一种用以掘进大粒径中等风化核的人工挖孔桩成孔方法

摘要

本发明公开了一种用以掘进大粒径中等风化核的人工挖孔桩成孔方法，用于人工挖孔桩掘进时，遭遇大粒径中等风化核的掘进成孔，方法包括如下步骤：(1)布设若干水磨钻机取芯点位；(2)架设井架、水磨钻机和水磨钻机顶杆辅助支撑装置，使水磨钻机的钻筒与取芯点位正对，启动水磨钻机沿预设的若干水磨钻机取芯点位进行依序取芯，全部取芯完成后，令桩孔内形成一个与预设桩孔内壁完全分离的桩芯岩体；(3)根据预设分离份数，在桩芯岩体上钻设若干预设深度的钻眼；(4)往钻眼中插入钢楔，然后用大锤锤击钢楔使桩芯岩体破裂和清运；(5)对桩孔的内壁进行修正、纠偏，同时，布设下一掘进深度的水磨钻机取芯点位；本方案实施可靠且灵活高效。

说明书

技术领域

本发明涉及工程施工技术领域，尤其涉及一种用以掘进大粒径中等风化核的人工挖孔桩成孔方法。

背景技术

人工挖孔灌注桩在山地建筑中是一种常见的基础型式，因山地建筑场地高差大、地质复杂多变，土层中常有夹杂大直径孤石，孤石为中等风化核。中等风化核属于花岗岩风化而成，坚硬程度介于较硬岩与坚硬岩中间，矿质成分以石英、长石、云母、角闪石为主，节理、裂隙较发育，岩体完整程度较完整，合金钻头不宜钻进。

传统的人工挖孔桩工艺主要采用人工挖掘方法成孔，成孔过程中一旦遇到坚硬的孤石无法掘进的问题，若为较小粒径的孤石，可采用人工配合冲击钻方式进行开凿，但是，该方法速度慢，功效低，劳动强度大且费用高；若遇到粒径为2-3m的孤石，人工配合冲击钻的方式则无法进行开凿，通常采用爆破方法，而爆破的方法存在两个缺点，一是爆破能量对本身桩孔护壁及附近桩孔护壁产生破坏，二是爆破能量可能对周围已建建筑物有安全影响。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种实施可靠、灵活、对周边影响小且能够兼顾效率的用以掘进大粒径中等风化核的人工挖孔桩成孔方法。

为了实现上述的技术目的，本发明所采用的技术方案为：

一种用以掘进大粒径中等风化核的人工挖孔桩成孔方法，用于人工挖孔桩掘进时，遭遇大粒径中等风化核的掘进成孔，其中，已掘进的人工挖孔桩部分设置有若干内部轮廓呈锥形台的护壁且锥台形护壁的小口端抵接或插接在其上方护壁的大口端上，所述的方法包括如下步骤：

(1)环绕预设桩孔布设若干水磨钻机取芯点位，且使取芯点位的取芯轮廓与桩孔内壁相切，相邻取芯点位之间的取芯轮廓相交；

(2)架设井架、水磨钻机和水磨钻机顶杆辅助支撑装置，使水磨钻机的钻筒与取芯点位正对，同时，水磨钻机的顶杆上端与辅助支撑装置相抵，辅助支撑装置的两端与护壁内侧壁固定，然后启动水磨钻机沿预设的若干水磨钻机取芯点位进行依序取芯，每完成一个取芯点位，则将岩心取出并清运，然后调整水磨钻机，使其钻筒与下一取芯点位正对，直至全部取芯完成后，令桩孔内形成一个与预设桩孔内壁完全分离的桩芯岩体；

(3)根据预设分离份数，在桩芯岩体上钻设若干预设深度的钻眼；

(4)往钻眼中插入钢楔，然后用大锤锤击钢楔使对应钻眼区域的岩体获得一个水平冲击力，在水平冲击力作用下岩石沿铅锤面被拉裂，其底部发生水平剪切破裂，依此对其他相应钻眼进行重复操作使得对应岩体依次分裂，直至该桩芯岩体全部被破裂和清运；

(5)对桩孔的内壁进行修正、纠偏，使其取芯后呈锯齿状的内壁部分被清理，令桩孔的有效桩径位于预设桩孔的桩径的规格要求范围内，同时，布设下一掘进深度的水磨钻机取芯点位，并重复步骤(1)～(4)，直至完成该大粒径中等风化核的掘进。

作为一种可能的实施方式，进一步，步骤(2)中，钻筒的直径为16cm，钻孔的孔深为500～600mm，钻孔时，钻筒向桩孔外侧倾斜2～5度。

作为一种可能的实施方式，进一步，步骤(2)中，每次水磨钻机取芯后取出的岩心均同步使用吊斗外运；步骤(4)中被分裂的岩体经二次破碎至预设规格内，再经卷扬机和吊斗外运。

作为一种可能的实施方式，进一步，，步骤(2)中，所述的水磨钻机包括与发动机连接并由发动机带动旋转钻孔的钻筒，所述钻筒的下端面边缘呈圆形阵列布设有钛合金材质成型的金刚齿，该金刚齿布设在钻筒下端面边缘的方法为：通过高频感应加热设备将铜片加热至1000摄氏度以上，使其熔化成液体后作为粘结剂，将金刚齿粘接于钻筒上，其中，铜片熔化过程中还加入有铜气焊溶剂。

作为一种可能的实施方式，进一步，所述金刚齿的数量为7个，金刚齿与钻筒下端面边缘之间的粘接部表面还通过物理气相沉积法交替设置有氮化钛涂层和氮铝化钛涂层。

作为一种较优的实施选择，优选的，所述氮化钛涂层和氮铝化钛涂层在金刚齿与钻筒下端面边缘之间的粘接部表面施加的方法为：

S1、清洁金刚齿与钻筒下端面边缘之间的粘接部表面；

S2、利用砂纸在金刚齿与钻筒下端面边缘之间的粘接部表面打磨，使其形成与钻筒轴向方向相同的竖向磨痕；

S3、采用物理气相沉积法在粘接部表面沉积氮化钛涂层；

S4、采用物理气相沉积法在粘接部表面的氮化钛涂层上沉积氮铝化钛涂层。

作为一种较优的实施选择，优选的，所述氮化钛涂层、氮铝化钛涂层的厚度均为2μm。

作为一种可能的实施方式，进一步，步骤(2)中所述的水磨钻机顶杆辅助支撑装置包括：

支撑连接板，为矩形板结构，其轴向上的两端面中部均同轴设有延伸杆，所述的延伸杆均为圆杆且其远离支撑连接板的一端设有外螺纹，支撑连接板的一端面设有用于与水磨钻机顶杆上端末插接配合的盲槽；

一对辅助支撑臂，与支撑连接板两端的延伸杆一一对应，其包括：

连接套，为一端敞开的圆筒结构，其圆筒结构内设有与延伸杆上的外螺纹适配的内螺纹并螺纹连接在延伸杆远离支撑连接板的端部上；

连接轴承，其外圈通过固定连接环与连接套远离延伸杆的端部固定连接；

连接座，为U形结构，连接座远离其U形结构的一侧通过固定轴与连接轴承的内圈固定连接；

转动连接板，其一端通过销轴转动连接在连接座的U形结构内；

支撑板，其一端面中心与转动连接板的另一端固定焊接成一体，且支撑板的另一端面用于与护壁表面相贴。

作为一种较优的实施选择，优选的，所述支撑板的另一端面上还固定设置有柔性材质成型的支撑垫，支撑垫的厚度为0.3～10mm。

作为一种较优的实施选择，优选的，所述的支撑连接板为中空矩形板结构。

采用上述的技术方案，本发明与现有技术相比，其具有的有益效果为：本方案巧妙性通过针对人工挖孔桩掘进时，遭遇大粒径中等风化核的掘进成孔设计，来降低成孔的不利影响，提高成孔效率，还通过对水磨钻机的钻筒与金刚齿之间的粘接部进行增设涂层，以提高金刚齿的使用可靠性和利用率，另外，还提供了一种水磨钻机顶杆辅助支撑装置，以提高水磨钻机在完成一个位置的钻取岩芯操作后，需要进行移动到下一个点位进行操作的辅助配合效率，提高了人工操作成孔的便利性和可靠性，也提高了安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明成孔方法的取芯简要流程图示；

图2是本发明成孔方法在操作时，将水磨钻机布设在桩孔内与水磨钻机顶杆辅助支撑装置配合的简要示意图；

图3是本发明成孔方法中所提及得水磨钻机的简要示意图；

图4是本发明成孔方法中所提及得水磨钻机的钻筒和金刚齿的简要示意图；

图5是本发明成孔方法中所提及的水磨钻机的钻筒和金刚齿的简要连接示意图；

图6是金刚齿与钻筒下端面边缘之间的粘接部上施加的氮化钛涂层和氮铝化钛涂层的简要示意图；

图7为本发明成孔方法中所提及的水磨钻机顶杆辅助支撑装置的实施示意图之一；

图8为图7中所示水磨钻机顶杆辅助支撑装置的另一视角结构示意图；

图9为本发明成孔方法中所提及的水磨钻机顶杆辅助支撑装置的实施示意图之二。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本发明，但不对本发明的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本发明的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

参考图1至图9之一所示，本发明一种用以掘进大粒径中等风化核的人工挖孔桩成孔方法，用于人工挖孔桩掘进时，遭遇大粒径中等风化核1的掘进成孔，其中，已掘进的人工挖孔桩部分设置有若干内部轮廓呈锥形台的护壁2且锥台形护壁2的小口端抵接或插接在其上方护壁2的大口端上，所述的方法包括如下步骤：

(1)环绕预设桩孔布设若干水磨钻机取芯点位，且使取芯点位的取芯轮廓与桩孔3内壁相切，相邻取芯点位之间的取芯轮廓相交；

(2)架设井架、水磨钻机4和水磨钻机4顶杆42辅助支撑装置5，使水磨钻机4的钻筒41与取芯点位正对，同时，水磨钻机4的顶杆42上端与辅助支撑装置5相抵，辅助支撑装置5的两端与护壁2内侧壁固定，然后启动水磨钻机4沿预设的若干水磨钻机取芯点位进行依序取芯，每完成一个取芯点位，则将岩心取出并清运，然后调整水磨钻机4，使其钻筒41与下一取芯点位正对，直至全部取芯完成后，令桩孔3内形成一个与预设桩孔内壁完全分离的桩芯岩体(即，外周岩芯取完后桩芯体岩外围便形成一个环形临空面)；

(3)根据预设分离份数，在桩芯岩体上钻设若干预设深度的钻眼，本方案中实施例中，预设分离的份数为3份，具体等份可根据桩径大小调整，便于破裂即可；

(4)往钻眼中插入钢楔，然后用大锤锤击钢楔使对应钻眼区域的岩体获得一个水平冲击力，在水平冲击力作用下岩石沿铅锤面被拉裂，其底部发生水平剪切破裂，依此对其他相应钻眼进行重复操作使得对应岩体依次分裂，直至该桩芯岩体全部被破裂和清运；

(5)对桩孔3的内壁进行修正、纠偏，使其取芯后呈锯齿状的内壁部分被清理，令桩孔3的有效桩径位于预设桩孔的桩径的规格要求范围内，同时，布设下一掘进深度的水磨钻机取芯点位，并重复步骤(1)～(4)，直至完成该大粒径中等风化核的掘进。

其中，作为一种可能的实施方式，进一步，步骤(2)中，钻筒41的直径为16cm，钻孔的孔深为500～600mm，由于钻取岩芯时，钻筒41应向桩孔壁外倾斜一定角度，以保证在下一层施工时，钻机就位后套筒起钻点能够置于设计孔桩边线而不致造成缩孔，以保证桩基成孔直径，因此，钻筒41向桩孔3外侧倾斜2～5度，优选为3度，如果倾斜角度过大，将增加开挖掘进量和桩体混凝土浇注量。

另外，为了提高效率，步骤(2)中，每次水磨钻机取芯后取出的岩心均同步使用吊斗外运；步骤(4)中被分裂的岩体经二次破碎至预设规格内，再经卷扬机和吊斗外运。

本方案成孔方法的工作原理简要如下：水磨钻机施工方法主要通过水磨钻机沿桩径内沿钻若干个孔，孔孔相连，钻孔后取芯，待所有水磨钻钻孔连成一个环后，桩芯就和桩壁分离，形成了桩芯的临空面，然后对剩余的桩基岩芯部分进行分块，沿圆半径取芯分块形成内部临空面。在分块的岩石上钻上一排小孔，然后再小孔内插入钢楔子，锤击钢楔挤压岩石，使岩石同时受到铅锤面上的拉力和水平面上的剪切力作用，当挤压力大于极限抗拉力和极限抗剪切力之和时，岩石沿铅锤面被拉裂并从底部发生剪切破裂，分解成若干小块，利用卷扬机吊出孔外，取出分裂的岩块。依次按照分层取芯、破裂、取岩块的循环作业作用，最终达到成孔的目的。

着重参考图2至图6之一所示，作为一种可能的实施方式，进一步，步骤(2)中，所述的水磨钻机4包括发动机43、连接构件44、滑动齿轮45、调节杆46、固定底座47、顶杆42、钻筒41、进水口48、金刚齿411，其中，钻筒411与发动机43连接并由发动机带动旋转钻孔，所述钻筒411的下端面边缘呈圆形阵列布设有钛合金材质成型的金刚齿411，金刚齿411硬度高、耐磨，可用于钻取岩石，其外形顺着钻筒41的外径，为弧形状，该金刚齿411布设在钻筒41下端面边缘的方法为：通过高频感应加热设备将铜片加热至1000摄氏度以上，使其熔化成液体后作为粘结剂，将金刚齿411粘接于钻筒41上，其中，铜片熔化过程中还加入有铜气焊溶剂，用以加强钻筒41与金刚齿411的粘结力。

作为一种可能的实施方式，进一步，所述金刚齿411的数量为7个，鉴于钻筒41在取芯时，常常会因为岩土中的硬质硅化物摩擦而导致金刚齿411和钻筒41之间的粘接部4111断裂、磨损，引起金刚齿411偏移或掉落，因此，本方案中，金刚齿411与钻筒41下端面边缘之间的粘接部4111表面还通过物理气相沉积法交替设置有氮化钛涂层412和氮铝化钛涂层413，通过该涂层可以提高金刚齿411的寿命以及粘接部4111的耐磨性；作为一种较优的实施选择，优选的，所述氮化钛涂层412和氮铝化钛涂层413在金刚齿411与钻筒下端面边缘之间的粘接部4111表面施加的方法为：

S1、清洁金刚齿411与钻筒41下端面边缘之间的粘接部4111表面；

S2、利用砂纸在金刚齿与钻筒下端面边缘之间的粘接部表面打磨，使其形成与钻筒轴向方向相同的竖向磨痕；

S3、采用物理气相沉积法在粘接部表面沉积氮化钛涂层；

S4、采用物理气相沉积法在粘接部表面的氮化钛涂层上沉积氮铝化钛涂层。

虽然在超硬涂层材料中，氮化钛在所有涂层中使用占有量高，然而在高速干式摩擦的情况下，最好的PVD涂层应是氮铝钛(TiAIN)，它的性能在高温连续工作钻孔工作时，优于氮化钛4倍，TiAIN在高温下的强度比TiN更硬，且具有热稳定性，PVD涂层利用了它的抗化学磨损性能，它的硬度高达维氏3500度，使其具有更高的工作温度。而相应领域的材料科学家推测：这些性质可归功于非结晶的氧化铝薄膜，它是在高温时涂层表面中的一些铝氧化后形成，而本方案中的钻筒41正是在工作时，能够达到相应的高温状态，以避免金刚齿411断裂，另外，对于涂层厚度而沿，考虑到成本、性能，以及其在一定厚度下已经能够实现耐磨效果，作为一种较优的实施选择，优选的，所述氮化钛涂层、氮铝化钛涂层的厚度均为2μm。

而为了提高氮化钛涂层412和氮铝化钛413之间的连接可靠性，作为一种较优的实施选择，优选的，步骤S4中，采用酸溶液(质量浓度68％的浓硝酸)喷雾在粘接部表面的氮化钛涂层上进行侵蚀处理30～40s后，再用去离子水清洁、干燥后，继而再采用物理气相沉积法在粘接部4111表面的氮化钛涂层412上沉积氮铝化钛涂层413；而作为一种更优的实施选择，优选的，所述酸溶液喷雾的液滴颗粒直径为0.05～0.2mm，若喷雾的液滴颗粒直径过大，则很容易导致液滴与氮化钛涂层接触后，发生滑移则难以起到点蚀的效果。

基于上述，本方案还作出如下论证，通过对比粘接部4111上设置氮化钛涂层412和氮铝化钛涂层413和不设置涂层时的金刚齿411使用寿命，通过实际进行取芯钻孔来记录金刚齿损坏时的钻取岩心次数，以此间接判断其使用寿命，具体论证的实验组包括：

实验组1，粘接部表面没有设置氮化钛涂层和氮铝化钛涂层；

实验组2，粘接部表面设置有1层氮化钛涂层和1层氮铝化钛涂层；

实验组3，粘接部表面交替设置有2层氮化钛涂层和2层氮铝化钛涂层；

实验组4，粘接部表面设置有1层氮化钛涂层；

实验组5，粘接部表面设置有1层氮铝化钛涂层；

实施例6，与实验组1大致相同，不同之处在于，施加氮铝化钛涂层前没有进行酸溶液喷雾侵蚀处理；

其中，各涂层的厚度均为2μm，钻筒的取孔直径为16mm，水磨钻机的空载转速为800r/min，每次取芯的岩心高度约为600mm。

使用寿命及损坏时的外观情况结果如下：

表1金刚齿使用寿命测试

结合如上结构可知，粘接部设置有涂层的情况下，金刚齿的工作寿命能够明显获得延长，其主要原因在于粘接部的强度不佳导致的短板效应，而氮化钛涂层和氮铝化钛涂层越多，其提升作用越不明显，主要在于金刚齿的磨损问题，另外，在两层涂层的情况下，通过涂层进行预处理再施加新涂层，有助于提高两涂层的结合力，提高其综合强度。

鉴于成本和性价比方面考虑，作为一种较优的实施选择，优选的，所述氮化钛涂412、氮铝化钛413涂层的层数均为1层。

参考图2、图3、图7、图8和图9，由于钻取岩芯的过程需要随时调整水磨钻机4的位置，传统的操作方案是直接就地取材，通过一个钢管或钢板两端顶柱护壁2，然后水磨钻机4的顶杆42与钢管下端相抵，继而即可进行钻取岩芯的操作，后续只需通过操作调节杆46，即可通过连接构件44带动发动机43和钻筒41下降进行钻孔，由于该水磨钻机4设备为现有设备，因此，不再赘述其工作过程和原理。

由于水磨钻机4在完成一个位置的钻取岩芯操作后，需要进行移动到下一个点位进行操作，而传统方案的顶杆42辅助间明显需要进行跟随移动，而采用钢管或钢板的这种形式一方面容易造成护壁的磨损，另一方面，其与护壁的接触面较小，容易造成滑脱等不良状况发生，为了便于水磨钻机4完成一个取芯点位操作后，快速进行下一个点位的工作，重点参考图7或图8，作为一种可能的实施方式，进一步，步骤(2)中所述的水磨钻机顶杆辅助支撑装置5包括：

支撑连接板51，为矩形板结构，其轴向上的两端面中部均同轴设有延伸杆52，所述的延伸杆52均为圆杆且其远离支撑连接板51的一端设有外螺纹，支撑连接板51的一端面设有用于与水磨钻机4顶杆42上端末插接配合的盲槽511，本方案中，该盲槽511为腰形盲槽，其延伸至支撑连接板51的两端；

一对辅助支撑臂53，与支撑连接板51两端的延伸杆52一一对应，其包括：

连接套54，为一端敞开的圆筒结构，其圆筒结构内设有与延伸杆52上的外螺纹适配的内螺纹并螺纹连接在延伸杆52远离支撑连接板51的端部上；

连接轴承56，其外圈通过固定连接环55与连接套54远离延伸杆52的端部固定连接；

连接座57，为U形结构，连接座57远离其U形结构的一侧通过固定轴与连接轴承56的内圈固定连接；

转动连接板58，其一端通过销轴571转动连接在连接座57的U形结构内；

支撑板59，其一端面中心与转动连接板58的另一端固定焊接成一体，且支撑板59的另一端面用于与护壁2表面相贴。

为了提高支撑板59与护壁2的贴合可靠性，作为一种较优的实施选择，优选的，所述支撑板59的另一端面上还固定设置有柔性材质成型的支撑垫591，支撑垫591可以为橡胶垫，其厚度为0.3～10mm，其中，支撑垫591由于与护壁2接触，因此，采用柔性材质有助于提高接触贴合性，而厚度大于10mm时，则可能会因为水磨钻机4在工作时，产生抖动而进一步引发支撑垫591的压缩或舒张，使得支撑板59在有持续振动的情况下，不利于与护壁2的紧密贴合，因此，需要控制支撑垫591的厚度。

如图9所示，为了提高携带便利性和降低自重，作为一种较优的实施选择，优选的，所述的支撑连接板51为中空矩形板结构。

参考图2、图3、图7、图8和图9之一所示，水磨钻机顶杆辅助支撑装置5的简要使用方法为：

(1)待水磨钻机4放置到位后，通过估测水磨钻机顶杆辅助支撑装置5两端需要抵靠护壁2的所需宽度，然后通过旋转连接套54，使得支撑连接板51和辅助支撑臂53的跨度适中，然后将支撑板59与对应的护壁2内壁相贴；

(2)旋转水磨钻机4的顶杆42，令其上升且顶杆42的上端末穿入到支撑连接板51的盲槽511内，令支撑连接板51与顶杆42相对锁止固定，使其进一步从下侧顶住辅助支撑装置5的支撑连接板51下端，即可完成辅助支撑装置5与水磨钻机4的配合。

以上所述仅为本发明的部分实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效装置或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。