气举反循环钻机成孔原理.pdf

钻孔灌注桩施工时钻机的选择 （刘培良讲稿，王同民整理于武汉长江二桥工地） 一九九0～一九九七年 （一）刮刀钻头破岩原理： 刮刀钻头适用于在覆盖层、强风化岩层和软岩中钻孔。刮刀布置不宜过密，覆盖系数应 在 1.2～1.5 之间。注意改善泥浆冲洗条件，以免形成泥包钻头。注意切入地层不宜过深,钻 压适当不能过大。刮刀的材质应着重考虑岩石的机械强度、抗压入强度、抗剪强度和研磨性。 现将刮刀钻头破岩机理分述如下： 1．P 为使刮刀压入岩石的力，Tm 为刮刀随钻头旋转的扭力，刮刀随钻头下放（给进）接 近孔底工作面时：P＝0，Tm＝0。 2．在钻头自重的作用（包括配重）刮刀获得钻压值，得到Po 的力，使刀锋压入岩层。 此 时：P＝Po，Tm＝0。 3．在钻头扭矩Tm 的作有用下，刮刀获得扭力Tm，这时刮刀有了充分的工作条件使刮刀 前的岩层产生挤压变形，并沿剪切面形成破岩切力τ，P＝Po ，Tm＝Tm。 4．刮刀随着钻头的旋转和给进，进行工作，在刮刀的推移下，岩屑不断加长而自折，被 循环泥携带到孔外。 5．钻进过程示意图： 1 P =0 2 P=P0 3 P=P0 4 P=P0 γ TM TM TM0 TM0 孔底工作面 孔底工作面 新的孔底工作面 新的孔底工作面 pa pb pc pd 钻压、钻速关系图 根据刮刀钻头破岩的工作原理，在钻进过程中必须考虑和满足的基本条件是：①加在孔 底工作面上的钻压；②驱动钻头旋转的转盘扭矩和功率；③钻机转数；④泥浆循环量；⑤钻 头型式。这五个基本条件是钻机必不可少的五个重要因素。它们和各种地层的关系与计算方 法，在以下各节中进行介绍。 （二）钻压： 1．定义：钻孔时为使刀具压入岩石，所施加给刀具的力称为钻压。钻压是对钻进效率、 钻头刀具寿命影响最大的一个钻孔参数。 2．钻压P 与钻进速度V 的关系：随着钻压P 的增加，钻进速度V 的变化可分为以下三个 阶段： a．岩石被挤压阶段：当P 从零增加到Pa 时，岩石由于刀刃的压力面被压密，刀具压入 岩石的深度与钻压成正比，亦即V 与P 成直线关系，这时刀具只是以研磨作用使岩石呈表面 破坏，钻孔速度低，刀具磨损量大。 b．岩石开始变形阶段：即Pa→Pb 阶段，岩石在刀刃压力作用下开始变形，刀具压在岩 石深度的增加大于钻压的增加，这时V 与Pm 成正比，M 是决定刀具本身的参数（加齿尖角、 齿距、刀具的排列方式等），当孔底无岩层时，M＝1.25～3.0 （硬岩取小值、软岩取大值）孔 底有岩时M≤1.0。 c．Pb－Pd 阶段：为岩石有效破碎阶段，这时刀具压入岩的深度迅速增加，钻速的增加 远大于钻压的增加，当钻压大于Pb 时刀具磨损量降低。Pd 是钻压的临界值，它是牙轮齿全部 压入岩石时的钻压值，因此钻压超过Pd 时，不仅钻速会降低，还将缩短刀具和轴承的寿命， 引起孔斜和泥包钻头等一系列事故。因此掌握各种地层的Pd 值是很重要的，钻进时应将钻压 控制在Pb－Pd 范围内。 3．线压强度：在钻孔钻进过程中，加到孔底工作面上的钻压，是通过刮刀上的刀锋压入 岩层内一定深度h，刀锋与孔底的接触为一条线，故称为线压强度。线压强度既要满足钻孔的 临界钻压值，又不能过大。但对钻孔桩来讲总是先通过表层较松、较软的地层，钻到较硬的 持力层（磨擦桩）或者岩层内（柱桩），选择钻机时。钻压必须能克服钻孔桩将要通过的最硬 最难钻的地层，因此目前国内外在安排钻机线压强度时，一般按规范的要求为：在覆盖层中 钻孔N 值＞5MP 时，取线压强度 q＝40kg/cm，在风化岩层或软岩中钻孔时，取线压强度 q＝ 80kg/cm，在岩石强度大于 40MP 时取 g＝160～320kg/cm。岩石强度大于 g＝80MP 时，g＝ 400kg/cm。 南昌公路大桥泥砂岩很软，岩石池和极限抗压强度仅10MP 稍多一些，取40kg/cm。 4．钻压计算： P=∑L*q P=加在孔底的有