0 引言

　　水泥土复合管桩由高喷搅拌法形成的水泥土桩与同芯植入的预应力高强混凝土管桩复合而成，是一种绿色环保的新桩型，具有大直径、长桩、高承载力、高性价比等特点。水泥土复合管桩成桩质量的优劣关键在于水泥土桩的施工，而决定水泥土桩施工速度与质量的一个重要因素是钻头。目前，相关桩基础施工所用钻头的研究现状如下:周伟程等研制了一种用于双管高压旋喷工艺的钻具，包括进浆总成、钻杆、钻头;王云辰等研制了一种用于四重高压旋喷的钻头，包括钻头体、芯管;兰昌勇等研制了一种高压旋喷桩钻头，包括钻身和钻头;吴忠诚等研制了一种用于大直径组合截面水泥土桩的旋喷、搅拌复合施工钻头;李维平等研制了一种高压旋喷桩钻头，包括钻头体、喷浆孔;卢信雅等研制了一种能同时完成钻孔、喷射、搅拌功能的桩工设备;张振等研制了一种具有喷射和搅拌功能的水泥土桩工法和专用钻头;王文臣研制了一种喷搅注浆处理地基装置;周广泉等研制了一种带有喷射搅拌管(外端设置喷嘴)、搅拌杆的钻具形式。

　　综合分析以上桩基础施工钻头，没有适用于水泥土复合管桩的专用钻头，且现有钻头施工效率低、钻进速度慢，喷浆搅拌不均匀，桩身易出现夹泥现象，严重制约了水泥土复合管桩的推广与应用，因此，本文根据水泥土复合管桩的特点设计了一种专用钻头，并采用数值模拟的手段验算了其强度，最后通过现场试验检验了其施工效率与施工质量。

　　1 钻头设计

　　1.1 设计原则

　　水泥土桩采用高压旋喷搅拌技术施工，为了满足其施工要求，钻头必须具有4个关键要素:浆路、气路分开设置，喷嘴易于更换，水泥浆不易沉淀，检查维修便捷。另一方面，钻头还需具有施工效率高、喷浆搅拌均匀的特点。根据上述关键要素和要求，钻头的设计原则如下:(1)设置检修孔;(2)设置搅拌翅;(3)设置底部喷嘴;(4)设置喷杆喷嘴;(5)采用气腔+内浆管形式;(6)钻头外轮廓整体呈锥形;(7)加长杆喷嘴设置在搅拌翅下方。

　　1.2 钻头形式及搅拌验算

　　水泥土桩施工机械采用LGZ40型桩机，其对应的技术参数如表1所示。

　　  

　　表1 LGZ40型桩机技术参数 

　　 

　　 

　　

　　表1 LGZ40型桩机技术参数

　　根据钻头的设计原则及桩机的技术参数设计适用于水泥土复合管桩的钻头，钻头形式及尺寸如图1所示。

　　

　　图1 钻头形式及尺寸  

　　 

　　水泥土复合管桩钻头使用时需要满足对土体的切削搅拌要求，设计好的钻头需按如下步骤进行验算。

　　1)水泥土复合管桩加固范围内必须同时满足土体内任意一点搅拌次数N≥20次和每米土体的搅拌切土次数T≥400次。

　　2)根据钻机的型号确定钻杆的回转数n、钻进速度V₁和提升速度V₂。

　　3)验算搅拌翅，使其宽度h、垂直夹角β、总枚数∑Z满足公式T≥400,N≥20的要求。

　　验算结果表明，当n=20r/min,V₁≤1m/min,V₂≤0.42m/min时，满足T≥400,N≥20的要求，且钻机的钻杆回转数n、钻进速度V₁和提升速度V₂均满足该技术要求，因此设计的钻头可以用于水泥土复合管桩施工。

　　V₂≤0.42m/min时，满足T≥400,N≥20的要求，且钻机的钻杆回转数n、钻进速度V₁和提升速度V₂均满足该技术要求，因此设计的钻头可以用于水泥土复合管桩施工。

　　1.3 钻头工作原理

　　钻头侧面对称布置2层喷杆和搅拌翅，每层2个喷杆和2个搅拌翅，搅拌翅为下薄上厚的梯形，布置在喷嘴前方，上层搅拌翅长于下层搅拌翅，钻头外轮廓整体呈锥形。钻头底部设置两翼鱼尾，搅拌翅与鱼尾镶嵌耐磨合金。喷杆设计时，使喷杆长度略小于搅拌翅且位于搅拌翅的后面，以减少对喷杆的磨损和对气嘴、喷嘴的堵塞。钻头设置底面喷嘴，使底面喷嘴与两层喷杆喷嘴呈阶梯分布，其水平投影可等效为同心圆结构。喷浆与搅拌相互协调补充，使浆液喷射搅拌范围相互衔接，覆盖整个桩身横截面，喷浆搅拌范围如图2所示。

　　

　　图2 喷浆搅拌范围  

　　 

　　钻头内部结构为气腔+内浆管形式，相比浆腔+气管形式，减少了水泥浆沉渣，降低了喷嘴堵塞频率。喷杆对称设计且上下层喷杆长度不同，与搅拌翅一起在不同直径区域内同时搅拌，提高搅拌均匀程度，钻头内部构造如图3所示。

　　2 钻头结构强度验算

　　2.1 模型建立

　　按照设计的钻头形式及尺寸，采用三维建模软件建立钻头的三维模型，如图4所示。

　　水泥土复合管桩施工用LGZ40型桩机，动力头扭矩最大值为140k N·m，即钻头在该扭矩作用下不发生损坏则满足强度要求。根据桩机动力头扭矩大小反算作用在钻头上的力，假设钻头钻进时搅拌翅与鱼尾受到相同的压力P，由钻头搅拌翅和鱼尾的受力面积及力矩计算压力P=4.88MPa，计算公式如下:

　　

　　图3 钻头内部构造  

　　 

　　

　　图4 钻头的三维模型 

　　 

　　

　　 

　　式中:S₁,S₂,S₃,S₄分别表示上层搅拌翅、下层搅拌翅、鱼尾、钻头杆的受力面积;L₁,L₂,L₃,L₄分别表示上层搅拌翅、下层搅拌翅、鱼尾、钻头杆的力矩。

　　钻头通过法兰盘与桩机钻杆连接，钻进时由法兰盘约束向钻头提供主动力，因此反算钻头受力时可约束钻头法兰盘，在钻头搅拌翅和鱼尾上施加大小为4.88MPa的面力。

　　2.2 材料参数

　　钻头采用Q345A钢材加工制作而成，其弹性模量E=210GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 850kg/m³。

　　2.3 结果分析

　　根据对钻头模型的有限元分析，得到了其应力与变形结果，如图5所示。

　　

　　图5 模拟结果  

　　 

　　由图5可以看出，钻头的最大应力为294MPa，小于Q345A钢材的屈服强度，钻头的强度最低安全系数是1.19，钻头的最大变形尺寸为1.35mm，变形较小，钻进时不会产生颈缩，因此结构强度和刚度满足要求。

　　2.4 浆路性能验证

　　水泥土复合管桩中水泥土桩施工采用高压旋喷工艺，浆液压力范围为5～20MPa，浆路管道采用Q345A无缝钢管制作，外径50mm，壁厚6mm。在浆路管道内部注入压力20MPa的浆液，验算其受力变形性能，只要浆路管道在20MPa浆液压力条件下强度满足要求，则浆路管道在高压旋喷施工时的安全性、可靠性就能够得到保障。取钻头内部一段浆路管道进行浆液压力验算，浆路管道结构如图6所示。

　　

　　图6 浆路管道剖视图  

　　 

　　约束浆路管道纵向轴线剖面处，采用有限元软件计算其应力、变形性能，计算结果如图7所示。

　　

　　图7 浆路验算结果  

　　 

　　根据浆路管道在浆液压力条件下的结果数据，浆路管道最大应力为139.4MPa，小于Q345A钢材的屈服强度，浆路管道的强度最低安全系数是2.51，浆路管道的最大变形为0.015 4mm，变形极小，因此浆路管道能够满足高压旋喷工艺要求。

　　3 应用效果

　　3.1 试验概况

　　共试验了两种钻头形式，一种为通用钻头，一种为水泥土复合管桩专用钻头，如图8所示。水泥土复合管桩专用钻头前面已有介绍，在此不再赘述。通用钻头总长约1.0m，侧面4个水平喷嘴，最下层水平喷杆长度约80cm，上部2层长度约45cm。双头螺旋，2层螺旋，螺旋片切割成豁口状，螺旋片外径90cm，螺距20～30cm，螺旋片底缘镶嵌截齿，钻尖镶嵌斗齿。与通用钻头相比，水泥土复合管桩专用钻头具有如下技术优势:(1)浆路管道内置，减少了磨损;(2)钻头整体呈锥形，减少了钻进阻力;(3)喷嘴沿高度方向阶梯分布，喷浆均匀;(4)搅拌翅在喷杆喷嘴上方，保护了喷嘴。

　　

　　图8 钻头结构形式  

　　 

　　采用LGZ40型桩机在相同的地质条件下，分别使用两种钻头各施工2根相同桩径、相同桩长的高压旋喷搅拌水泥土桩，通过其钻进速度、成桩质量等来检验钻头的施工效果。

　　3.2 地层条件

　　试验场地位于山东省聊城市长江路以北、徒骇河以西。场地所处地貌类型为鲁西黄河冲积平原，勘探深度50.00m范围内为第四系冲积相堆积物和湖积相堆积物，地基土自上而下分为10个工程地质层，分别为杂填土、粉土、粉质黏土、粉土、粉质黏土、粉土、粉质黏土、粉细砂、粉质黏土、粉土。

　　3.3 施工参数

　　采用P·O42.5水泥，水泥掺量为270kg/m³，水灰比1.0，喷浆压力≥5.0MPa，喷气压力≥0.75MPa，水泥土桩直径1.0m，桩长17m。

　　3.4 钻进成桩效果

　　共施工水泥土桩4根，编号分别为1～4，其中1,2号水泥土桩由通用钻头施工，3,4号水泥土桩由水泥土复合管桩专用钻头施工，现场钻进数据如表2所示。

　　  

　　表2 钻进数据 

　　 

　　 

　　

　　表2 钻进数据

　　由表2可以看出，通用钻头平均进尺速度为26.5cm/min，专用钻头平均进尺速度为52.5cm/min，钻进速度提高98.1%。

　　在水泥土桩成桩龄期达到28d后，对2,3号水泥土桩进行桩侧开挖验证，桩头开挖后露出的高度为2.69,2.85m，揭露的土体为杂填土、粉土。

　　由试验桩形态可以看出，2号试验桩桩头呈圆形，桩径约1.0m;桩侧表面凸凹不平，桩径变化不明显，齿状凸起长约3～5cm;桩身水泥土较均匀，局部夹泥，含有未搅拌开的土块。3号试验桩桩头呈圆形，桩径约1.0m;桩侧表面凸凹不平，可以观察到盘、齿状凸起，凸起和分层较显著，齿状凸起长约3～15cm，桩身水泥土较均匀，无夹泥，无土块。2号桩与3号桩相比，3号桩与桩周土接触面积更大，具有更高的侧阻力，成桩效果更好。

　　3.5 取芯效果

　　水泥土桩成桩满足龄期后，将1,4号试验桩桩头整平，并开始取芯检查。根据芯样成型情况可得出以下几点。

　　1)通用钻头施工的水泥土桩完整性、密实度一般，桩身搅拌均匀性差，局部夹泥现象较严重。

　　2)专用钻头施工的水泥土桩完整性、密实度好，桩身搅拌均匀性好，无夹泥现象。

　　对取出的芯样做单轴抗压强度试验，通用钻头施工的水泥土桩芯样单轴抗压强度平均值为2.8MPa，专用钻头施工的水泥土桩芯样单轴抗压强度平均值为3.7MPa，强度提高32.1%。

　　4 结语

　　根据水泥土复合管桩钻头的设计原则和设计方法，设计了一种适用于水泥土复合管桩的专用钻头，采用有限元方法验算了其强度，通过与通用钻头的比较及现场应用，验证了其可靠性、适用性与先进性，得出以下结论。

　　1)设计的专用钻头能够满足水泥土复合管桩加固深度范围内土体的搅拌次数要求，且具有结构布置合理、钻进阻力小、喷浆搅拌均匀等特点。

　　2)专用钻头结构的强度具有至少19%的安全储备，浆路管道强度具有至少151%的安全储备，能够满足水泥土复合管桩高压旋喷搅拌的工艺要求。

　　3)与通用钻头相比，专用钻头的钻进速度提高98.1%，桩身搅拌更加均匀、无夹泥，取芯芯样完整，成桩效果更好，且相同地层、相同水泥掺量条件下，桩身芯样抗压强度提高32.1%。