旋挖钻机技能培训学校

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1、旋挖钻机施工概述

旋挖钻机是一种用于建筑基础工程成孔作业的桩工机械,具有施工速度快、成孔质量好、环境污染小、操作灵活方便、安全性能高及适用性强等优势,已成为钻孔灌注桩施工的主要成孔设备,旋挖钻机是一种高度集成的桩基施工机械,源于国外矿山机械,采用一体化设计、履带式360°回转底盘及桅杆式钻杆,一般为全液压系统。特殊的桶型钻头直接取土出渣,不需接长钻杆,钻孔时孔口注浆以保持孔内泥浆高度即可,因而能大大缩短成孔时间。由于带有自动垂直度控制和自动回位控制,成孔垂直度和孔位等能得到保证。桶钻取土上提过程中对孔壁扰动较小,桶钻周边设有溢浆孔,溢出泥浆可起到护壁作用。对于具有大扭矩动力头和自动内锁式伸缩钻杆的旋挖钻机,可适应我国大部分地区的土壤地质条件,包括淤泥层、粘性土、泥土、粉质土、(泥)砂层、卵砾石、卵(漂)石层、强风化岩层、永久冻土、风化基岩等地层。目前旋挖钻机最大施工孔径已达4.0m,深度在达到90m。

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2、岩石特性及岩石破碎理论

2.1 岩石特性

岩石是岩块与岩体的总称,是一种各向异性、非均质、不连续的物质。大多数岩石在常温常压下是脆性材料,但是随着压力与温度的增加,岩石的强度会由脆性向韧性转化。

岩石的强度是指岩体在外部载荷作用下,整体抵抗变形的能力。岩石的强度一般用单轴抗压强度、抗拉强度、抗剪强度来表示,其中抗剪强度和抗压强度是确定岩石工程稳定性的主要因素。

岩石在无围压的情况下,受纵向压力出现压缩破坏时,单位面积上所承受的载荷称为单轴抗压强度。而抗剪强度是指岩石在外力作用下达到破坏时的极限剪应力。库伦-纳维准则通过大量的试验证明,岩石在受压时会表现出最大的抵抗破坏的能力,而岩石的抗剪强度极限仅为抗压强度极限的10%左右。下表列出了常见岩石不同强度的对比关系。

岩石性质 不同受载方式下的岩石强度相对值
抗压强度(MPa) 抗拉(MPa) 抗剪(MPa)
花岗岩 1 0.02~0.04 0.09
砂  岩 1 0.02~0.05 0.10~0.12
石灰岩 1 0.04~0.10 0.15

另外,岩石的强度受加载速度的影响也比较明显,主要表现在随着加载速度的增加,岩石的强度会有大幅提高。但目前一般认为:在钻具冲击岩石的速度不大于5m/s时,岩石的力学性能不会发生本质性的改变。

2.2 岩石的破碎

目前施工中岩石破碎的主要方法有三种型式:冲击破岩、磨削破岩、剪切入岩。

冲击破岩:根据理论分析,只有当作用在岩石上的压力超过了岩石单轴抗压强度极限的30%~50%时,岩石才会顺利实现破碎。所以在压力没有达到岩石的破碎强度极限以前,可通过钻具与岩石的多次冲击,使岩石产生裂纹,降低其强度,当岩石强度降低到一定程度就能实现岩石破碎。目前常用的设备为冲击锤。

磨削破岩:在较小的压力载荷下,依靠旋转的钻具与岩石接触所产生的摩擦力的作用,来引起岩石破损(该方法实际上为一种研磨作用)。此种方法岩石的破碎速度比较慢,岩石破碎颗粒较细,钻具磨损严重。目前市场上常用的设备为正(反)循环钻。

剪切破岩:根据库伦-纳维准则岩石的抗剪强度极限仅为抗压强度极限的10%左右,所以用剪切的方法破碎岩石最为有效。以回转钻进为主要方法的施工设备,如果在钻进的同时,在钻具上实现压力加载,使钻具截齿切入岩石(旋挖钻机进行硬岩施工时,以配套截齿钻进为主),那么在回转扭矩的作用下就能实现岩石的剪切破碎。旋挖钻机技能培训学校

根据岩石剪切破碎的条件,旋挖钻机具备岩石剪切破碎的基本条件。旋挖钻机的钻具在加压载荷的作用下,依靠动力头的驱动,就能实现钻具的剪切破岩。加压系统的加压力经过钻杆的传递,使钻具截齿切入岩土,利用钻具旋转产生的扭矩使岩石产生剪切破碎,岩石的破碎颗粒比较大,破岩效率高。

3、旋挖钻机的入岩原理

3.1 旋挖钻机破岩的原理是:依靠大加压力将钻具截齿压入岩石,在强大的动力头输出扭矩的作用下,使岩石产生剪切破碎。旋挖钻机在施工过程中,通过动力头的旋转驱动钻杆,带动钻具旋转,在加压载荷与旋转扭矩的作用下,钻具与岩石的接触面之间就会产生剪切力,实现剪切破岩。

钻杆上一般会有三至四个锁点,通过机锁点可把每节钻杆锁住,完全把加压力传递给钻具,加压载荷的传递效率较高,能在钻具与岩体之间产生较大的剪切力,实现硬岩的钻进。

3.2 钻具截齿的合理布置

从岩石剪切破碎的原理可知,旋挖钻机在进行剪切破岩时,钻具截齿的既要受到钻具旋转时的运行阻力,又要受到加压载荷的压入阻力,如下图7所示。在相同加压载荷的作用下,如果减小截齿的切入角度,使截齿由线接触或面接触改为点接触,就能大幅降低钻具与岩体的接触面积,提高截齿切入岩石能力。经过对大量试验数据的分析,斗齿的切入角度应稍大些,以45°~60°为宜;钻入比较硬的地层(花岗岩层)时斗齿的切入角度应稍小些,以25°~45°为宜。

 

截齿布置型式

4、结束语

旋挖钻机在根据土层钻进至淤泥层、粘性土、泥土、粉质土、(泥)砂层时采用普通钻具抓斗进行旋挖作业,当遇至卵(漂)石层、强风化岩层、永久冻土、风化基岩等地层时换为金刚石截齿钻具进行切割钻进。当钻进至设计孔深后,金刚石截齿钻具取下调换成可闭合式抓斗进行碎石抓取,直至达到设计沉渣厚度后即可成孔报验完成钻孔任务。

桩基础是目前各类工程中常用的重要基础形式之一,其中钻孔灌注桩由于施工工艺成熟、安全性高、地层适应性强等优点,被广泛应用于高层建筑、大中型桥梁工程施工中。但由于传统的钻孔机械主要为回转循环类钻机和冲抓类钻机,受钻机自身结构特点及施工工艺特点,钻进速度较慢,并且在施工过程中循环泥浆、噪声等的污染较大。近年来,在许多工期要求较紧的项目或者环保要求较高的市区重要建筑施工中,一种新型的钻机――旋挖钻机正逐步取代传统钻机,在高层、超高层建筑等地基基础工程施工中发挥着重要的作用,故我方选用旋挖钻机进行本工程各类桩的钻进用具。

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作者: wenchaoa

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