CN1151468A - 一种钻孔机和在孔内形成桩的方法 - Google Patents

Abstract

一种在地下钻成桩孔的钻孔机以及使用该钻孔机在桩孔内形成桩的方法。钻孔机有一钻杆，钻杆上有一钻头和一压实体，用于把切削下来的土壤挤压入孔壁。压实体的一个圆锥面与孔壁接触，另有一部分表面与孔壁分离，形成一自由空间。钻头运送切下的土壤进入自由空间，通过压实体的旋转，失去约束的土壤被挤入孔壁。成桩的方法是借助于钻孔机钻头的旋转，使切下的土壤被排到钻头后面，压实体滚动挤压这些土壤入孔壁，然后将桩材料输入桩孔内。

Description

一种钻孔机和在孔内形成桩的方法

本发明涉及一种钻机或钻孔机，特别是根据权利要求1用于在地下形成钻孔，以及根据权利要求12在钻孔内形成桩的方法。

一种前面提到过的钻孔机见于DE4228580C1。这种钻孔机用于现场形成混凝土驱替桩，它有一个钻头和一个锥形、表面光滑的驱替体。锥形驱替体的最大外径至少与钻头所钻孔的直径相当。在钻孔机的冲击力作用下，钻头切削掉的土壤由驱替体驱替进入孔壁。因为要把土壤挤压进入孔壁，这种驱替法需要较高的轴向冲击力。同时，由于驱替体的全部圆周面与孔壁接触，为克服摩擦阻力，钻孔机需要一个高的钻孔扭矩。驱替体磨损非常严重。

DE3218995专利公开了一种在疏松、可压缩土壤中形成钻孔的工具及其方法。该公知钻机或钻具由几个朝向下的圆锥构成，在心轴端部形成工具前端。在高的冲击力作用下，钻具压入地层，当钻具旋转时，地层同时被压实。在这种螺旋压实原理中，要求有一个较高的冲击力和一个较高的扭矩，而且钻具构造非常复杂。

根据专利DT2439063A1，另外一种类似的利用土壤压实的钻孔原理也用于钻孔机上。这种钻孔机有一个锥形件，安装在旋转曲轴上。由于这种钻孔机没有任何切削运动，只是通过土壤压实形成钻孔，该钻孔机只适用于疏松土壤。其复杂的机械结构使得该钻孔机很容易破坏。

本发明的目的是提供一种相对构造简单的钻孔机，在使用较低冲击力和较低的钻孔扭矩情况下，形成钻孔，并把切削下的土壤挤入孔壁。本发明的另外一个目的是提供一种在地下有效成桩的方法。

对于本发明的钻孔机，其目的是这样实现的：压实体是一个可转动的具有对称构造的驱替滚筒，安置在钻杆上并与钻杆成一定角度，压实体至少有一个圆锥面与孔壁接触，形成一个沿径向接触的圆锥面区域，并在压实体与孔壁之间形成一个自由空间；钻头是一种切削式钻头，带有一个开口，用以清除排泄压实体与孔壁之间自由空间的土壤。

使用这种钻孔机，钻头首先以常规方式通过切削清除土壤形成一个桩孔。因此，根据本发明，该钻孔机可以用于具有较高强度的土壤中。钻头的外径决定了井眼的直径。压实体与孔轴线成一定角度或者倾斜于孔轴线，使得孔壁与压实体之间形成一自由空间，再通过钻头的至少一个开口，把切削下来的土壤输送到这一自由空间中。压实体的一个周围面与孔壁接触，并连接到钻头和钻杆上，在钻进旋转时，压实体沿孔壁的圆周面运动。在压实体转动过程中，它压实并驱替孔壁中的土壤。这由压实体上的楔形表面来完成。

由于压实体只是其部分圆周与孔壁接触，只产生有限磨损，对于必需的钻孔扭矩和钻具磨损有积极影响。土壤压实主要通过压实体的旋转运动来完成，所以钻孔机只需要较低的冲击力就可以实现压实土壤功能。

依据本发明，压实体的旋转轴线倾斜于桩孔纵轴或与桩孔纵轴成一定角度旋转。轴本身与钻杆和钻头刚性连结。利用压实体的形状及其倾角，能够调节压实体与孔壁之间的接触面积，以实现土壤的有效压实和驱替。

为了进一步减少孔壁与压实体之间的摩擦，本发明所述压实体以转动方式连接安装，因此，当压实体沿孔壁运动时，它可以自身滚动，从而把切削下的土壤挤压入孔壁。

考虑到钻孔机的负载状态，特别是压实体止推轴承的负载状态，设置压实体旋转轴与孔轴线之间的倾角或者钻杆的弯斜部分与桩孔纵轴之间的倾角为3至30 °之间更为有利。

所发明的压实体构造为可对称转动的压实滚筒，这形成一个一致的滚动。可对称旋转压实体可以是一个柱体，锥体或球体形状，或者本发明所述构件的形状。压实体的直径小于桩孔直径。

在某些应用场合，压实体为多面柱体更为有利。在这种实施例中，压实体有一个多边形截面，例如，八边形或者十边形的截面。使用多面体的压实体可以使孔壁具有局部平面的表面。多面体可以是一个棱柱体或者金字塔锥的形状。在特殊情况下，可能使用具有三角形横截面形状的压实体。

然而，根据一个优选的压实体实施例，即后者，应是一个锥体，锥角决定于压实体旋转轴相对于桩孔纵轴的倾角。锥形或者锥台形压实体在钻孔机上的安置应使得后者从其最大直径的区域向下指向钻头。锥角，例如，压实体圆锥面与其转轴之间的夹角应当满足使得压实体的一个侧面与桩孔孔壁平行。

这种压实体的另外一个设计优点是：压实体是一个双锥形。在这种情况下，压实体在中间部位具有最大直径，沿着压实体对称轴线，压实体直径在两个相反的方向上(向两端)逐渐变细。两个锥台相对于其旋转轴的倾角应满足两个压实体同时与孔壁的不同部分接触。这使得土壤更好地被压实并减轻了压实体止推轴承的负担。

本发明钻孔机的另外一个特点是，钻头与压实体是倾斜的。在这种情况下，钻头牙齿指向钻头下部区域。由于钻头的其它区域相对于桩孔底面倾斜有一定倾角，则该区域的磨损将显著降低。

注意到在桩孔内形成桩需要输入建筑材料例如砾石或者混凝土进入桩孔内，钻杆应是中空的管，其中空区域开口于钻头。

根据本发明的另外一个实施例是在钻杆上设置有另外一个管子用以支撑孔壁。这种管子特别适用于在疏松土壤中钻深孔。

利用本发明的钻孔机在桩孔内形成桩的方法如下：通过驱动钻头旋转，切削土壤，并马上由钻头后面的压实体滚动把土壤压入孔壁后，把桩材料输入到井内。本法中使用一个单一的钻孔机就可以有效地形成桩，而无需排泄土壤。因为不需要排泄土壤，这种成桩法特别适合于在受污染的地层使用，例如象垃圾这种场合。在这种情况下，土壤的排放有特殊规定限制，因而不得不付一笔高额费用。

本方法的优点是桩材料通过钻杆和钻头输送进入桩孔内。当桩孔一形成，无需额外的设备，桩材料即进入桩孔内。

桩材料优先选择硬化或固化材料，砾石或沙子。应用硬化建筑材料能够形成钻杆形状的桩件，特别适用于现场混凝土桩或抗压桩。除了支撑作用外，砾石或者砂桩具有可渗滤功能。桩材料也可以是所切削下的土壤与粘结剂的混合物。这种混合物可以在桩孔内就地形成。

对于本发明的一个优选实施例包括，钻孔机与压实体留在桩孔内，至少引入一部分桩材料，为产生一个局部的桩径扩大，桩材料被滚动挤压进入桩孔壁。通过向钻头附近区域部分地引入桩材料，钻孔机不再输送切削下的土壤，而是把桩材料输送给压实滚筒。压实滚筒向侧面把桩材料压入孔壁，使得桩的横截面扩大。桩孔中钻孔机的作用是，能够在桩体或者桩脚区形成一个膨胀头或者横截面扩大区。

本方法的优点是，钻孔机完成举升和冲程运动。依据所需要的横截面扩大区的大小，必须向侧面给压实滚筒输送相应数量的桩材料。通过在局部扩大区的反向冲程运动，通过钻头可以有效地输送材料，并在所需的桩扩大高度内实现桩材料的匀一分布。

参照附图对本发明的实施例做进一步详细说明，其中：

图1为依据本发明钻孔机第一个实施例的横截面示意图

图2为依据本发明钻孔机第二个实施例的横截面示意图

图3为依据本发明钻孔机的俯视示意图

图4为一个钻孔机和桩孔横截面示意图，示出利用本发明成桩法成桩过程

图1表示桩孔21内放置有本发明的钻孔机30。钻孔机30包括一个驱动钻杆1。在钻杆1下端有一个倾斜部分2，用于安装钻头3，钻头3至少在一个位置上有径向分布的牙齿，用于切削桩孔21底部的土壤。

图3表示钻头3的俯视图。钻头3具有普通钻头形状，有一个与空钻杆相配的开口4。钻头3上的牙齿5附近有一扇形切除区16，通过它，所切削下来的土壤可以向上输送。

图1和图2中表示钻头3有一滚筒状压实体6。压实体6两端有两个锥：具有圆锥面8的下半锥7和具有圆锥面10的上半锥9。

通过轴承11，压实体6以旋转方式安装在钻杆1的倾斜部分2上。轴承11由密封盘根12密封，具有防尘和防液功能。

钻杆1的倾斜部分2形成压实体6的旋转轴23。压实体6的旋轴轴23与桩孔纵轴24之间有一倾角15。压实体6的一锥和二锥7、9应保证倾角15满足：圆锥面8、10的一部分表面与桩孔纵轴24平行，并与桩孔21的孔壁13接触。在这个实施例中，压实体6的两个圆锥面8与10均有部分表面与孔壁13接触。这使得土壤压实效果良好，并减轻了轴承11的负担。

钻进过程是这样的，钻杆1沿其轴转动，其轴对应桩孔纵轴24。被切削齿5切削下来的土壤从桩孔底通过扇形切除区16输送到压实体6与孔壁13之间的自由空间17。所切削下的土壤受到压实体6双锥紧贴孔壁13的挤压作用，在桩孔21内形成一个土壤压实区14。当倾角15为2°到30°，特别是3°到10°之间时，土壤压实效果良好，钻进效果显著。

压实体6的圆锥面8和10的设计应保证至少有一个区域也孔壁13平行。对于第二锥9的后倾角，圆锥面10向顶端的倾角应略偏于桩孔纵轴24向内，这保证钻孔过程结束后，钻孔机30能够顺利起钻。

依照本法，当钻杆1做旋转运动时，双锥压实体绕倾斜部分2旋转，所切削下来的切屑通过压实体6水力挤压进入孔壁内。

钻孔或钻进过程无须振动方式。而且，由于被切削下来的土壤被压入孔壁13，没有土壤向上输送。在桩孔21附近的圆周面区14形成一个强有力的土壤压实区。测试表明，压实体6对孔壁13的水平挤压力非常之高，以致砾石可以被挤碎。圆周表面区14的压实非常良好，使孔壁13获得了足够的强度，对孔壁13无须其它的支撑。

压实体6相对于钻杆1的运动取决于土壤特性、接触压力、以及钻杆的转速。通常，土壤的强度随深度增加而增加，因此，在桩孔上部地层，切屑很容易挤压进入孔壁，压实体6绕自身轴23做旋转运动；随着深度的增加，土壤强度增大，压实体的旋转运动也急剧降低。在桩孔的下部地层，压实体6很可能相对于钻杆1保持静止。

图2表示本发明钻机的第二个实施例，对于桩孔壁增加了附加的支撑。

在这个实施例中，管子19下入到钻头上面。管子19的直径对应于压实体6的外径。管子19可以独立于钻杆1下进入到桩地21内。管子19可以通过连接器20与钻杆1相连。通过使用连结器20；例如隔离器实现此连接，通过驱动器24带动管子19。驱动器24与钻杆1的外表面刚性连接，给连结器20传递正向的下推力。管子19可以旋转方式或非旋转方式与钻杆1相连接。当管子19以旋转方式与钻杆1相连时，管状支撑与孔壁13之间没有或只有轻微的摩擦发生。

图4表示本发明钻机30在成桩工艺中的应用。当桩孔21钻成后，钻孔机留在桩孔21内所需深度。通过空心钻杆1，利用钻头3上的开口4，成桩材料31，如混凝土或砾石，被引入到桩孔内。随着钻孔机30的旋转运动，成桩材料31由钻头3输送到自由空间17。

自由空间17向下到达钻头3，向上到达桩孔21余部压实体6的上端。通过钻杆1和压实体6的旋转，桩材料31以及前面的切屑下来的土壤被挤压到孔壁内，在桩孔内形成一个横截面扩大区32。

桩横截面扩大区32的大小，可以通过桩材料31压入孔壁13的持续时间及钻孔机30的移动距离调节而控制。当桩横截面扩大区32完成后，钻孔机30从桩孔21内取出，桩孔21内完全为桩材料31所充满。本方法特别适于在可驱替土壤中建造现场混凝土桩或基，引入砾石和砂砾而无须施加振动，以及用于建造加强孔和抗压桩。

Claims (16)

1.钻孔机，适别适于地下钻孔，包括有一个钻杆，一个通过切削土壤形成钻孔的钻头，以及一个压实和驱替孔壁中土壤的压实体6，其特征是：压实体(6)是一以对称旋转方式安装的驱替滚筒，它安装在钻杆(1)的倾斜部分(2)上，压实体(6)至少一个圆锥面与孔壁(13)接触，形成一个分离的径向接触圆锥面，并在压实体(6)与孔壁(13)之间形成一自由空间(17)；钻头(3)是一种带有切削齿(5)和向压实体(6)与孔壁(13)之间的自由空间(17)排泄土壤的开口(16)的切削式钻头。

2.依照权利要求1的钻孔机，其特征是：倾斜部分(2)与桩孔纵轴(24)之间的倾角(15)为2°到30°。

3.依照权利要求2的钻孔机，其特征是：倾角(15)为3°到10°之间。

4.依照权利要求1至3之一的钻孔机，其特征是：压实体(6)以旋转方式安装。

5.依照权利要求1的钻孔机，其特征是：压实体(6)可以构造为多面体形。

6.依照权利要求1的钻孔机，其特征是：压实体(6)是锥形，锥角取决于其旋转轴(23)对桩孔纵轴(24)的倾角(15)的大小。

7.依照权利要求6的钻孔机，其特征是：压实体(6)从它的最大直径区向钻头(13)方向缩小直径。

8.依照权利要求1的钻孔机，其特征是：压实体(6)呈双锥结构。

9.依照权利要求1的钻孔机，其特征是：钻头(3)以倾斜方式与压实体(6)连接。

10.依照权利要求1的钻孔机，其特征是：钻杆(1)是一中空杆，其内部通过钻头(3)的开口(4)形成一出口。

11.依照权利要求1的钻孔机，其特征是：钻杆(1)上可以设置有支撑孔壁(13)的管子(19)。

12.使用权利要求1至11的钻孔机成桩方法的步骤如下：通过驱动钻头(3)切削土壤，把切削下的土壤排泄到钻头(3)后方，利用紧跟钻头(3)后面的压实体(6)滚动把切削下来的土壤挤压入孔壁(13)，把成桩材料(31)引入到桩孔(21)内。

13.依照权利要求12的方法，其特征是：桩材料(31)通过钻杆(1)和钻头(3)进入桩孔(21)内。

14.依照权利要求12或13的方法，其特征是：一种硬化的建筑材料，砾石或者砂子可以做成桩材料(31)。

15.依照权利要求12或13的方法，其特征是：随着至少一部分成桩材料的引入，带有压实体(6)的钻孔机(30)把桩材料滚压入孔壁(13)，产生一个局部的桩径扩大区(32)。

16.依照权利要求12或13的方法，其特征是：钻孔机(30)在桩孔(21)内可以做举升和冲程运动。

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