一种大扭矩螺杆钻具的研制与应用

杨 鑫/YANG Xin

（沈阳钻探机械研制中心，辽宁 沈阳 110122）

自20世纪80年代以来我国建筑工业逐渐快速发展，各种桩工机械广泛应用于铁路、公路、高层建筑等领域。桩基础的形式更加多样化，向更大更深的方向发展，目前应用在桩基础成孔领域的钻具有长螺旋钻具、螺杆钻具，旋挖钻具等，螺杆钻具以适应地质条件变化，无泥浆污染，施工周期短[1]等优点被广泛应用，但受结构强度限制，仅应用于中小扭矩钻机。

本文研究内容是设计一种大扭矩螺杆钻具，钻孔直径600mm,可承受扭矩达460k Nm，并在实际运用中具有良好的钻进效率，取得的单桩竖向承载力满足设计要求，为钻具设计开发提供参考。

1 螺杆钻具工作机理

螺杆钻具是钻机上用于形成螺纹桩（属于挤土灌注桩）的主要部件。螺杆钻具的管壁上附有螺纹，在钻具向下旋入土层成桩过程中，通过特制的螺纹对桩周土体进行螺旋状挤压，随着钻孔深度的增加，钻具受到的扭矩和竖向阻力也在加大；在钻具提升旋出土层过程中，钻具每旋转一周，提升一个螺距，同时钻杆芯管泵送出混凝土，填满由钻杆螺旋提升产生的螺纹孔。当钻杆提升到螺纹设计高度后，迅速提升出土层，同时停止泵送混凝土。

2 钻杆设计

2.1 结构介绍

钻杆上部为圆柱直杆，下部为带有叶片的螺纹杆，底部安装钻头（图1）。在工作中，钻杆主要受扭矩、加压力与起拔力的作用，同时还受交变应力的作用。为满足钻杆的抗扭强度和抗拉强度，螺杆钻具采用内心中空，内外套管的形式。这种结构既可以保证钻具减轻重量，在成孔同时通过钻杆芯管从钻头喷出混凝土直接成桩，又不影响钻具提供大扭矩输出。

图1 钻具结构

利用这种内心中空，外壁附有螺纹的结构，钻机可以挤压成孔，中心压灌混凝土护壁和成桩合三为一，与长螺旋钻具相比，其设备操作更简单，施工效率进一步得到提高。

通过特制的螺纹对桩周土体进行螺旋状挤压，改善桩间土体物理力学性能，从而有力提高桩侧阻力和减小地基土沉降。

2.2 钻具的设计要求

螺杆钻具的长度，由桩基础设计深度决定。钻具钻进较深土层后，考虑受硬地质层影响，桩机需要对钻杆进行加压钻进，随钻头掘进深度增加，钻杆受到扭矩加大，要求钻具受加压力后满足抗扭强度、刚度的要求，同时在提钻过程中满足抗拉强度要求，且具有一定的耐磨性。

2.2.1 钻杆尺寸设计

该钻具将应用于提供扭矩T=460k Nm的螺杆钻机上，加压力P=160k N，起拔力F=600k N，500mm和600mm直径钻具，计算钻杆扭转受力公式[2]

式中 Wt—抗扭截面模量，mm3，

Tmax— 钻具所受最大扭矩，k Nm，取

Tmax＝1.25T＝575k Nm；

τmax— 工作中最大剪应力，MPa；

[τ]—许用剪应力，MPa；

Ip——截面惯性矩，mm4， ;

G—剪切弹性模量，取80GPa；

φmax— 单位长度上两截面的相对转角的

最大值，°/m；

[φ]——许用扭转角，°/m。

钻具要求具有耐磨性和疲劳强度，以及与接头的可焊性，试选用27SiM n，[τ]取321.15MPa，由公式(1)求得Wt≥1 790 440.6 mm3时，满足钻杆扭转强度要求。

钻杆尺寸需要考虑以下因素：①钻具接头与钻杆联接处结构的各部件强度；②实际可购买到的钻杆尺寸；③各规格钻具的通用性。经过多次设计验算，图1中钻杆选用规格∅351×18的管材，Wt=2.98×106mm3，Ip=523 554 836.8mm4，=192.74MPa<[τ]，满足钻杆强度条件。由公式2计算得φmax＝0.787°/m。

由于钻具包括钻杆、公母接头，没有具体的理论计算指导钻具的刚度计算，故对钻具的刚度计算，取圆柱段钻杆长1 990mm作为研究对象，假设钻杆各零件为刚体，建立有限元模型，启动Solid W orks Simulation程序模拟钻具实际受力变形情况，建立静态研究算例，添加材质，约束，外部载荷，对部分应力较大位置进行网格控制，网格化后划分单元总数105 246，节点数104 520。求出钻具在加压力P和扭矩Tmax作用下，钻杆接头标注处（图2）圆周上最大位移2.172mm，即表明钻具两端面圆周方向上的相对位移为2.172mm，换算出钻具φ′max=0.36 °/m<φmax。钻具工作时，钻杆、公母接头同时受扭转和加压力，这比钻杆单独受同样扭矩和加压力作用的变形要小，故φ′max<φmax，建立的有限元模型符合实际。参考一般传动轴的[φ]值，取[φ]＝0.7°/m，φ′max<[φ]，故实际工作状态满足刚度要求。

在钻具下钻过程中，钻具受扭矩和竖向加压

图2 钻杆位移图

力作用，运用第四强度理论[3]

式中 P—加压力，P＝160 000N；

A—钻杆的横截面，A＝18 821.16mm2；

τ—钻杆受的剪应力,τ=τmax=192.74MPa；

σ—钻杆所受压应力，MPa；

[σ]— 许 用 拉 应 力 ， 2 7 S i M n[σ]取642.3MPa。

2.2.2 叶片设计

图3所示为钻具下钻过程中钻具受力分析示意图。由于钻杆上螺纹的存在使得钻具下钻过程中受到Qs、Qpt、Qsi、Qp的作用，其中Qs为圆柱段受侧摩阻力，Qpt为螺旋叶片下端侧摩阻力，Qsi为螺旋叶片外侧摩阻力，Qp为钻尖阻力[4]。叶片对钻具周围土体进行挤压时要承受Qpt、Qsi，要求叶片具有较高耐磨性，且叶片与钻杆焊接强度要求高，故选用低碳锰合金铸成叶片，运用合理的焊接工艺，焊于钻杆上。

图3中，Qpt垂直于螺旋叶片下端面，意味着Qpt在钻杆轴向和径向上有分力，即下钻挤土过程中钻具受周围土体对钻具叶片径向压力，和垂直于地面的钻杆轴向阻力。随着钻杆上d值的增大，需要合理设计叶片截面梯形的上下底面尺寸，使得钻具下钻过程中，不会因为Qpt轴向或径向的分力过大，影响钻具工作。

2.2.3 其他部分设计

较以往接头设计采用六方体结构不同，为满足低速大扭矩的要求，钻具接头采用公接头的外八方体，母接头为内八方体的结构形式。利于钻具在出现卡钻等突发施工事故时，接头可以承受瞬间大扭矩输出。每个钻杆两端分别配有公母接头，上下钻杆上的公母接头插接后，用固定销5将公母接头固定后钻具可进行钻孔工作，见图1（A-A）。钻具拆卸时，需要去除固定销，再将公母接头分开。这种结构使钻杆的安装误差较小，在钻杆尺寸有限的情况下传递扭矩大，有足够疲劳强度和抗扭强度避免钻杆失效。

钻头底端配有母接头与钻具上公接头插接用固定销定位，在钻具提升和加压过程中，公母接头对固定销有剪切，设计时应校核其剪切强度，并满足经常拆卸的要求。

3 成桩检测结果

在凌源市某高层建筑应用直径∅500mm和∅600mm螺杆钻具施工，工地地质条件见表1。

表1 凌源市某高层建筑工地地质条件

根据该地区岩土工程勘察报告，施工规范要求：①螺旋挤土灌注桩，砼强度等级为桩身C30，保护层厚50，垫层C15；②桩端持力层强风化砂页岩5层，单桩竖向抗压承载力特征值P分别为D=500mm时P=3 250k Pa，D=600mm时P=4 500k Pa。经成桩检测报告，进行静载试验检测到的螺旋挤土灌注桩满足抗压和抗拔承载力设计要求。

4 结 论

本文以460k Nm螺杆桩机配套的螺杆钻具为设计研究对象，以钻具强度满足低速大扭矩的工作条件为出发点，通过受力分析，将原有螺杆钻具连接处六方体结构设计成八方体结构，以满足低速大扭矩螺杆钻具在加压钻进时对钻具自身强度刚度的要求。通过SolidW orks Simulation程序模拟和现场施工情况表明，该钻具设计思路合理，钻杆及其主要部分设计满足工况要求，为低速大扭矩螺杆钻具的设计提供了依据。 O

[1] 沈保汉，王凤良．螺杆灌注桩施工技术[J]．建筑技术，2010，(5)：417-419．

[2] 翁 炜，黄玉文，胡继良，等．旋挖钻机钻杆失效形式分析及制造工艺[J]．探矿工程(岩土钻掘工程)，2005，(10)：38-39，49．

[3] 李志毅，刘 钟，赵琰飞，等．螺旋挤土桩钻头优化分析[J]．同济大学学报，2011，39(8)：1145-1149．

[4] 贾志杰．新型预制螺杆桩受力特性分析[D]．沈阳：东北大学，2006．