连接板固定。
7.如权利要求1所述的双层反向环状钻头，其特征在于，所述的第一带肋翼板(8)和第二带肋翼板(11)分别均有6块。
8.一种利用如权利要求1～7任一所述双层反向环状钻头的软土地基中环状土槽施工方法，其特征在于，步骤如下：
1)将所述双层反向环状钻头通过套管(14)固定于搅拌桩机底部；
2)将钻头压入目标施工位置，然后通过电机带动驱动钻杆(1)旋转，进而带动内层套筒(2)和外层套筒(5)以相反方向旋转，由第一带肋翼板(8)和第二带肋翼板(11)对土体进行搅拌，使地基土变得松软，同时对旋转路径上的块状岩体或土体进行剪切破碎；
3)逐步对钻头进行施压，使钻头在旋转搅拌过程中逐渐向下钻入地层，直至达到目标位置后将钻头钻出地面，用于下一位置的施工。
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