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工程钻探 主讲人：杜振川 工程钻探学课件工程钻探学课件 第五章 其它钻进方法 第一节 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 工程钻探学课件工程钻探学课件 第五章 其它钻进方法 第一节 机械振动钻进 震动锤 工程钻探学课件工程钻探学课件 第五章 其它钻进方法 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 载，使周围岩层或土壤也产生振动。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 用下，使钻头吃入（沉入）岩土层，从而实现钻进。 第一节 机械振动钻进 工程钻探学课件工程钻探学课件 第五章 其它钻进方法 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。 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。 也广泛用于桩基工程施工，如振动沉管灌注桩施工等。振 动钻进中，还可借助于振动器的振动下套管、起拔套管、处 理卡钻事故等。 第一节 机械振动钻进 一、振动钻进的特点及应用范围 工程钻探学课件工程钻探学课件 第五章 其它钻进方法 双轴双轮振动器的工作原理 如图所示。不论两个偏心轮 处于什么位置，离心力q1和 q2均可分解为两组分力。其 中水平分力s1和s2大小相 等方向相反，故互相抵消； 第一节 机械振动钻进 二、振动器的工作原理 工程钻探学课件工程钻探学课件 第五章 其它钻进方法 而垂直分力p1和p2大小相等， 方向相同，其合力p等于p1和 p2之 和。当偏心轮的重心位于 水平轴线以下时，合力p的方向 向下；当偏心轮的重心位于水 平轴线以上时，合力p的方向则 向上。因此，合力p将使钻具产 生垂直方向的振动。 第一节 机械振动钻进 二、振动器的工作原理 工程钻探学课件工程钻探学课件 因素有：振动频率、振幅、偏心力矩和回次长度。 第一节 机械振动钻进 三、影响钻效的工艺因素 1. 振动频率 振动器频率很低时，钻具只有 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，钻具与岩层间产生 相对滑移并开始切入岩层中称为“起始频率”。 随着频率的提高钻速也增加，频率进一步提高时，钻具的振幅达 到“极限振幅”（a） 工程钻探学课件工程钻探学课件 第一节 机械振动钻进 三、影响钻效的工艺因素 2、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 做“起始振幅a0”。 振幅超过a0后，钻速随振幅成线性。起始振幅a0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a等于35倍的a0 a0与频率的关系如下 工程钻探学课件工程钻探学课件 第一节 机械振动钻进 三、影响钻效的工艺因素 3、偏心力矩 增大偏心矩，在坚实土层中钻效。但偏心力矩过大，会使上 部钻杆变形。 4、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 次钻速存在着最优回次长度。一般取极限值的8095%作为 最优值。 工程钻探学课件工程钻探学课件 第五章 其它钻进方法 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 不断地将钻头破碎的孔底岩石 输送至地面。 第二 节 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 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 坡桩，输电工程线杆的埋设，敷设工程 管线的水平钻孔等。 工程钻探学课件工程钻探学课件 第五章 其它钻进方法 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 不断地将钻头破碎的孔底岩石 输送至地面。 第二 节 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 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 坡桩，输电工程线杆的埋设，敷设工程 管线的水平钻孔等。 工程钻探学课件工程钻探学课件 第五章 其它钻进方法 钻进效率高。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 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。 低公害（无泥浆污染），低噪音（无振动），低成本（效 率高），简化了钻进设备和工艺。 第二 节 机械螺旋钻进 一、螺旋钻进的特点 工程钻探学课件工程钻探学课件 第五章 其它钻进方法 不使用冲洗液，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 地层中的钻进。 孔壁稳定。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 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。 第二 节 机械螺旋钻进 一、螺旋钻进的特点 工程钻探学课件工程钻探学课件 第五章 其它钻进方法 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 节 机械螺旋钻进 一、螺旋钻进的特点 工程钻探学课件工程钻探学课件 第五章 其它钻进方法 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（钻进破岩、输土和 摩擦阻力），钻孔深度和口径受到一定限制。 第二 节 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 工程钻探学课件工程钻探学课件 第五章 其它钻进方法 长螺旋钻 第二 节 机械螺旋钻进 二、螺旋钻分类 工程钻探学课件工程钻探学课件 第五章 其它钻进方法 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 节 机械螺旋钻进 二、螺旋钻分类 工程钻探学课件工程钻探学课件 第五章 其它钻进方法 短螺旋钻机 第二 节 机械螺旋钻进 二、螺旋钻分类 工程钻探学课件工程钻探学课件 第五章 其它钻进方法 短螺旋钻 第二 节 机械螺旋钻进 二、螺旋钻分类 工程钻探学课件工程钻探学课件 第五章 其它钻进方法 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 节 机械螺旋钻进 二、螺旋钻分类 工程钻探学课件工程钻探学课件 第五章 其它钻进方法 1、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 比螺旋叶片的外径大1020mm。 适用于一般的土层。 第二 节 机械螺旋钻进 三、螺旋钻头 工程钻探学课件工程钻探学课件 第五章 其它钻进方法 2 、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 节 机械螺旋钻进 三、螺旋钻头 工程钻探学课件工程钻探学课件 第五章 其它钻进方法 第二 节 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。 工程钻探学课件工程钻探学课件 第二 节 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 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 工程钻探学课件工程钻探学课件 第二 节 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 工程钻探学课件工程钻探学课件 第二 节 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 际转速应大于临界转速 ，n = k nk，k值 向上输送速度，但所需 功率也越大。一般取 k=1.21.3 式中： n k临界转速； t钻屑与孔壁间的摩擦系数； 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 ，摩擦系数的反正切，摩擦系数为0.30.6 。 工程钻探学课件工程钻探学课件 第五章 其它钻进方法 第三节 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。 工程钻探学课件工程钻探学课件 第五章 其它钻进方法 第三节 旋挖式钻机钻进 工程钻探学课件工程钻探学课件 第五章 其它钻进方法 第三节 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，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） 。 工程钻探学课件工程钻探学课件 第五章 其它钻进方法 第三节 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0.6 3.0m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 。 工程钻探学课件工程钻探学课件 第五章 其它钻进方法 第三节 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