1、主讲人：杜振川 第一节第一节 机械振动钻进机械振动钻进 1一碎岩工具；2一钻杆；3一顶帽；4一振动器；5一吊绳；6一桅杆顶上的滑车；7一提升钢绳；8一纹车第一节第一节 机械振动钻进机械振动钻进 震动锤 用振动器带动钻杆和碎岩工具产生周期性振动力，使之对用振动器带动钻杆和碎岩工具产生周期性振动力，使之对地层产生垂直静载，以及钻具产生高频冲击振动所产生的动地层产生垂直静载，以及钻具产生高频冲击振动所产生的动载，使周围岩层或土壤也产生振动。载，使周围岩层或土壤也产生振动。由于振动频率较高，岩由于振动频率较高，岩层或土壤强度降低，在钻具和振动器自重及振动力的联合作层或土壤强度降低，在钻具和振动器自重及
2、振动力的联合作用下，使钻头吃入（沉入）岩土层，从而实现钻进。用下，使钻头吃入（沉入）岩土层，从而实现钻进。第一节第一节 机械振动钻进机械振动钻进 适用于砂性土、粘土、粉质粘土及淤泥质粘土等土层。在适用于砂性土、粘土、粉质粘土及淤泥质粘土等土层。在软岩层和松散岩层中钻进与取样都有很高的效率。软岩层和松散岩层中钻进与取样都有很高的效率。由于不使用泥浆，不污染岩样和地层设备简单，被广泛用由于不使用泥浆，不污染岩样和地层设备简单，被广泛用于工程取样钻进及海底浅层取样钻进等方面。于工程取样钻进及海底浅层取样钻进等方面。也广泛用于桩基工程施工，如振动沉管灌注桩施工等。振也广泛用于桩基工程施工，如振动沉管灌
3、注桩施工等。振动钻进中，还可借助于振动器的振动下套管、起拔套管、处动钻进中，还可借助于振动器的振动下套管、起拔套管、处理卡钻事故等。理卡钻事故等。第一节第一节 机械振动钻进机械振动钻进 一、振动钻进的特点及应用范围一、振动钻进的特点及应用范围双轴双轮振动器的工作原理双轴双轮振动器的工作原理如图所示。不论两个偏心轮如图所示。不论两个偏心轮处于什么位置，离心力处于什么位置，离心力Q1和和Q2均可分解为两组分力。其均可分解为两组分力。其中水平分力中水平分力S1和和S2大小相大小相等方向相反，故互相抵消；等方向相反，故互相抵消；第一节第一节 机械振动钻进机械振动钻进 二、振动器的工作原理二、振动器的工
4、作原理 而垂直分力而垂直分力P1和和P2大小相等，大小相等，方向相同，其合力方向相同，其合力P等于等于P1和和P2之之 和。当偏心轮的重心位于和。当偏心轮的重心位于水平轴线以下时，合力水平轴线以下时，合力P的方向的方向向下；当偏心轮的重心位于水向下；当偏心轮的重心位于水平轴线以上时，合力平轴线以上时，合力P的方向则的方向则向上。因此，合力向上。因此，合力P将使钻具产将使钻具产生垂直方向的振动。生垂直方向的振动。第一节第一节 机械振动钻进机械振动钻进 二、振动器的工作原理二、振动器的工作原理 因素有：振动频率、振幅、偏心力矩和回次长度。因素有：振动频率、振幅、偏心力矩和回次长度。第一节第一节 机
5、械振动钻进机械振动钻进 三、影响钻效的工艺因素三、影响钻效的工艺因素1.振动频率振动频率振动器频率很低时，钻具只有振动器频率很低时，钻具只有轻微振动钻头没有进尺。轻微振动钻头没有进尺。当超过某一频率值时钻具的振幅也随之加大，钻具与岩层间产当超过某一频率值时钻具的振幅也随之加大，钻具与岩层间产生相对滑移并开始切入岩层中生相对滑移并开始切入岩层中称为称为“起始频率起始频率”。随着频率的提高钻速也增加，频率进一步提高时，钻具的振幅随着频率的提高钻速也增加，频率进一步提高时，钻具的振幅达到达到“极限振幅极限振幅”（A）第一节第一节 机械振动钻进机械振动钻进 三、影响钻效的工艺因素三、影响钻效的工艺因素
6、2、振幅、振幅只有当振幅超过某个值时钻头才能切入土层，此时的振幅叫只有当振幅超过某个值时钻头才能切入土层，此时的振幅叫做做“起始振幅起始振幅A0”。振幅超过振幅超过A0后，钻速随振幅成线性后，钻速随振幅成线性。起始振幅。起始振幅A0不是定值，不是定值，随频率、钻具断面尺寸和地层条件而变化。正常钻进一般选随频率、钻具断面尺寸和地层条件而变化。正常钻进一般选A等于等于35倍的倍的A0 A0与频率的关系如下与频率的关系如下第一节第一节 机械振动钻进机械振动钻进 三、影响钻效的工艺因素三、影响钻效的工艺因素3、偏心力矩、偏心力矩增大偏心矩，在坚实土层中钻效增大偏心矩，在坚实土层中钻效。但偏心力矩过大，
7、会使上。但偏心力矩过大，会使上部钻杆变形。部钻杆变形。4、回次长度、回次长度钻进中取样管完全装满后才结束回次是不合理的。为提高回钻进中取样管完全装满后才结束回次是不合理的。为提高回次钻速存在着最优回次长度。一般取极限值的次钻速存在着最优回次长度。一般取极限值的8095%作为作为最优值。最优值。螺旋钻进是一种干式回转钻进螺旋钻进是一种干式回转钻进方法，钻进是用螺旋钻杆连续方法，钻进是用螺旋钻杆连续不断地将钻头破碎的孔底岩石不断地将钻头破碎的孔底岩石输送至地面。输送至地面。第二第二 节节 机械螺旋钻进机械螺旋钻进cfg20长螺旋钻机目前，国内外螺旋钻在工程施工钻孔中目前，国内外螺旋钻在工程施工钻孔
8、中得到广泛应用，如建筑物的基础桩以及得到广泛应用，如建筑物的基础桩以及水坝工程、滑坡治理工程的挡土墙和滑水坝工程、滑坡治理工程的挡土墙和滑坡桩，输电工程线杆的埋设，敷设工程坡桩，输电工程线杆的埋设，敷设工程管线的水平钻孔等。管线的水平钻孔等。螺旋钻进是一种干式回转钻进螺旋钻进是一种干式回转钻进方法，钻进是用螺旋钻杆连续方法，钻进是用螺旋钻杆连续不断地将钻头破碎的孔底岩石不断地将钻头破碎的孔底岩石输送至地面。输送至地面。第二第二 节节 机械螺旋钻进机械螺旋钻进cfg20长螺旋钻机目前，国内外螺旋钻在工程施工钻孔中目前，国内外螺旋钻在工程施工钻孔中得到广泛应用，如建筑物的基础桩以及得到广泛应用，如
9、建筑物的基础桩以及水坝工程、滑坡治理工程的挡土墙和滑水坝工程、滑坡治理工程的挡土墙和滑坡桩，输电工程线杆的埋设，敷设工程坡桩，输电工程线杆的埋设，敷设工程管线的水平钻孔等。管线的水平钻孔等。钻进效率高。钻进效率高。在无砾石及硬夹层的松软岩层中钻进，小时在无砾石及硬夹层的松软岩层中钻进，小时效率可达几十米，这是因为螺旋钻杆能及时排除（输送）所效率可达几十米，这是因为螺旋钻杆能及时排除（输送）所钻的岩粉，无重复破碎现象，减少了为取心而上下钻具及其钻的岩粉，无重复破碎现象，减少了为取心而上下钻具及其辅助工作，也无静液柱压力影响孔底岩石的破碎。辅助工作，也无静液柱压力影响孔底岩石的破碎。低公害（无泥浆
10、污染），低噪音（无振动），低成本（效低公害（无泥浆污染），低噪音（无振动），低成本（效率高），率高），简化了钻进设备和工艺。简化了钻进设备和工艺。第二第二 节节 机械螺旋钻进机械螺旋钻进一、螺旋钻进的特点 不使用冲洗液不使用冲洗液，免去了配制冲洗液和输送冲洗液的辅助工，免去了配制冲洗液和输送冲洗液的辅助工作，简化了钻进设备和工艺，适应于缺水、高寒地区和漏失作，简化了钻进设备和工艺，适应于缺水、高寒地区和漏失地层中的钻进。地层中的钻进。孔壁稳定孔壁稳定。螺旋钻杆回转输送岩粉的同时，也向孔壁挤压。螺旋钻杆回转输送岩粉的同时，也向孔壁挤压岩粉，可在孔壁上形成一层较致密的硬皮，岩粉中的小砾石岩粉，可在
11、孔壁上形成一层较致密的硬皮，岩粉中的小砾石也可楔入孔壁，有加固孔壁的作用。因此，虽然不用冲洗液，也可楔入孔壁，有加固孔壁的作用。因此，虽然不用冲洗液，孔壁仍较稳定。孔壁仍较稳定。第二第二 节节 机械螺旋钻进机械螺旋钻进一、螺旋钻进的特点 可以随时取样，及时掌握地层变化情况，基本上能满足地质要求。一般只能钻进松软岩层。在粘土层中钻进困难。钻进所需功率大（主要消耗在输送岩粉上），因而孔深受到限制。第二第二 节节 机械螺旋钻进机械螺旋钻进一、螺旋钻进的特点 长螺旋钻：整个钻杆为螺旋钻杆，在钻进过程中，被钻头破碎的岩土靠螺旋钻杆输送至地表，钻进和排粉是连续不断地同时进行。钻进效率高，功率消耗大（钻进破
12、岩、输土和摩擦阻力），钻孔深度和口径受到一定限制。第二第二 节节 机械螺旋钻进机械螺旋钻进二、螺旋钻分类长螺旋钻短螺旋钻 环状螺旋钻 长螺旋钻第二第二 节节 机械螺旋钻进机械螺旋钻进二、螺旋钻分类 短螺旋钻：在钻进一个回次中，破碎的岩土附着在长度不大的螺旋叶片上，在钻完一个回次后将钻头提出地表，可反转甩掉附着在叶片上的岩土，然后再下入孔内，开始另一个回次的钻进。短螺旋钻进是断续地进行，效率不如长螺旋钻进高，但由于它省去了长螺旋钻进中很大的输土功率消耗，回转力矩小，钻机功率亦小。所以，相同的功率，它可以用来钻大口径（口径可达3000mm）的深孔。第二第二 节节 机械螺旋钻进机械螺旋钻进二、螺旋钻
13、分类 短螺旋钻机第二第二 节节 机械螺旋钻进机械螺旋钻进二、螺旋钻分类 短螺旋钻第二第二 节节 机械螺旋钻进机械螺旋钻进二、螺旋钻分类 环状螺旋钻：即类似取芯钻进。钻头是由大直径心管，管外焊有螺旋翼片组成。破碎后的岩土靠管外螺旋片输送至地表。心管内有可以取芯的叶片，钻进时叶片靠弹簧力量紧贴在心管壁上，随着钻进，岩芯进入管内，当需要切断并取出岩芯时，在孔口操作液压缸，叶片沿斜面向中心移动而切入岩芯内，在切入过程中靠回转切割岩芯，提升钻具，拉断岩芯并取出。第二第二 节节 机械螺旋钻进机械螺旋钻进二、螺旋钻分类1、平底螺旋钻头、平底螺旋钻头 由心管、螺旋带（双头螺旋）、平刀与中心刃刀等组成，平刀长度
14、比螺旋叶片的外径大1020mm。适用于一般的土层。第二第二 节节 机械螺旋钻进机械螺旋钻进三、螺旋钻头螺旋钻头2、耙式螺旋钻头、耙式螺旋钻头 由心管、螺旋带（双头螺旋）、中心刃刀、切削刀齿等组成。切削刀齿上镶焊硬质合金，适用于含有大量砖头、瓦块的杂填土层及松软岩层钻进。第二第二 节节 机械螺旋钻进机械螺旋钻进三、螺旋钻头螺旋钻头第二第二 节节 机械螺旋钻进机械螺旋钻进四、螺旋钻进的工艺参数1、钻进轴向压力 钻进轴向压力：包括给进力、钻具自重、被螺旋钻杆输送的岩粉的重量以及输送岩粉与孔壁摩擦力的垂直合力。轴向压力的最大值应根据岩土性质、孔深、转速、动力机功率等因素综合考虑。对软土层，轴向压力由钻
15、具重量提供就能满足；对较硬土层，除钻具重量外，还需增加给进力。第二第二 节节 机械螺旋钻进机械螺旋钻进四、螺旋钻进的工艺参数2、转速 转速：是螺旋钻进的主要工艺参数。在螺旋钻进时，转速有双重作用：一方面直接影响钻头破碎岩土的效率；另一方面也影响输送岩粉的效率。在长螺旋钻进中，钻屑是依靠钻杆旋转时的离心力甩到在长螺旋钻进中，钻屑是依靠钻杆旋转时的离心力甩到螺旋叶片外侧输送上来（主动），螺旋叶片外侧输送上来（主动），否则只有被随后的钻屑推着向上走（被动），这容易造成堵塞第二第二 节节 机械螺旋钻进机械螺旋钻进四、螺旋钻进的工艺参数2、转速 当转速低，钻屑的离心力较小，孔壁对钻屑的摩擦力不足以使钻屑
16、与叶片之间产生相对运动，钻屑只能随叶片旋转而不上升。当转速增大，孔壁对钻屑的摩擦力也增大，转速超过某一临界值后，孔壁对钻屑的摩擦力足以使钻屑与螺旋叶片之间产生相对运动，钻屑就会上升。这称为临界转速临界转速第二第二 节节 机械螺旋钻进机械螺旋钻进四、螺旋钻进的工艺参数2、转速 为向上输送，长螺旋实为向上输送，长螺旋实际转速应大于临界转速，际转速应大于临界转速，n=K nk，K值值向上输送速度向上输送速度，但所需，但所需功率也越大。一般取功率也越大。一般取K=1.21.3)(tg30stkRgn式中：n k临界转速；临界转速；t钻屑与孔壁间的摩擦系数；钻屑与孔壁间的摩擦系数；螺旋叶片外径的螺旋上升
17、角；螺旋叶片外径的螺旋上升角；s钻屑与螺旋叶片之间的摩擦角，钻屑与螺旋叶片之间的摩擦角，摩擦系数的反正切，摩擦系数为摩擦系数的反正切，摩擦系数为0.30.6。第三节第三节 旋挖式钻机钻进旋挖式钻机钻进旋挖式钻机主要由履带式底盘、转盘平台（含操作室）、钻杆导向架、动力头、钻杆、钻具六部分组成。第三节第三节 旋挖式钻机钻进旋挖式钻机钻进第三节第三节 旋挖式钻机钻进旋挖式钻机钻进旋挖式钻机的优点 钻机置于可自动行走的履带式底盘上，桩之间移位非常方便，一般仅需几分钟即可移机就位。钻机底盘为可伸缩式且可以自动整平，钻塔垂直度及钻机深度均有仪表显示。钻机自动垂直，且有导向杆对钻杆进行导向，钻进时非常稳定，
18、成孔的桩位偏差、垂直度都非常理想，扩孔系数小（砂土中为1.051.15）。第三节第三节 旋挖式钻机钻进旋挖式钻机钻进旋挖式钻机的优点 钻机速度快，成孔周期短，并可选用不同形式的钻头适应粘土层、黄土层、砂层、直径小于40cm的砂砾石层、强风化岩层等，使钻孔快速穿过复杂地层，成孔直径在0.63.0m任意适应。在相同条件下，旋挖式钻机完成的数量相当于一般循环式钻机的610倍。第三节第三节 旋挖式钻机钻进旋挖式钻机钻进旋挖式钻机的优点 旋挖式钻机钻进过程中通过挤压孔壁挖掘成孔，因此孔壁稳定坍塌极少，在粘土层中可干法钻进，即使遇水下易坍孔地层，也只用护壁液即可施工。由于不使用循环液，工地上不产生大量泥浆，不污染环境，可节约大量的排污费用，并且由于泥浆比重小，灌注水下混凝土时桩顶混凝土容易上翻，可减少桩头混凝土超灌量。第三节第三节 旋挖式钻机钻进旋挖式钻机钻进旋挖式钻机的优点 旋挖式钻机通过柴油机带动液压系统钻机挖掘，成孔过程中不需要大功率动力电源，在各种场地施工灵活自如。钻机噪音低，仅为108分贝，不扰民，有利于环保，最适合于城市建设施工。
