长螺旋钻头及施工方法探析

摘 要 长螺旋基础桩在建筑基础领域中占有很大的优势，成桩质量好，成本低、效率高等。随着国内三、四线山区城市的建筑开发，长螺旋入岩施工已成了难点。长螺旋设备无法入岩或入岩速度很慢，造成施工效率低，成本高，给施工的顺利进行带来很大的障碍。文章阐述了长螺旋入岩钻头和相应的施工方法，以供参考。

关键词 岩石破碎机理；入岩钻头；施工方法

中图分类号：TU94 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）02-0117-02

现在的建筑桩基础中，长桩（桩深大于30米）多适用于旋挖钻机、冲击正反循环钻机、回转正反循环钻机等设备来施工。短桩（桩深不大于30米）大径（直径大于1米）往往适用于旋挖钻机、冲击正反循环钻机、回转正反循环钻机等设备来完成。短桩（桩深小于30米）小径（直径不大于1米）多用于长螺旋钻机、夯扩桩机，螺杆桩机等设备来实现。旋挖钻机、冲击正反循环钻机、回转正反循环钻机施工过程中需要泥浆作护壁，灌注时需水下浇灌，污染环境，桩成本造价高。但能入岩，能够满足设计桩长。现有的长螺旋在软岩施工中具有很强的优势，但在硬岩施工中很难达到桩设计要求。为了降低短桩小径入岩桩施工成本，有必要对长螺旋入岩钻头及施工方法进行研究。

1 岩石破碎理论

利用弹性力学的研究结果来分析岩石内部的应力状态

1.1 静载作用下的岩石应用状

以平底圆柱形压头压入岩石为例，可知岩石的应力状态如图1。

由图可知：在压头的边缘集中区，极值应力使岩石首先在此区域出现变形甚至破坏，在应力集中区产生拉应力。

以球形压头压入岩石为例，可知岩石应力状态如图2。

由图可知，在压头的中心凸出处为应力集中区，在接触面的圆周边界处，沿径向产生拉应力区。

图1 平底圆柱压头压力面上的压力分布

图2 球形压头压力面上的压力分布

1.2 轴向力和切向力共同作用时压头下方岩石的应力状态

以平底圆柱形压头压入岩石为例来分析岩石的应力状态如图3所示，只有轴向力单独作用于压头时，弹性半无限体内等应力线分布是均匀的、对称的。

图3 轴向力作用时岩石内的应力分布

如图4所示，在轴向力和切向力共同作用时，等应力线分布是非均匀的。不对称的（如图4（a）所示），在接触面上，切向力作用的前方将产生压应力，其后方则产生拉应力，在半无限体内，形成正应力区（Ⅰ）、拉应力区（Ⅱ）和过渡区（Ⅲ）（如图4（b）所示）。轴向力和切向力共同作用时，可看作碎岩工具对孔底岩石表面以某一角度α施加作用力，岩石的破碎效果将由此作用力的大小和方向来决定。通常情况下α值取45°～65°，岩石硬度越高，α值越大。压缩区（Ⅰ）随轴向力增加而扩大，随切向力的增加而缩小；拉伸区（Ⅱ）则随轴向力增加而缩小，随切向力的增加而扩大；当岩石中出现拉应力时，岩石将在作用力比较小时，会在拉应力区开始破碎。

（a）等应力线图 （b）应力状态特征

图4 轴向力和切向力共同作用时岩石内的应力分布

2 岩石的破碎过程

岩石在不同轴压作用下破碎速度是不同的，如图5所示。

图5 不同轴压下岩石破碎的3个区段

在较小轴压作用情况下，岩石只发生弹性变形或微小裂纹。当轴压增加到一定值时，可以对岩石产生一定程度的压裂现象，当轴压继续增加到一定极限时，岩石才会出现较大范围的裂隙，从而达到破碎。钻头在钻进过程中，轴压对破碎速度的影响是很关键的因素。图中Ⅰ区为岩石表面研磨破碎区，此时轴压值较小，岩石表面的磨损是由钻头齿与岩石表面接触而引起的。图中Ⅱ区为岩石疲劳破碎区段，此时轴压力未达到岩石的极限强度或压入硬度值，岩石产生微裂隙。破碎效果较表面研磨阶段好些。图中Ⅲ区为体积破碎区，此时轴压等于或大于岩石的极限抗压强度或压入硬度值，岩石出现较大裂隙，从而形成快速破碎。随着轴压的增大，破碎效果越来越明显，此时钻头齿的损大损耗为最小，岩石破碎所耗功率也小。

3 长螺旋入岩钻头机理

图6 轴压与钻头距自由面距离曲线

由岩石的破碎理论和岩石的破碎过程可知：回转入岩钻头的入岩是关键点，而入岩后剪切破碎是比较容易的。因为在大多数情况下，岩石的抗剪强度极限几乎是抗压强度极限的10%左右，参照抗压强度对地层进行分类表（表1）。

根据施工地勘报告和桩基础设计要求，得知工程桩所入岩层的抗压强度。根据施工设备的最大加压负载来选择入岩钻头的结构形式。入岩钻头选择截齿作为刀具，截齿与岩面的倾角一般在45°～65°之间，岩石越硬，倾角越大，截齿的数量越少，磨损速度越快，但在同等轴向加压力的情况下，入岩深度深；截齿的数量越多，磨损速度越慢，但在同等轴向加压力的情况下，入岩深度浅。钻头的结构形式多采用锥形体，根据自由面岩石破碎理论可知，随着离自由面槽的距离增加，钻头侵入岩石所需的轴压也逐渐增大如图6所示。锥形入岩钻头的相邻截齿同时侵入岩石时，则会互相为对方创造自由面，根据多年的施工实践，锥形入岩钻头相邻截齿的间距应小于12 cm。

锥形入岩钻头如图7所示。

图7 锥形入岩钻头

4 影响入岩钻进的速度因素

4.1 岩石性质

岩石的抗压强度的大小直接决定着钻头截齿入岩的难易程度。这就要求施工设备要有轴向加压装置。最大加压负载满足入岩的基本条件。

4.2 岩石破碎效果

一般评价岩石的破碎效果，常以破碎单位体积岩石所消耗的功来加以衡量。W=。式中：W-单位体积的破碎功；P-钻机的功率；V-岩石的钻进速度；D-钻孔直径；π-圆周率。单位体积的破碎功越小，则破碎岩石的效果越好。钻机功率、钻孔直径和钻进速度决定岩石的破碎功的大小，提高钻机功率有利于降低岩石的破碎功，从而达到提高钻进速度。

5 结束语

通过吉林柳河地区的现场施工实践，基于岩石破碎理论和岩石性质，选择合适的入岩钻头，采用带加压装置的长螺旋设备，满足了入岩桩基础设计要求，大大降低了施工成本，提高了施工效率，得到用户的高度评价。

参考文献

[1]岩土工程手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1994.

[2]王三牛，宋刚.多功能旋挖钻机长螺旋钻具的研制[J].探矿工程，2010，37（5）.

[3]赖海辉，朱成忠，等.机械岩石破碎学[M].长沙：中南工业大学出版社1991.

[4]徐小荷，余静.岩石破碎学[M].北京：煤炭工业出版社，1984.

[5]黎中银，夏柏如，吴方晓.旋挖钻机高效入岩机理及其工程应用[J].2009，22（3）.

作者简介

薛淑华（1964-），女，辽宁沈阳人，高级工程师，从事机械设计及制造工作。