一种陀螺钻头和带有陀螺钻头的成桩机械.pdf

本实用新型公开了一种陀螺钻头和带有陀螺钻头的成桩机械，带有陀螺钻头的成桩机械，包括移动系统、底盘、桩架、动力系统、管状钻杆、钻头和高压注砼系统，钻头位于钻杆的头部，钻头中间部分的螺片为等径螺片，上部螺片和下部螺片直径逐渐减小，形成上、下两个尖，整个钻头为呈陀螺形的陀螺钻头。还装有高压旋喷系统，在钻头上有多个高压旋喷口。成孔不用套筒，动力和造价降低，适用大口径超大承载力桩及非开挖的管道施工。

1.  一种陀螺钻头，其特征在于，钻头中间部分的螺片直径相等，上部螺片和下部螺片直径逐渐减小，形成上、下两个尖，整个钻头呈陀螺形。

2.  一种带有陀螺钻头的成桩机械，包括移动系统、底盘、桩架、动力系统、钻杆、钻头和高压注砼系统，其特征在于，钻头位于钻杆的头部，钻头中间部分的螺片为等径螺片(9)，上部螺片(10)和下部螺片(11)直径逐渐减小，形成上、下两个尖，整个钻头为呈陀螺形的陀螺钻头(8)。

3.  根据权利要求2所述的带有陀螺钻头的成桩机械，其特征在于，所述高压注砼系统由高压混凝土泵(14)、输砼导管(15)和注砼口(12)构成，钻杆为管状钻管(5)，输砼导管(15)插入管状钻管钻杆(5)，通过管状钻管(5)中形成的高压注砼通道(13)和形成在陀螺钻头(8)下尖的注砼口(12)注砼。

4.  根据权利要求2所述的带有陀螺钻头的成桩机械，其特征在于，还装有高压旋喷系统(6)，在钻头(8)上有多个高压旋喷口。

5.  根据权利要求4所述的带有陀螺钻头的成桩机械，其特征在于，所述多个高压旋喷口为位于陀螺钻头(8)的上部、中部和下部的上高喷口(20)、中高喷口(21)和下高喷口(22)。

6.  根据权利要求5所述的带有陀螺钻头的成桩机械，其特征在于，所述钻杆为套管钻管(5)，在上高喷口(20)的下方有泥浆上排放口(23)，在下高喷口(22)的上方有泥浆下排放口(27)，套管钻管(5)内套管的内部空间一分为二，一边为高压注砼系统的高压注砼通道(13)，另一边为与泥浆上排放口(23)和泥浆下排放口(27)相通的排泥浆通道(16)，在内外套管之间为高压旋喷通道(17)，高压旋喷通道(17)中设置有与上高喷口(20)、中高喷口(21)和下高喷口(22)相通的上高喷口通道(18)、中高喷口通道(25)和下高喷口通道(19)。

7.  根据权利要求4所述的带有陀螺钻头的成桩机械，其特征在于，所述高压注砼系统由高压混凝土泵(14)、输砼导管(15)和注砼口(12)构成，输砼导管(15)插入高压注砼通道(13)，通过高压注砼通道(13)和形成在陀螺钻头(8)下尖的注砼口(12)注砼。

8.  根据权利要求4所述的带有陀螺钻头的成桩机械，其特征在于，在螺片上还设置有止土阀(24)和耙齿(26)。

一种陀螺钻头和带有陀螺钻头的成桩机械
技术领域
本实用新型涉及一种建构筑物的桩基础施工机械，尤其是一种陀螺钻头和带有陀螺钻头的成桩机械。
背景技术
在建筑、桥梁、市政、水利、码头工程的桩基施工中通常采用螺旋钻成桩，现有的螺旋钻除钻头的一小部分外，其余部分的螺片直径都是相等的且长螺旋钻的螺旋分布长度与桩长等长，其旋转阻力很大。实施大口径长桩施工时，由于其阻力巨大而使动力极高，或不得已缩小桩径、桩长，因此往往不能满足设计要求。而短螺旋钻螺旋部分虽然短，但需分若干次钻进提上，在软土中无法实现。螺旋钻用在沿海的淤泥质粘土中，由于粘性土的清除困难，使其无法应用。带护筒的螺旋钻施打大口径长桩时，拔筒十分困难，且造价极高。现有的螺旋钻靠螺片上提，将孔中土体带出地面，然后再清除，如中国ZL200410094076.1中的方法。
所以，在沿海淤泥、淤泥质粘土、粉质粘土深厚，以及粉细砂护壁困难、风化岩等地质特点的地方，现有的长、短螺旋钻、带套筒的螺旋钻以及钻孔、沉拔管桩机都存在着技术、承载力和成本方面的缺陷。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种可以不用护筒，不开挖护壁，且能进入一定深度硬上层的可以适用不同地质及承载力要求的陀螺钻头和带有陀螺钻头的成桩机械。
为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种陀螺钻头，钻头中间部分的螺片直径相等，上部螺片和下部螺片直径逐渐减小，形成上、下两个尖，整个钻头呈陀螺形。
一种带有陀螺钻头的成桩机械，包括移动系统、底盘、桩架、动力系统、钻杆、钻头和高压注砼系统，钻头位于钻杆的头部，钻头中间部分的螺片为等径螺片，上部螺片和下部螺片直径逐渐减小，形成上、下两个尖，整个钻头为呈陀螺形的陀螺钻头。
所述高压注砼系统由高压混凝土泵、输砼导管和注砼口构成，钻杆为管状钻管，输砼导管插入钻杆，通过钻杆中形成的高压注砼通道和形成在陀螺钻头下尖的注砼口注砼。
还装有高压旋喷系统，在钻头上有多个高压旋喷口。
所述多个高压旋喷口为位于陀螺钻头的上部、中部和下部的上高喷口、中高喷口和下高喷口。
所述钻杆为套管钻管，在上高喷口的下方有泥浆上排放口，在下高喷口的上方有泥浆下排放口，套管钻管内套管的内部空间一分为二，一边为高压注砼系统的高压注砼通道，另一边为与泥浆上排放口和泥浆下排放口相通的排泥浆通道，在内外套管之间为高压旋喷通道，高压旋喷通道中设置有与上高喷口、中高喷口和下高喷口相通的上高喷口通道、中高喷口通道和下高喷口通道。
所述高压注砼系统由高压混凝土泵、输砼导管和注砼口构成，输砼导管插入高压注砼通道，通过高压注砼通道和形成在陀螺钻头下尖的注砼口注砼。
在螺片上还设置有止土阀和耙齿。
本实用新型的有益效果是：
1、在软粘土中，不用现有的螺旋钻那样靠螺片上提将孔中土体带出地面，然后再清除，它利用了软土中可以挤土成孔的特性，靠陀螺钻头的等径螺片部分(即陀螺钻头的中部螺片直径相等的部分)提钻时挤土形成的柱状孔来成孔，由于陀螺钻头的长度仅为螺旋钻的十分之一或更少，其扭力、阻力大大减小；陀螺钻头的上部为“尖”状，其上拔的阻力大大减小；钻头部分携带泥土极少，也就免除了粘土、淤泥清除之苦，使螺旋钻不能实现的，本实用新型的方法得以在粘土地质中实现成孔成桩。
2、将现有的螺旋钻钻头改为上、下两个尖，将上部的螺片全部去掉，只留钻杆，反过来则可以大大加大陀螺钻的钻径和桩长，在遇到硬层粉土粉砂时，陀螺钻头上尖的高喷系统可以切割土体，与常规的自上而下的制浆成孔相反，是从下往上制浆成孔的倒成孔法，解决了大口径螺旋钻机直接提上或拨护筒的困难。由于陀螺钻头的挤护作用，在下尖部注浆成桩，又省去了传统的螺旋护筒，使螺旋钻的提上成桩大为简便，且解决了钻孔灌注桩在液化粉细砂中由于护壁难而导致的成孔难问题。
3、钻杆用高强度的套管制造。这样的陀螺钻头可以靠挤土上、下钻进，变原来的提土成孔为挤土成孔，由于螺片的数量大大减少(减少70~90％)，仅剩了钻杆与钻头，所以其扭力及侧向竖直摩擦阻力大大降低，大幅度降低了动力。
附图说明
图1是本实用新型第1实施例的带有陀螺钻头的成桩机械的组成示意图。
图2是本实用新型第1实施例的的陀螺钻头的结构图。
图3是本实用新型第2实施例的带有陀螺钻头的成桩机械的组成示意图。
图4是本实用新型第2实施例的的陀螺钻头的结构图。
图5是本实用新型的第2实施例的陀螺钻头的套管钻管横剖面图。
图中，1、桩架；2、底盘；3、移动系统；4、动力系统；5、钻管；  6、高压旋喷注浆系统；8、陀螺钻头；9、等径螺片；10、上部螺片；11、下部螺片；12、注砼口；13、高压注砼通道；4、高压混凝土泵；15、输砼导管；16、排泥浆通道；17、高压旋喷通道；18、上高喷口通道；19、下高喷口通道；20、上高喷口；21、中高喷口；22、下高喷口；23、泥浆上排放口；24、止土阀；  25、中高喷口通道；26、耙齿；27、泥浆下排放口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明：
实施例1
本实用新型的陀螺钻头，钻头中间部分的螺片直径相等，上部螺片和下部螺片直径逐渐减小，形成上、下两个尖，整个钻头呈陀螺形。
如图1、2所示，本实用新型的带有陀螺钻头的成桩机械，包括安装在移动系统3上的底盘2、桩架1、打桩的动力系统4、管状钻管5、陀螺钻头8和高压注砼系统，陀螺钻头8位于钻管5的头部，钻头中间部分的螺片直径相等，上部螺片和下部螺片直径逐渐减小，形成上、下两个尖，整个钻头呈陀螺形。即陀螺钻头8的螺片由等径螺片9，上部螺片10和下部螺片11组成。一般情况下等径螺片9部分的长度为1~2米。
高压注砼系统由混凝土泵14、输砼导管15和注砼口12构成，输砼导管15插入管状钻杆5，通过管状钻杆5中形成的高压注砼通道13和形成在陀螺钻头8下尖的注砼口12注砼。
带有上述的陀螺钻头的成桩机械的成桩方法，在软土如淤泥、淤泥质粘土、粉质粘土中成桩，依次包括以下步骤：
a.首先用陀螺钻机钻进，当钻进到达设计深度后，启动混凝土泵将混凝土通过输砼导管泵入钻杆芯管，通过注砼口注入混凝土，边注入混凝土边提陀螺钻，靠陀螺钻头挤土成孔，边提钻边注，直到设计标高，形成素混凝土的桩身。
b.在混凝土初凝前，将钢筋笼插入素混凝土的桩身。
上述方法也可用于非开挖管道的施工。
带有上述陀螺钻头的成桩机械的成桩方法，用于上软下硬地基桩基中成桩，依次包括以下步骤：
a.首先用陀螺钻机钻进，当钻头钻过软土到达硬土层时，先将钻头钻入硬层，当陀螺钻头全部进入硬层后，开始同向旋转提钻，提至软土后，反向转钻，使钻头等径螺片间的硬土被上部钻周软土挤入周围的软土中，螺片间的存土被置换成软土，然后再正向旋转下沉钻进至上次到达的深度后继续钻进，直至钻头再次全部进入上次达到的深度以下后，再一次提钻，循环重复上述步骤，直至达到设计要求的深度；
b.当上下置换到达设计深度后，启动混凝土泵将混凝土通过输注砼导管和注砼口注入到陀螺钻钻下尖的孔中，边泵送混凝土边提陀螺钻，靠陀螺钻头挤土成孔，边提钻边注砼直到设计标高，形成素混凝土的桩身。
c.在混凝土初凝前，将钢筋笼插入素混凝土的桩身。
上述方法也可用于非开挖管道的施工。
当然，上述两个方法中的钢筋笼插入素混凝土步骤根据情况可以省略。
综上所述，本实用新型的设备，在软粘土中不用像现有的螺旋钻机那样作螺片上提将孔中土体带出地面然后再清除；它利用了软土中可以挤土成孔的特性，靠钻头的柱体(即陀螺钻头的中部螺片直径相等的部分)提钻时挤土形成的柱状孔来成孔，由于陀螺钻头的长度仅为螺旋钻头的十分之一或者更少，其扭力、阻力大大减小：加之，陀螺钻头的上部也为“尖”状，其上拔的阻力大大减小；由于钻头部分携带泥土极少，也就免除了粘土、淤泥的清除之苦，从而螺旋钻不能实现的工法陀螺钻得以在粘土地质中应用。
在上软下硬的土层中，它可以将硬层中的土用陀螺钻头先钻进后上提，利用正反向旋转将土体置换，即为硬土中成孔创造了条件，又改善加固了上部软土，也不用外排泥土、泥浆，经济环保。
实施例2
如图3、4所示，本实用新型的带有陀螺钻头的成桩机械，包括安装在移动系统3上的底盘2、桩架1、打桩的动力系统4、套管钻管5、陀螺钻头8和高压砼系统，陀螺钻头8位于套管钻杆5的头部，钻头中间部分为等径螺片9，上部螺片10和下部螺片11直径逐渐减小，形成上、下两个尖，整个钻头为呈陀螺形；还装有高压旋喷系统6，在钻头上装有多个高压旋喷口。一般情况下等径螺片9部分的长度为1~2米。
所述多个高压旋喷口为位于陀螺钻头8的上部、中部和下部的上高喷口20、中高喷口21和下高喷口22。
如图5所示，钻杆为套管钻管5，在上高喷口20的下方有泥浆上排放口23，在下高喷口22的上方有泥浆下排放口27，套管钻管5内套管的内部空间一分为二，一边为高压注砼系统的高压注砼通道13，另一边为与泥浆上排放口23和泥浆下排放口27相通的排泥浆通道16，在内外套管之间为高压旋喷通道17，高压旋喷通道17中设置有与上高喷口20、中高喷口21和下高喷口22相通的上高喷口通道18、中高喷口通道25和下高喷口通道19。
高压注砼系统由高压混凝土泵14、输砼导管15和注砼口12构成，输砼导管15插入高压注砼通道13，通过高压注砼通道13和形成在陀螺钻头8下尖的注砼口12注砼。
在螺片上还设置有当钻逆转时起挡土作用的止土阀24和起破碎作用的耙齿26。
下面，对采用上述机械的成桩法分别进行详细说明：
带有上述陀螺钻头的成桩机械的成桩方法，用于在大口径桩硬土层成桩或护壁成孔困难的液化粉细砂地质中成桩，依次包括以下步骤：
a.用陀螺钻机钻进，当钻进困难时，启动高压旋喷系统，通过下高喷口，用射流切割土体形成泥浆，使泥浆从下排浆口经排泥浆通道至地面，以保证在粉砂等硬地层中钻进到设计深度。
b.当钻进到达设计深度后，陀螺钻头上尖部的高压旋喷系统开启，利用射流旋转喷射切割土体，使土体成为泥浆后流入泥浆排放口，沿钻杆内管中的排泥浆通道排出地面；
c.在高压旋喷系统开启的同时，同步上提钻头和启动通过陀螺钻头钻尖下部的高压注砼系统，使流态混凝土从通过钻杆内管的高压注砼通道，从钻头下尖的注砼口注入到由陀螺钻等径螺片挤压形成的中部柱体桩孔内，直至达到设计标高，形成素混凝土的桩身。
d.在混凝土初凝前，将钢筋笼插入素混凝土的桩身。
当然，如果没有钻进困难，可以省略步骤a。
带有上述陀螺钻头的成桩机械的成桩方法，用于混凝土压注加高压旋喷组成组合桩，依次包括以下步骤：
a.用陀螺钻机钻进，当钻进困难时，启动高压旋喷系统，通过下高喷口，用射流切割土体形成泥浆，使泥浆从下排浆口经排泥浆通道至地面，以保证在粉砂等硬地层中钻进到设计深度。
b.当钻进到达设计深度后，陀螺钻头上尖部的高压旋喷系统开启，利用射流旋转喷射切割土体，使土体成为泥浆后流入泥浆排放口，沿钻杆内管中的排泥浆通道排出地面；
c.在高压旋喷系统开启的同时，同步上提钻头和启动通过陀螺钻头钻尖下部的高压注砼系统，使流态混凝土从通过钻杆内管的高压注砼通道，从钻头下尖的注砼口注入到由陀螺钻等径螺片挤压形成的中部柱体桩孔内，同时启动高压旋喷系统，通过中高喷口向桩周土高压旋喷射入水泥浆，使混凝土桩外形成一定厚度的水泥土体包裹混凝土芯桩，形成混凝土芯桩与其外围的水泥土桩共同组成的组合桩，直至达到设计标高
d.在混凝土初凝前，将钢筋笼插入混凝土的桩身。
当然，如果没有钻进困难，可以省略步骤a。
由于混凝土芯桩与其外围的水泥土桩共同组成组合桩，芯桩承受上部荷载；水泥上桩(环状)增大芯桩的侧摩阻力和抗水平推力，此种工法可供芯桩的承载力提高30％~100％或以上，具有极高的经济效益。
综上所述，在密实度很高的粉上、粉砂中，要成大口径的桩，挤土成孔困难或不可能时，它可以利用陀螺钻头上尖上的高喷注浆系统成圆周状靠喷射破坏土体造成泥浆，使泥浆从钻杆内管的排泥通道中向上排出地面，同时向上提钻成孔，设在下尖的注浆系统向孔内同步压注浆等填料成桩，这是现有的长螺旋钻与短螺旋钻都无法实现的。
利用钻头上的高喷注浆系统，可以向桩周土喷射水泥浆或其他任何可以加固土体的材料，使桩周土的密实度、强度提高，从而大大提高桩的竖向承载力和抗水平推力，此功能达到的性价比要比其现有成桩方法优越得多。
上述方法也可用于非开挖管道的施工。
综上所述，本实用新型的内容并不局限在的实施例中，相同领域内的有识之士可以在本实用新型的技术指导思想之内可以轻易提出其他的实施例，但这种实施例都包括在本实用新型的范围之内。