一种减轻糊钻现象的新型回旋钻头设计及试验研究

杨希伟 李其恒 徐 滨 赵春风（同济大学土木工程学院，上海200092）

1 引言

在大直径钻孔施工中，经常会遇到粘土层。在粘土层钻进时非常容易糊钻形成泥包钻头，使得钻孔施工无法正常进行。特别是当粘土层的层厚在全孔深度中所占比例比较大的情况下，如果不能很好的解决糊钻问题将会严重影响到工程的质量和工期[2]。“糊钻”现象在深基础成孔中是常见故障, 排除相当困难。糊钻影响钻进速度，影响成孔的垂直精度，增加施工成本，加剧设备磨损，严重时还可能造成钻头抱死、坍孔、钻杆折断等事故，妨碍工程的正常施工和进展。本文通过对螺旋钻头加鱼尾后的防糊钻效果进行理论探索和试验性研究，并对鱼尾形式进行不同方式的改造和创新，找到缓解钻头糊钻的有效方法。

2 新型回旋鱼尾钻头的设计

糊钻的形成需要一定的过程，钻头在切削土壤时，切削下来的土屑有一些粘附在钻刃、钻翼和钻杆等地方，由于这些地方旋转半径小，土屑受到的离心力、切削分力小，因此在继续钻进的过程中，粘附在钻头上的土屑很难脱落。一旦摩擦生成热量使土屑水分蒸发，粘结便更加牢固，粘附的泥块也越来越多，糊钻便开始形成了[6]。预防糊钻的发生就要通过合理选择钻头的结构形式，使土屑切削更方便，土屑随泥浆更容易通过排渣孔排出，减少粘附在钻头上的土屑量和粘附时间。

目前，钻孔灌注桩施工主要采用正循环泥浆护壁回转钻进，钻头为三翼刮刀鱼尾钻头[7]。针对糊钻的原因和目前的施工状况，我们设计了能够减缓糊钻现象的新型鱼尾钻头形式，它包括1）钻杆、2）保径圈、3）刮刀片、4）切削齿、5）仿生鱼尾装置，其特征在于：钻杆为空心钻管用于泥浆循环，保径圈通过支杆与钻杆固定连接，刮刀片连接在钻杆和保径圈之间，刮刀片下端与钻杆固定连接，上端与腰带固定连接，切削齿垂直固定于刮刀片外边缘刃部，在钻杆下端设置仿生鱼尾装置。刮刀片数量为三翼。与钻杆中心轴所成角度为55°-65°。切削齿形状可以采用如图1的尖状锥体，也可采用端部平整的柱体形式。视工程实际情况，确定切削齿的数量。下端仿生鱼尾装置形状类似鱼尾，由成螺旋角度的两个分叉鱼尾构件组成。连接于钻杆下端出入浆口两端。鱼尾构件正面分叉成90°-140°，侧面分叉成20°-60°。鱼尾构件空间上带有弧度，成螺旋状，与螺旋桨类似。仿生鱼尾钻头结构形式如图1、图2所示。

图1 仿生鱼尾钻头结构正视图

对普通刮刀钻头添加鱼尾以后，鱼尾转动时对泥浆有导流和搅拌的作用，有利于泥浆通过吸渣水孔排出。鱼尾相当于一个小半径的钻头，由于受到土的扭矩作用较小，可以对下部土层预先进行搅拌使土层松散，同时，上部切削掉落下来的大粒径土块可以被鱼尾有效的粉碎，有利于钻头的钻进和大块土粒的粉碎切削。另外，钻头的翼板采用较合理角度，对泥浆具有导向作用，减小泥浆在钻杆周围旋转流动，让钻头回转时产生的径向力指向圆心吸渣孔，有利于排渣。

图2 仿生鱼尾钻头结构侧视图

仿生鱼尾钻头能够一定程度上减轻糊钻现象，提高成孔效率，方便工程施工。

3 试验研究

3.1 试验装置简介

试验采用GBM 10RE型BOSH电钻机为动力装置，输出功率236W，额定转速1760次/分；试验用土为上海第二层褐黄色粘性土；试验设备包括：标准筛、电子称、铲子、模型钻头。试验模型钻头如图3，左图为对照普通回旋钻头，中图为普通鱼尾钻头，右图为仿生鱼尾钻头。

图3 试验模型钻头图

3.2 试验方法

试验采用控制变量的方法，在相同的土体重度、含水率和土压力等条件下，控制两个钻头在相同的时间内钻进相同的距离，最后以钻头上粘附土体的质量为参考数据，对比得出改造后钻头的防糊钻效果。

3.3 试验方案

方案一：探究不同的土体含水率对钻头钻进和糊钻效果的影响。

1）将采集来的自然土经日晒风干，人工粉碎后利用0.075mm孔径筛过孔，对过孔后的粘土分次加入纯净水，控制加水量以计算含水率和土的重度，并记录。

2）每次加水后对土体进行充分的搅拌和压实，以保证土体的均匀性和密实性。

3）钻头每次在土体中钻进之前称量钻头的净质量，然后控制每次在相同的时间内钻进相同的距离，取出钻头后称得粘土钻头的总质量，利用总质量减去净质量即得到每次钻进时附着在钻头上的粘土量。通过粘土量的多少反映糊钻现象的严重程度。

4）根据试验数据，绘制不同含水率下钻头粘土量的折线图，并对改造前后的两种不同钻头进行分析比较得出结论。

方案二：探究不同回旋鱼尾钻头形式对糊钻效果的影响。

1）采集容易形成糊钻现象的自然第二层粘性土，直接作为试验用土。

2）在相同土壤条件下，用对照回旋钻头、普通鱼尾钻头和仿生鱼尾钻头进行试验。

3）钻头每次在土体中钻进之前称量钻头的净质量，然后控制每次在相同的时间内钻进相同的距离，取出钻头后称得粘土钻头的总质量，利用总质量减去净质量即得到每次钻进时附着在钻头上的粘土量。通过粘土量的多少反映糊钻现象的严重程度。

4）根据实验数据，绘制不同钻头形势下，粘土量的条形图。通过对比分析，比较不同鱼尾形式对防糊钻效果的影响。

4 试验结果与分析

4.1 方案一糊钻试验数据处理

按照以上试验方案一步骤进行糊钻试验，探究不同的土体含水率对钻头钻进和糊钻效果的影响。

初始数据：

1）净干土重：12642g；

2）普通钻头钻前净重：554g；

3）鱼尾钻头钻前净重：601g。

对方案一试验数据处理后得到如下数据见表1及折线图6。

图6 不同含水率下钻头粘土量的折线图

表1 不同的土体含水率对钻头钻进和糊钻效果的影响

4.2 方案一糊钻试验数据分析结论

通过试验数据可以看出，当含水率很低时，钻头上粘附泥土的量都较少，“糊钻”不容易发生；随着含水率的增加，两钻头的粘土率都开始升高，可以看出，改造后的钻头在减少粘土量上有明显的优势，尤其当含水率继续增加后，鱼尾钻头与普通钻头之间的差别更加明显。从图上可以看出，当含水率增大到一定程度后，两种形式钻头的“糊钻”现象明显得到改善，而且通过试验观察到，粘附在其上的土很容易被清除。由此得到启发，可以通过在钻头位置设置喷嘴来喷射清水降低含水率，从而减少“糊钻”的可能性，同时还可以通过设计喷嘴的位置和形状，利用喷水的压力清除粘附在钻头上的土屑，但要注意不要影响到周围的孔壁且避免喷嘴被堵塞。

从试验过程中还可以观察到，由于加了鱼尾以后，钻头的晃动更加明显，这样可以增大粘附在钻头上的土屑的离心力，促使土屑脱离。但同时由于晃动的原因，也可能造成成孔的垂直度降低，如果晃动幅度过大甚至发散的话还有可能造成钻头损坏等危险，因此在实际施工中要特别注意。

4.3 方案二糊钻试验数据

按照以上试验方案二步骤进行糊钻效果试验，探究不同回旋鱼尾钻头形式对糊钻效果的影响。

对方案二试验数据处理后得到如下数据见表2及条形图7。

表2 不同回旋鱼尾钻头形式对糊钻效果的影响

图7 不同钻头形式下粘土量条形图

4.4 方案二糊钻试验数据分析结论

由上图可以明显看出三种样式不同的钻头在粘土效果上的差异性。除第四次试验外，其余四次试验数据大致规律相同，都表明增加鱼尾能够较为显著的降低钻头粘土率，减少钻头糊钻的可能性。

方案二试验验证了不同钻头形式对糊钻现象产生影响的假设。通过对试验数据的对比分析，以及根据条形图的显示，鱼尾钻头1号的黏土量最少，在三种形式的钻头中，防糊钻效果最为良好，且其鱼尾形式简单，易于加工，综合考虑各方面因素，该鱼尾设计是成功的，可推广至施工中运用。仿生鱼尾钻头2号虽然附着粘土量较大，但是在试验过程中，发现仿生鱼尾钻头成孔速度明显快于其他两种形式钻头，成孔效率高。能够很好引导泥浆的流动，进土速度快也是导致其附着土量较大的原因，如果进一步对仿生鱼尾钻头进行改进，可以达到减缓糊钻的效果，同时提高成孔速度，提高施工效率。

综上所述，鱼尾钻头可提高钻头的防糊钻能力。试验表明，不同的鱼尾形式防糊钻能力有所区别，合理选择鱼尾形式可以有效降低糊钻危害，提高施工效率。

5 结 语

糊钻现象产生的原因主要与土的性质和钻头的结构形式有关。当成孔所在土壤粘度较高，硬度大，土层较厚时，容易出现糊钻现象。同时，糊钻现象随着土壤的含水率变化而变化，随着含水率的增大，糊钻现象逐渐明显，当含水率到达一定程度后，土壤逐渐成浆状，糊钻现象会随着含水率继续增大而减弱。回旋钻头对糊钻的影响因素主要集中在能否有效的对出入浆口的泥土导出或导入，在普通回旋钻头基础上增加鱼尾结构，在钻头钻进过程中可以使出入浆口的泥土更加蓬松，有利于泥浆的注入或者抽出，有效减缓粘质土对钻头的附着。经过创新设计研究的仿生鱼尾钻头，可以一定程度引导泥浆的流动，增大泥浆的流动性，可以一定程度上减缓糊钻效应，成孔速度快，提高施工效率，方便工程施工。

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