專利名稱：一種鉆孔機(jī)和在孔內(nèi)形成樁的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鉆機(jī)或鉆孔機(jī)，特別是根據(jù)權(quán)利要求1用于在地下形成鉆孔，以及根據(jù)權(quán)利要求12在鉆孔內(nèi)形成樁的方法。
一種前面提到過的鉆孔機(jī)見于DE4228580C1。這種鉆孔機(jī)用于現(xiàn)場形成混凝土驅(qū)替樁，它有一個(gè)鉆頭和一個(gè)錐形、表面光滑的驅(qū)替體。錐形驅(qū)替體的最大外徑至少與鉆頭所鉆孔的直徑相當(dāng)。在鉆孔機(jī)的沖擊力作用下，鉆頭切削掉的土壤由驅(qū)替體驅(qū)替進(jìn)入孔壁。因?yàn)橐淹寥罃D壓進(jìn)入孔壁，這種驅(qū)替法需要較高的軸向沖擊力。同時(shí)，由于驅(qū)替體的全部圓周面與孔壁接觸，為克服摩擦阻力，鉆孔機(jī)需要一個(gè)高的鉆孔扭矩。驅(qū)替體磨損非常嚴(yán)重。
DE3218995專利公開了一種在疏松、可壓縮土壤中形成鉆孔的工具及其方法。該公知鉆機(jī)或鉆具由幾個(gè)朝向下的圓錐構(gòu)成，在心軸端部形成工具前端。在高的沖擊力作用下，鉆具壓入地層，當(dāng)鉆具旋轉(zhuǎn)時(shí)，地層同時(shí)被壓實(shí)。在這種螺旋壓實(shí)原理中，要求有一個(gè)較高的沖擊力和一個(gè)較高的扭矩，而且鉆具構(gòu)造非常復(fù)雜。
根據(jù)專利DT2439063A1，另外一種類似的利用土壤壓實(shí)的鉆孔原理也用于鉆孔機(jī)上。這種鉆孔機(jī)有一個(gè)錐形件，安裝在旋轉(zhuǎn)曲軸上。由于這種鉆孔機(jī)沒有任何切削運(yùn)動(dòng)，只是通過土壤壓實(shí)形成鉆孔，該鉆孔機(jī)只適用于疏松土壤。其復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)使得該鉆孔機(jī)很容易破壞。
本發(fā)明的目的是提供一種相對構(gòu)造簡單的鉆孔機(jī)，在使用較低沖擊力和較低的鉆孔扭矩情況下，形成鉆孔，并把切削下的土壤擠入孔壁。本發(fā)明的另外一個(gè)目的是提供一種在地下有效成樁的方法。
對于本發(fā)明的鉆孔機(jī)，其目的是這樣實(shí)現(xiàn)的壓實(shí)體是一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的具有對稱構(gòu)造的驅(qū)替滾筒，安置在鉆桿上并與鉆桿成一定角度，壓實(shí)體至少有一個(gè)圓錐面與孔壁接觸，形成一個(gè)沿徑向接觸的圓錐面區(qū)域，并在壓實(shí)體與孔壁之間形成一個(gè)自由空間；鉆頭是一種切削式鉆頭，帶有一個(gè)開口，用以清除排泄壓實(shí)體與孔壁之間自由空間的土壤。
使用這種鉆孔機(jī)，鉆頭首先以常規(guī)方式通過切削清除土壤形成一個(gè)樁孔。因此，根據(jù)本發(fā)明，該鉆孔機(jī)可以用于具有較高強(qiáng)度的土壤中。鉆頭的外徑?jīng)Q定了井眼的直徑。壓實(shí)體與孔軸線成一定角度或者傾斜于孔軸線，使得孔壁與壓實(shí)體之間形成一自由空間，再通過鉆頭的至少一個(gè)開口，把切削下來的土壤輸送到這一自由空間中。壓實(shí)體的一個(gè)周圍面與孔壁接觸，并連接到鉆頭和鉆桿上，在鉆進(jìn)旋轉(zhuǎn)時(shí)，壓實(shí)體沿孔壁的圓周面運(yùn)動(dòng)。在壓實(shí)體轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，它壓實(shí)并驅(qū)替孔壁中的土壤。這由壓實(shí)體上的楔形表面來完成。
由于壓實(shí)體只是其部分圓周與孔壁接觸，只產(chǎn)生有限磨損，對于必需的鉆孔扭矩和鉆具磨損有積極影響。土壤壓實(shí)主要通過壓實(shí)體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來完成，所以鉆孔機(jī)只需要較低的沖擊力就可以實(shí)現(xiàn)壓實(shí)土壤功能。
依據(jù)本發(fā)明，壓實(shí)體的旋轉(zhuǎn)軸線傾斜于樁孔縱軸或與樁孔縱軸成一定角度旋轉(zhuǎn)。軸本身與鉆桿和鉆頭剛性連結(jié)。利用壓實(shí)體的形狀及其傾角，能夠調(diào)節(jié)壓實(shí)體與孔壁之間的接觸面積，以實(shí)現(xiàn)土壤的有效壓實(shí)和驅(qū)替。
為了進(jìn)一步減少孔壁與壓實(shí)體之間的摩擦，本發(fā)明所述壓實(shí)體以轉(zhuǎn)動(dòng)方式連接安裝，因此，當(dāng)壓實(shí)體沿孔壁運(yùn)動(dòng)時(shí)，它可以自身滾動(dòng)，從而把切削下的土壤擠壓入孔壁。
考慮到鉆孔機(jī)的負(fù)載狀態(tài)，特別是壓實(shí)體止推軸承的負(fù)載狀態(tài)，設(shè)置壓實(shí)體旋轉(zhuǎn)軸與孔軸線之間的傾角或者鉆桿的彎斜部分與樁孔縱軸之間的傾角為3至30 °之間更為有利。
所發(fā)明的壓實(shí)體構(gòu)造為可對稱轉(zhuǎn)動(dòng)的壓實(shí)滾筒，這形成一個(gè)一致的滾動(dòng)?？蓪ΨQ旋轉(zhuǎn)壓實(shí)體可以是一個(gè)柱體，錐體或球體形狀，或者本發(fā)明所述構(gòu)件的形狀。壓實(shí)體的直徑小于樁孔直徑。
在某些應(yīng)用場合，壓實(shí)體為多面柱體更為有利。在這種實(shí)施例中，壓實(shí)體有一個(gè)多邊形截面，例如，八邊形或者十邊形的截面。使用多面體的壓實(shí)體可以使孔壁具有局部平面的表面。多面體可以是一個(gè)棱柱體或者金字塔錐的形狀。在特殊情況下，可能使用具有三角形橫截面形狀的壓實(shí)體。
然而，根據(jù)一個(gè)優(yōu)選的壓實(shí)體實(shí)施例，即后者，應(yīng)是一個(gè)錐體，錐角決定于壓實(shí)體旋轉(zhuǎn)軸相對于樁孔縱軸的傾角。錐形或者錐臺(tái)形壓實(shí)體在鉆孔機(jī)上的安置應(yīng)使得后者從其最大直徑的區(qū)域向下指向鉆頭。錐角，例如，壓實(shí)體圓錐面與其轉(zhuǎn)軸之間的夾角應(yīng)當(dāng)滿足使得壓實(shí)體的一個(gè)側(cè)面與樁孔孔壁平行。
這種壓實(shí)體的另外一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)是壓實(shí)體是一個(gè)雙錐形。在這種情況下，壓實(shí)體在中間部位具有最大直徑，沿著壓實(shí)體對稱軸線，壓實(shí)體直徑在兩個(gè)相反的方向上(向兩端)逐漸變細(xì)。兩個(gè)錐臺(tái)相對于其旋轉(zhuǎn)軸的傾角應(yīng)滿足兩個(gè)壓實(shí)體同時(shí)與孔壁的不同部分接觸。這使得土壤更好地被壓實(shí)并減輕了壓實(shí)體止推軸承的負(fù)擔(dān)。
本發(fā)明鉆孔機(jī)的另外一個(gè)特點(diǎn)是，鉆頭與壓實(shí)體是傾斜的。在這種情況下，鉆頭牙齒指向鉆頭下部區(qū)域。由于鉆頭的其它區(qū)域相對于樁孔底面傾斜有一定傾角，則該區(qū)域的磨損將顯著降低。
注意到在樁孔內(nèi)形成樁需要輸入建筑材料例如礫石或者混凝土進(jìn)入樁孔內(nèi)，鉆桿應(yīng)是中空的管，其中空區(qū)域開口于鉆頭。
根據(jù)本發(fā)明的另外一個(gè)實(shí)施例是在鉆桿上設(shè)置有另外一個(gè)管子用以支撐孔壁。這種管子特別適用于在疏松土壤中鉆深孔。
利用本發(fā)明的鉆孔機(jī)在樁孔內(nèi)形成樁的方法如下通過驅(qū)動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)，切削土壤，并馬上由鉆頭后面的壓實(shí)體滾動(dòng)把土壤壓入孔壁后，把樁材料輸入到井內(nèi)。本法中使用一個(gè)單一的鉆孔機(jī)就可以有效地形成樁，而無需排泄土壤。因?yàn)椴恍枰判雇寥?，這種成樁法特別適合于在受污染的地層使用，例如象垃圾這種場合。在這種情況下，土壤的排放有特殊規(guī)定限制，因而不得不付一筆高額費(fèi)用。
本方法的優(yōu)點(diǎn)是樁材料通過鉆桿和鉆頭輸送進(jìn)入樁孔內(nèi)。當(dāng)樁孔一形成，無需額外的設(shè)備，樁材料即進(jìn)入樁孔內(nèi)。
樁材料優(yōu)先選擇硬化或固化材料，礫石或沙子。應(yīng)用硬化建筑材料能夠形成鉆桿形狀的樁件，特別適用于現(xiàn)場混凝土樁或抗壓樁。除了支撐作用外，礫石或者砂樁具有可滲濾功能。樁材料也可以是所切削下的土壤與粘結(jié)劑的混合物。這種混合物可以在樁孔內(nèi)就地形成。
對于本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例包括，鉆孔機(jī)與壓實(shí)體留在樁孔內(nèi)，至少引入一部分樁材料，為產(chǎn)生一個(gè)局部的樁徑擴(kuò)大，樁材料被滾動(dòng)擠壓進(jìn)入樁孔壁。通過向鉆頭附近區(qū)域部分地引入樁材料，鉆孔機(jī)不再輸送切削下的土壤，而是把樁材料輸送給壓實(shí)滾筒。壓實(shí)滾筒向側(cè)面把樁材料壓入孔壁，使得樁的橫截面擴(kuò)大。樁孔中鉆孔機(jī)的作用是，能夠在樁體或者樁腳區(qū)形成一個(gè)膨脹頭或者橫截面擴(kuò)大區(qū)。
本方法的優(yōu)點(diǎn)是，鉆孔機(jī)完成舉升和沖程運(yùn)動(dòng)。依據(jù)所需要的橫截面擴(kuò)大區(qū)的大小，必須向側(cè)面給壓實(shí)滾筒輸送相應(yīng)數(shù)量的樁材料。通過在局部擴(kuò)大區(qū)的反向沖程運(yùn)動(dòng)，通過鉆頭可以有效地輸送材料，并在所需的樁擴(kuò)大高度內(nèi)實(shí)現(xiàn)樁材料的勻一分布。
參照附圖對本發(fā)明的實(shí)施例做進(jìn)一步詳細(xì)說明，其中

圖1為依據(jù)本發(fā)明鉆孔機(jī)第一個(gè)實(shí)施例的橫截面示意2為依據(jù)本發(fā)明鉆孔機(jī)第二個(gè)實(shí)施例的橫截面示意3為依據(jù)本發(fā)明鉆孔機(jī)的俯視示意4為一個(gè)鉆孔機(jī)和樁孔橫截面示意圖，示出利用本發(fā)明成樁法成樁過程圖1表示樁孔21內(nèi)放置有本發(fā)明的鉆孔機(jī)30。鉆孔機(jī)30包括一個(gè)驅(qū)動(dòng)鉆桿1。在鉆桿1下端有一個(gè)傾斜部分2，用于安裝鉆頭3，鉆頭3至少在一個(gè)位置上有徑向分布的牙齒，用于切削樁孔21底部的土壤。
圖3表示鉆頭3的俯視圖。鉆頭3具有普通鉆頭形狀，有一個(gè)與空鉆桿相配的開口4。鉆頭3上的牙齒5附近有一扇形切除區(qū)16，通過它，所切削下來的土壤可以向上輸送。
圖1和圖2中表示鉆頭3有一滾筒狀壓實(shí)體6。壓實(shí)體6兩端有兩個(gè)錐具有圓錐面8的下半錐7和具有圓錐面10的上半錐9。
通過軸承11，壓實(shí)體6以旋轉(zhuǎn)方式安裝在鉆桿1的傾斜部分2上。軸承11由密封盤根12密封，具有防塵和防液功能。
鉆桿1的傾斜部分2形成壓實(shí)體6的旋轉(zhuǎn)軸23。壓實(shí)體6的旋軸軸23與樁孔縱軸24之間有一傾角15。壓實(shí)體6的一錐和二錐7、9應(yīng)保證傾角15滿足圓錐面8、10的一部分表面與樁孔縱軸24平行，并與樁孔21的孔壁13接觸。在這個(gè)實(shí)施例中，壓實(shí)體6的兩個(gè)圓錐面8與10均有部分表面與孔壁13接觸。這使得土壤壓實(shí)效果良好，并減輕了軸承11的負(fù)擔(dān)。
鉆進(jìn)過程是這樣的，鉆桿1沿其軸轉(zhuǎn)動(dòng)，其軸對應(yīng)樁孔縱軸24。被切削齒5切削下來的土壤從樁孔底通過扇形切除區(qū)16輸送到壓實(shí)體6與孔壁13之間的自由空間17。所切削下的土壤受到壓實(shí)體6雙錐緊貼孔壁13的擠壓作用，在樁孔21內(nèi)形成一個(gè)土壤壓實(shí)區(qū)14。當(dāng)傾角15為2°到30°，特別是3°到10°之間時(shí)，土壤壓實(shí)效果良好，鉆進(jìn)效果顯著。
壓實(shí)體6的圓錐面8和10的設(shè)計(jì)應(yīng)保證至少有一個(gè)區(qū)域也孔壁13平行。對于第二錐9的后傾角，圓錐面10向頂端的傾角應(yīng)略偏于樁孔縱軸24向內(nèi)，這保證鉆孔過程結(jié)束后，鉆孔機(jī)30能夠順利起鉆。
依照本法，當(dāng)鉆桿1做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，雙錐壓實(shí)體繞傾斜部分2旋轉(zhuǎn)，所切削下來的切屑通過壓實(shí)體6水力擠壓進(jìn)入孔壁內(nèi)。
鉆孔或鉆進(jìn)過程無須振動(dòng)方式。而且，由于被切削下來的土壤被壓入孔壁13，沒有土壤向上輸送。在樁孔21附近的圓周面區(qū)14形成一個(gè)強(qiáng)有力的土壤壓實(shí)區(qū)。測試表明，壓實(shí)體6對孔壁13的水平擠壓力非常之高，以致礫石可以被擠碎。圓周表面區(qū)14的壓實(shí)非常良好，使孔壁13獲得了足夠的強(qiáng)度，對孔壁13無須其它的支撐。
壓實(shí)體6相對于鉆桿1的運(yùn)動(dòng)取決于土壤特性、接觸壓力、以及鉆桿的轉(zhuǎn)速。通常，土壤的強(qiáng)度隨深度增加而增加，因此，在樁孔上部地層，切屑很容易擠壓進(jìn)入孔壁，壓實(shí)體6繞自身軸23做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；隨著深度的增加，土壤強(qiáng)度增大，壓實(shí)體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)也急劇降低。在樁孔的下部地層，壓實(shí)體6很可能相對于鉆桿1保持靜止。
圖2表示本發(fā)明鉆機(jī)的第二個(gè)實(shí)施例，對于樁孔壁增加了附加的支撐。
在這個(gè)實(shí)施例中，管子19下入到鉆頭上面。管子19的直徑對應(yīng)于壓實(shí)體6的外徑。管子19可以獨(dú)立于鉆桿1下進(jìn)入到樁地21內(nèi)。管子19可以通過連接器20與鉆桿1相連。通過使用連結(jié)器20；例如隔離器實(shí)現(xiàn)此連接，通過驅(qū)動(dòng)器24帶動(dòng)管子19。驅(qū)動(dòng)器24與鉆桿1的外表面剛性連接，給連結(jié)器20傳遞正向的下推力。管子19可以旋轉(zhuǎn)方式或非旋轉(zhuǎn)方式與鉆桿1相連接。當(dāng)管子19以旋轉(zhuǎn)方式與鉆桿1相連時(shí)，管狀支撐與孔壁13之間沒有或只有輕微的摩擦發(fā)生。
圖4表示本發(fā)明鉆機(jī)30在成樁工藝中的應(yīng)用。當(dāng)樁孔21鉆成后，鉆孔機(jī)留在樁孔21內(nèi)所需深度。通過空心鉆桿1，利用鉆頭3上的開口4，成樁材料31，如混凝土或礫石，被引入到樁孔內(nèi)。隨著鉆孔機(jī)30的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，成樁材料31由鉆頭3輸送到自由空間17。
自由空間17向下到達(dá)鉆頭3，向上到達(dá)樁孔21余部壓實(shí)體6的上端。通過鉆桿1和壓實(shí)體6的旋轉(zhuǎn)，樁材料31以及前面的切屑下來的土壤被擠壓到孔壁內(nèi)，在樁孔內(nèi)形成一個(gè)橫截面擴(kuò)大區(qū)32。
樁橫截面擴(kuò)大區(qū)32的大小，可以通過樁材料31壓入孔壁13的持續(xù)時(shí)間及鉆孔機(jī)30的移動(dòng)距離調(diào)節(jié)而控制。當(dāng)樁橫截面擴(kuò)大區(qū)32完成后，鉆孔機(jī)30從樁孔21內(nèi)取出，樁孔21內(nèi)完全為樁材料31所充滿。本方法特別適于在可驅(qū)替土壤中建造現(xiàn)場混凝土樁或基，引入礫石和砂礫而無須施加振動(dòng)，以及用于建造加強(qiáng)孔和抗壓樁。
權(quán)利要求
1.鉆孔機(jī)，適別適于地下鉆孔，包括有一個(gè)鉆桿，一個(gè)通過切削土壤形成鉆孔的鉆頭，以及一個(gè)壓實(shí)和驅(qū)替孔壁中土壤的壓實(shí)體6，其特征是壓實(shí)體(6)是一以對稱旋轉(zhuǎn)方式安裝的驅(qū)替滾筒，它安裝在鉆桿(1)的傾斜部分(2)上，壓實(shí)體(6)至少一個(gè)圓錐面與孔壁(13)接觸，形成一個(gè)分離的徑向接觸圓錐面，并在壓實(shí)體(6)與孔壁(13)之間形成一自由空間(17)；鉆頭(3)是一種帶有切削齒(5)和向壓實(shí)體(6)與孔壁(13)之間的自由空間(17)排泄土壤的開口(16)的切削式鉆頭。
2.依照權(quán)利要求1的鉆孔機(jī)，其特征是傾斜部分(2)與樁孔縱軸(24)之間的傾角(15)為2°到30°。
3.依照權(quán)利要求2的鉆孔機(jī)，其特征是傾角(15)為3°到10°之間。
4.依照權(quán)利要求1至3之一的鉆孔機(jī)，其特征是壓實(shí)體(6)以旋轉(zhuǎn)方式安裝。
5.依照權(quán)利要求1的鉆孔機(jī)，其特征是壓實(shí)體(6)可以構(gòu)造為多面體形。
6.依照權(quán)利要求1的鉆孔機(jī)，其特征是壓實(shí)體(6)是錐形，錐角取決于其旋轉(zhuǎn)軸(23)對樁孔縱軸(24)的傾角(15)的大小。
7.依照權(quán)利要求6的鉆孔機(jī)，其特征是壓實(shí)體(6)從它的最大直徑區(qū)向鉆頭(13)方向縮小直徑。
8.依照權(quán)利要求1的鉆孔機(jī)，其特征是壓實(shí)體(6)呈雙錐結(jié)構(gòu)。
9.依照權(quán)利要求1的鉆孔機(jī)，其特征是鉆頭(3)以傾斜方式與壓實(shí)體(6)連接。
10.依照權(quán)利要求1的鉆孔機(jī)，其特征是鉆桿(1)是一中空桿，其內(nèi)部通過鉆頭(3)的開口(4)形成一出口。
11.依照權(quán)利要求1的鉆孔機(jī)，其特征是鉆桿(1)上可以設(shè)置有支撐孔壁(13)的管子(19)。
12.使用權(quán)利要求1至11的鉆孔機(jī)成樁方法的步驟如下通過驅(qū)動(dòng)鉆頭(3)切削土壤，把切削下的土壤排泄到鉆頭(3)后方，利用緊跟鉆頭(3)后面的壓實(shí)體(6)滾動(dòng)把切削下來的土壤擠壓入孔壁(13)，把成樁材料(31)引入到樁孔(21)內(nèi)。
13.依照權(quán)利要求12的方法，其特征是樁材料(31)通過鉆桿(1)和鉆頭(3)進(jìn)入樁孔(21)內(nèi)。
14.依照權(quán)利要求12或13的方法，其特征是一種硬化的建筑材料，礫石或者砂子可以做成樁材料(31)。
15.依照權(quán)利要求12或13的方法，其特征是隨著至少一部分成樁材料的引入，帶有壓實(shí)體(6)的鉆孔機(jī)(30)把樁材料滾壓入孔壁(13)，產(chǎn)生一個(gè)局部的樁徑擴(kuò)大區(qū)(32)。
16.依照權(quán)利要求12或13的方法，其特征是鉆孔機(jī)(30)在樁孔(21)內(nèi)可以做舉升和沖程運(yùn)動(dòng)。
全文摘要
一種在地下鉆成樁孔的鉆孔機(jī)以及使用該鉆孔機(jī)在樁孔內(nèi)形成樁的方法。鉆孔機(jī)有一鉆桿，鉆桿上有一鉆頭和一壓實(shí)體，用于把切削下來的土壤擠壓入孔壁。壓實(shí)體的一個(gè)圓錐面與孔壁接觸，另有一部分表面與孔壁分離，形成一自由空間。鉆頭運(yùn)送切下的土壤進(jìn)入自由空間，通過壓實(shí)體的旋轉(zhuǎn)，失去約束的土壤被擠入孔壁。成樁的方法是借助于鉆孔機(jī)鉆頭的旋轉(zhuǎn)，使切下的土壤被排到鉆頭后面，壓實(shí)體滾動(dòng)擠壓這些土壤入孔壁，然后將樁材料輸入樁孔內(nèi)。
文檔編號E21B7/00GK1151468SQ9611325
公開日1997年6月11日 申請日期1996年8月21日 優(yōu)先權(quán)日1995年8月21日
發(fā)明者G·亨恩 申請人:包爾特殊基礎(chǔ)工程有限公司