一种混凝土钻孔灌注桩缺陷桩修复处理取芯钻头的制作方法

技术领域：

本发明涉及一种混凝土钻孔灌注桩缺陷桩修复处理取芯钻头，属于环保设备技术领域。

背景技术：
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公路工程、市政工程中桥梁基桩作为重要的承重和传递荷载的下部结构，其成桩之后的检测验收要求更加严格。而现有技术中对缺陷桩处理方法有以下几种：

一、废除处理：通过声测管利用声波透射法确定桩身缺陷位置，然后用大型冲击钻、冲击锤将整桩的全部桩身连同钢筋笼全部破碎清除后，分层回填密实桩孔后，重新原位钻进进行灌注桩施工。

二、传统取芯处理，利用小直径钻孔取芯设备，沿桩身钢筋笼内侧，取芯一周，然后凿除核心混凝土，清理凿毛孔壁后重新浇筑混凝土。此方法仅在客观环境不允许用第一种方法时采用。

上述方法中，第一种废除处理，对于浅层缺陷桩(地下5米以内)的处理，从经济成本和工时方面投入是可以接受的，但是一旦缺陷桩位置较深，经济成本会陡然上升，费用约为成桩成本的2.5-3倍，对于单孔大直径长桩的处理费动辄百万以上。同时处理时间非常长，单桩工期延误往往在一个月以上，经济和时间代价巨大。

第二种取芯处理，同样仅限于浅层缺陷桩，由于采用的小型取芯设备，一旦深层缺陷桩，沿桩身钢筋笼内侧逐孔转进分离核心砼的时间相当长，并且对于核心砼的去除多采用小型机械配合人工去除，如此延误的时间更长，在孔道核心混凝土去除后，由于孔内壁留下的是光滑表面，还需要二次凿毛方可重新浇筑混凝土，由此虽然对比第一种方法，此方法保留了钢筋笼骨架，小型机械较大型机械的费用相对较少，但是仍然存在处理时间过长，人工长时间井下作业的安全隐患，甚至面临深孔桩无法处理的问题。

技术实现要素：
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本发明的目的是针对上述存在的问题提供一种混凝土钻孔灌注桩缺陷桩修复处理取芯钻头，能够大幅降低缺陷桩的修复成本，缩短工期。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种混凝土钻孔灌注桩缺陷桩修复处理取芯钻头，包括上部连接总成、中部筒身、环形刀头，所述上部连接总成、中部筒身、环形刀头依次焊接在一起；所述中部筒身上设置有一组相互平行的耐磨条；所述环形刀头包括一个刃口环，所述刃口环上沿周向布置一组刀头体，所述刀头体的安装角度以刃口环平面为基准按向外-10°、向外-5°、0°、向内5°四个角度为一个循环等距安装。

所述的混凝土钻孔灌注桩缺陷桩修复处理取芯钻头，所述上部连接总成包括上盘板，所述上盘板的中心安装方头，所述方头外部设置有方箍，所述方头与所述上盘板之间焊接有支撑角板。

所述的混凝土钻孔灌注桩缺陷桩修复处理取芯钻头，所述上盘板的下表面为粗糙面。

所述的混凝土钻孔灌注桩缺陷桩修复处理取芯钻头，所述中部筒身包括一个钢筒，所述钢筒上部焊接所述的上盘板，所述钢筒下部焊接所述的环形刀头，所述钢筒的筒身外壁焊接所述的耐磨条。

所述的混凝土钻孔灌注桩缺陷桩修复处理取芯钻头，所述耐磨条在钢筒的外壁上的安装倾角为20度。

所述的混凝土钻孔灌注桩缺陷桩修复处理取芯钻头，所述耐磨条共8条，四条一组，对称设置在钢筒外壁的1/4区域内，每条耐磨条竖向投影长度≯1/4钢筒外周长，条间距为1/4钢筒高度，每个所述耐磨条的宽度应＜刀头体最大安装角度。

所述的混凝土钻孔灌注桩缺陷桩修复处理取芯钻头，所述上盘板直径等于钢筒内径、刃口环安装刀头的整体外径等于缺陷桩待修复核心砼柱直径。

所述的混凝土钻孔灌注桩缺陷桩修复处理取芯钻头，所述上盘板、钢筒、刃口环的总体高度采用1200mm。

有益效果：

1.采用本发明的取芯钻头去钻进取芯修复缺陷桩，保留了主钢筋笼内外侧环形混凝土保护层也得到了保护；其次，对维修过程中，不干扰桩周土体，桩身的侧摩阻力不受影响。这两方面的改善使得资源和经济效益显著提高，因此，本发明的钻头的直径根据修复缺陷桩的直径确定为900mm，桩身混凝土的强度和拟采用钻机的功率是决定钻头高度的重要因素，本发明的钻头的高度尺寸考虑多个因素，以免出现钻头阻力太大导致核心砼柱顶面无法升至上盘板，或是钢筒无法扭断核心砼柱，再或是扭断后的砼柱无法提出至地面。如钻机额定扭矩、核心砼柱的扭断力矩、克服扭断核心砼柱重力而成功提出孔洞的桶内摩擦力大小等。此处采用1200mm。经过多次试验证明，大于这个区间高度，钻头钻进途中阻力太大无法到设计取芯长度。相反，高度太小，则是钻头钻进完成后，无法取出混凝土核心柱体。

2.本发明在筒身设置了耐磨钢条，并且将耐磨条的设置为沿筒身倾角为20度螺旋倾斜设置，这样在钻头钻进的过程中，耐磨钢条的增加使得钻头切削桩体时，在内壁上自动形成螺旋形凹槽，凹槽足够后续浇筑混凝土需要的粗糙面。

附图说明：

图1是本发明整体结构示意图；

图2是本发明的上部总成的组装图；

图3是本发明的单个方箍构件的结构图；

图4是图3的右视图；

图5是本发明的方头的组装图；

图6是本发明的支撑角板的结构图；

图7是本发明的上盘板的结构图；

图8是本发明的中部筒身的组装立体图；

图9是本发明的耐磨条的结构图；

图10是本发明的环形刀头的立体装配图；

图11是本发明的工作状态示意图。

图中：1、上部连接总成；2、中部筒身；3、环形刀头；11、上盘板；12、方头；13、方箍；14、支撑角板；21、耐磨条；22、钢筒；31、刃口环；32、刀头体。

具体实施方式：

实施例1：

如图1-11所示：本实施例的混凝土钻孔灌注桩缺陷桩修复处理取芯钻头，包括上部连接总成1、中部筒身2、环形刀头3，所述上部连接总成1、中部筒身2、环形刀头3依次焊接在一起；所述中部筒身2上设置有一组相互平行的耐磨条21；所述环形刀头包括一个刃口环31，所述刃口环上沿周向布置一组刀头体32，所述刀头体的安装角度以刃口环平面为基准按向外-10°、向外-5°、0°、向内5°四个角度为一个循环等距安装。如图10所示，刀头体的安装角度按照向外-10°，即图中a所示；向外-5°，即图中b所示；0°，即图中c所示；向内5°，即图中d所示。

如图2-9所示，所述上部连接总成1包括上盘板11，所述上盘板的中心安装方头12，所述方头外部设置有方箍13，所述方头与所述上盘板之间焊接有支撑角板14。

所述的混凝土钻孔灌注桩缺陷桩修复处理取芯钻头，所述中部筒身包括一个钢筒22，所述钢筒上部焊接所述的上盘板，所述钢筒下部焊接所述的环形刀头，所述钢筒的筒身外壁焊接所述的耐磨条21。

所述的混凝土钻孔灌注桩缺陷桩修复处理取芯钻头，所述上盘板的下表面为粗糙面。设置为粗糙面，使得钻进到核心砼柱的上表面与上盘板接触后形成更大的摩擦力，如此当钻杆下压带动钢筒旋转时，提供更大的扭矩，有助于扭断钢筒内砼柱(取芯)。

所述的混凝土钻孔灌注桩缺陷桩修复处理取芯钻头，所述耐磨条在钢筒的外壁上的安装倾角为20度。

所述的混凝土钻孔灌注桩缺陷桩修复处理取芯钻头，所述耐磨条共8条，四条一组，对称设置在钢筒外壁的1/4区域内，每条耐磨条竖向投影长度≯1/4钢筒外周长，条间距为1/4钢筒高度，每个所述耐磨条的宽度应＜刀头体最大安装角度(-10°)，既不影响钻头钻进，同时又满足耐磨条二次打磨桩体内壁，形成螺旋形凿毛线。

所述的混凝土钻孔灌注桩缺陷桩修复处理取芯钻头，所述上盘板直径等于钢筒内径、刃口环的外径(刀头外径)等于缺陷桩待修复核心砼柱直径。该直径的尺寸略小于桩体钢筋笼内壁上各声测管间内切圆直径(按保留声测管考虑)。

所述的混凝土钻孔灌注桩缺陷桩修复处理取芯钻头，所述上盘板、钢筒、刃口环的总体高度原理上需要考虑多个因素，以免出现钻头阻力太大导致核心砼柱顶面无法升至上盘板，或是钢筒无法扭断核心砼柱，再或是扭断后的砼柱无法提出至地面。如钻机额定扭矩、核心砼柱的扭断力矩、克服扭断核心砼柱重力而成功提出孔洞的桶内摩擦力大小等。此处采用1200mm。

本发明的钢筒高度，采用以下方法确定：

钻头持续钻进的条件为：

t机＞t阻公式1

钻机额定(扭断)扭矩

(或从机械配置参数中得到)

p：电机的额定(输出)功率单位是千瓦(kw)

n：额定转速单位是转每分(r/min)

p和n可从电机铭牌中直接查到。因为pn都是电机的额定值，故t就是电机的额定转矩。

钻头转进过程中收到的阻力矩：

σr＞ftk公式4

m＝f2l公式8

l:钢筒的高度(m)

d：钢筒内径(m)

d：上盘口方孔外接圆直径(m)

μ：钢筒侧壁与砼芯柱表面的摩擦系数

f：钻进过程中钢筒表面与混凝土间的侧摩阻力(kpa)

f1:钻杆对上盘板的压力(kn)

f2:钻杆对上盘板的径向力(kn)

t:f1作用下钻杆旋转施加给断裂截面的扭矩(kn·m)

m:f2对刃口处断裂截面的力矩(kn·m)

σ1：上盘板传递给砼柱顶面的压强(kpa)

w:核心砼柱截面抵抗矩(m3)

σr：钻杆施加给刃口截面的作用效应引起的总应力(mpa)

ftk:混凝土轴心抗拉强度(mpa)

由公式1可知，当钢筒内径d确定并经试验确定f后，可得到满足持续钻进条件的钢筒高度l的理论上限值。

由公式4可知，当f1、f2给定后，满足核心砼柱扭断要求时可得到钢筒的高度l的理论下限值。

实际钢筒的高度l可在上述区间内并结合施工效率确定。

装配方法：

本发明的钻头装配顺序为：组拼方头→方头、上盘板、支撑角板、方箍焊接形成上部总成→钢筒上焊接耐磨钢条完成筒身→刃口环与刀头焊接成环形刀头→上部总成、筒身、环形刀头焊接组装完成整体钻头。

工作过程：

利用本发明的钻头钻孔修复流程：钻机定位→钻机、钻杆、钻头组装→逐段钻进取芯至缺陷桩截面下→清孔整理→重新浇筑混凝土。(当存在地下水侵入转身缺陷裂面时，必须事先考虑止水措施)。相对于现有技术而言，本发明的钻头转进过程中，保留了主钢筋笼内外侧环形混凝土保护层也得到了保护；其次，对维修过程中，不干扰桩周土体，侧摩阻力不受影响。这两方面的改善使得资源和经济效益显著提高。而且本发明的钻头外套壁自带条形耐磨钢条，钻进的过程中，桩内壁的粗糙度随即形成，施工方法更加节能、环保。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征等同替换所组成的技术方案。本发明的未尽事宜，属于本领域技术人员的公知常识。