阅读说明：本技术 一种钻孔灌注桩用钻具结构 (Drilling tool structure for cast-in-situ bored pile ) 是由 付建军 李永丰 朱临瑞 白治军 王少华 陈安重 于 2019-10-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种钻孔灌注桩用钻具结构,包括第一堵头,以及从上至下依次连接的中空钻杆、第一灌浆接头、转化接头、第二灌浆接头和钻头；第一灌浆接头上开设第一流道,转化接头上开设有第二流道,第二灌浆接头上开设有第三流道,钻头上开设有第四流道,中空钻杆、第一流道、第二流道、第三流道和第四流道依次连通以形成浆料输送通道,第一灌浆接头上设有连通第一流道和外界的第一出浆孔,第四流道与外界连通,第一堵头可沿浆料输送通道的上端进入第二流道中并关闭所述第二流道。本发明可在不提管的情况下,快捷方便地实现钻进过程中钻灌一体与提钻过程中高压旋喷灌浆的转换,适用于地基加固防渗的灌浆工程。(The invention discloses a drilling tool structure for a cast-in-situ bored pile, which comprises a first plug, a hollow drill rod, a first grouting joint, a conversion joint, a second grouting joint and a drill bit, wherein the hollow drill rod, the first grouting joint, the conversion joint, the second grouting joint and the drill bit are sequentially connected from top to bottom; the first grouting connector is provided with a first flow channel, the conversion connector is provided with a second flow channel, the second grouting connector is provided with a third flow channel, the drill bit is provided with a fourth flow channel, the hollow drill rod, the first flow channel, the second flow channel, the third flow channel and the fourth flow channel are sequentially communicated to form a slurry conveying channel, the first grouting connector is provided with a first slurry outlet hole communicated with the first flow channel and the outside, the fourth flow channel is communicated with the outside, and the first plug can enter the second flow channel along the upper end of the slurry conveying channel and close the second flow channel. The invention can quickly and conveniently realize the conversion of drilling and grouting integration in the drilling process and high-pressure rotary spraying grouting in the drilling process under the condition of not lifting the pipe, and is suitable for the grouting engineering of foundation reinforcement and seepage prevention.)

一种钻孔灌注桩用钻具结构

技术领域

本发明涉及地基基础加固与防渗处理灌浆领域，尤其涉及一种钻孔灌注桩用钻具结构。

背景技术

随着人类社会的进步、经济水平的提高，大规模的土木工程建设越来越多，在改善人民生产生活的同时也使工程建设面临更多新的挑战。在工程建设中，地基加固和防渗是常见的工程问题，也是需要复杂工程技术和丰富工程经验进行治理的重点难题。

现有的高压喷射灌浆技术是近年来在地基加固防渗工程中广泛使用的一项灌浆技术，传统的高压喷射灌浆需要先利用工程钻机造孔至设计深度，再将高压喷射灌浆管下至孔底开始自下而上的高压喷射灌浆，实际施工操作过程繁琐，效率低，很难满足各种复杂条件下的工程需要且会造成20％～30％的返浆，不利于环境保护与资源节约。

CN110004932A公开了一种无返浆高压喷射灌浆系统，其中，钻具组成部分：双管钻喷导流器、钻喷孔口封闭器、双管活塞钻杆、双管钻喷机具均具有两个供浆通道，从而形成自上而下冲挤钻灌与自下而上喷射灌浆的独立供浆通道。该结构设计思路与本发明不同，且双通道设置导致钻具结构复杂，成套设备改进困难，且施工效率低，可操作性差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种钻孔灌注桩用钻具结构，可在不提管的情况下，快捷方便地实现钻进过程中钻灌一体与提钻过程中高压旋喷灌浆的转换，适用于地基加固防渗的灌浆工程。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种钻孔灌注桩用钻具结构，包括第一堵头，以及从上至下依次连接的中空钻杆、第一灌浆接头、转化接头、第二灌浆接头和钻头；所述第一灌浆接头上开设第一流道，所述转化接头上开设有第二流道，所述第二灌浆接头上开设有第三流道，所述钻头上开设有第四流道，所述中空钻杆、第一流道、第二流道、第三流道和第四流道依次连通以形成浆料输送通道，所述第一灌浆接头上设有连通第一流道和外界的第一出浆孔，所述第四流道与外界连通，所述第一堵头可沿浆料输送通道的上端进入所述第二流道中并关闭所述第二流道。

本结构实现钻灌一体与高压旋喷灌浆转换的原理为：钻孔钻进过程中，静压浆料经浆料输送通道输出以对松软地层全孔进行加固，钻灌一体结束后，无需提管，只需向输送通道中投放第一堵头以封堵第二流道，提钻过程中进行高压旋喷灌浆，第一出浆孔中安装喷嘴，高压脉冲浆料从喷嘴中喷出，对土体进行冲击、切削从而使浆液与土体颗粒形成有效的固结体。

如此，将钻灌一体低(静)压灌浆法和高压脉动旋喷灌浆法进行时序结合应用于地基加固与防渗工程中，从而发挥两种灌浆技术的优势，克服各自的缺点，从而达到最大的适用地层范围和最佳的加固防渗效果，保证加固防渗的成功率和安全性。

与CN110004932A公开的钻具相比，本结构只有一个输送通道，结构简单，成套设备易于改进，且实际应用可操作性强，施工效率大大提高。

作为上述技术方案的进一步改进：

为实现采用第一灌浆接头进行高压脉动旋喷灌浆，所述第一灌浆接头的侧壁上开设凹槽，第一出浆孔开设于所述凹槽的底壁上，所述第一灌浆接头上设有喷嘴，所述喷嘴的一端置于所述容置孔中，所述喷嘴的另一端置于所述凹槽中。

该结构可避免钻具上下运动过程中破坏喷嘴。

所述喷嘴通过一螺母与所述第一灌浆接头固定。

为避免第一堵头过大导致向下运动过程中卡死，所述第二流道的内壁上设有关闭第二流道的密封件，所述密封件上设有沿中空钻杆轴向方向延伸的通孔，所述通孔与第一堵头配合。

所述第二灌浆接头设有自动控制静压浆体单向进入第四流道的单向结构，从而防止出现管内返浆。

作为第二灌浆接头的一种具体结构形式，所述第二灌浆接头包括套管和所述单向结构，所述套管与转化接头相连，所述单向结构的上部伸入所述套管的内腔中并与套管固连，所述单向结构的下部与钻头相连，所述单向结构中开设有上流道和下流道，所述上流道的上下两端均封闭，所述下流道的上端封闭，所述下流道的下端与第四流道连通，所述单向结构的侧壁上部开设有第一孔和第一槽，第一孔和第一槽相对设置，第一孔与套管内腔和上流道均连通，第一槽的槽壁与套管内壁围合形成分流道，所述第一槽的底壁上开设有与上流道连通的第二孔，以及与下流道连通的第三孔，所述第二孔位于所述第一孔的上方，所述上流道中设有第二堵头，所述第二堵头可在静压浆体的推动下上下移动以使第一孔和第二孔连通或断开连通；所述套管内腔、第一孔、上流道、第二孔、分流道和下流道连通时形成所述第三流道。

钻进过程中，静压浆料从第一孔流入上流道中，推动第二堵头向上运动，从而使得第一孔和第二孔连通，静压浆料经第三流道、第四流道流出，对周围土体渗透同时起到泥浆护壁的作用可有效防止塌孔。如出现返浆现象，返回的浆料从第二孔流入上流道中，推动第二堵头向下运动，从而断开第一孔和第二孔的连通，防止出现管内返浆。

所述单向结构侧壁的上部开设有第二槽，所述第二槽沿所述中空钻杆的轴线方向延伸至所述单向结构的上端面，所述第一孔开设于第二槽的底壁上。

所述钻头包括连接部和设于连接部下端的刀头部，所述连接部的上端与第二灌浆接头连接，所述刀头部的下端设有多个切割刀片和多个钻齿，多个切割刀片和多个钻齿均围绕所述钻头的中心轴线周向间隔布置，多个钻齿设于多个切割刀片围合形成的空间内；所述第四流道开设于连接部中，所述刀头部的底端面上还开设有与第四流道连通的第二出浆孔。

钻进过程中刀头部对土体进行破坏钻进造孔，水泥稳定浆液在低压脉冲的作用下从第二出浆孔出浆，实现边钻边灌的功能。

所述第二出浆孔设有多个，多个第二出浆孔围绕所述钻头的中心轴线周向间隔布置，第二出浆孔与切割刀片交替设置。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明可快捷方便地实现钻进过程中钻灌一体与提钻过程中高压旋喷灌浆的超能转换，并能有效控制灌浆过程不返浆，施工操作过程高效、环保、节能，适用于地基加固防渗的灌浆工程。

附图说明

图1为本发明实施例的钻孔灌注桩用钻具结构剖视图。

图2为第一灌浆接头的轴测图(未安装喷嘴)。

图3为第一灌浆接头的轴测图(安装喷嘴)。

图4为第一灌浆接头的侧视图。

图5为第一灌浆接头的正视图。

图6为第一灌浆接头的剖视图。

图7为第一灌浆接头的俯视图。

图8为转化接头(低压灌浆状态)的剖视图。

图9为转化接头(高压灌浆状态)的剖视图。

图10为转化接头的俯视图。

图11为第二灌浆接头的剖视图。

图12为图11的A-A剖面图。

图13为图11的B-B剖面图。

图14为套管的轴测图。

图15为钻头的轴测图。

图16为实施案例1灌注形成的加固桩取芯所得实物图。

图17为实施案例2灌注形成的加固桩取芯所得实物图。

图例说明：1、中空钻杆；2、第一灌浆接头；21、第一流道；22、凹槽；23、第一出浆孔；3、转化接头；31、第二流道；32、密封件；321、通孔；4、第二灌浆接头；41、单向结构；411、上流道；412、下流道；413、第一孔；414、第一槽；415、第二孔；416、第三孔； 417、第二堵头；418、分流道；419、第二槽；42、套管；43、第三流道；5、钻头；51、第四流道；52、连接部；53、刀头部；531、切割刀片；532、钻齿；533、第二出浆孔；6、第一堵头；7、喷嘴；8、螺母。

具体实施方式

以下结合具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例的钻孔灌注桩用钻具结构，包括从上至下依次连接的中空钻杆1、第一灌浆接头2、转化接头3、第二灌浆接头4和钻头5。第二灌浆接头4用于钻进过程中进行低(静)压灌浆，第一灌浆接头2用于提钻过程中进行高压灌浆。

第一灌浆接头2上开设第一流道21，转化接头3上开设有第二流道31，第二灌浆接头4 上开设有第三流道43，钻头5上开设有第四流道51，中空钻杆1、第一流道21、第二流道31、第三流道43和第四流道51依次连通以形成浆料输送通道，第一灌浆接头2上设有连通第一流道21和外界的喷嘴7，第四流道51与外界连通。

并且，该钻孔灌注桩用钻具结构还包括第一堵头6，第一堵头6优选为钢球，钢球可沿浆料输送通道的上端进入第二流道31中并关闭第二流道31。

如图2-7所示，第一灌浆接头2的两端部中空且外圆周设有螺纹，两端部分别与中空钻杆1和转化接头3螺纹连接。

第一灌浆接头2中部为实心结构，该实心结构开设有贯穿上下两个端面的通孔，通孔与上下两端的内腔连通形成第一流道21。

该实心结构的侧壁上开设凹槽22，凹槽22的底壁开设有与第一流道21连通的第一出浆孔23，喷嘴7的一端置于第一出浆孔23中，喷嘴7的另一端置于凹槽22中。喷嘴7通过一螺母8与第一灌浆接头2固定。

喷嘴7通过螺母固定在第一灌浆接头2上作为高压喷射时的出浆孔，可使浆液在高压下通过第一灌浆接头2形成高压喷射流对土体进行有效的冲击和切削，高压为20～25MPa，喷嘴材料采用碳化钛镍钼合金，硬度要达到HRA＝90～95，孔内光洁度Ra＝0.05～0.008μm，内径为2～3mm，壁厚为1～2mm，第一灌浆接头2内部进浆面为凹弧面，且出浆通道直径为第一灌浆接头2直径的一半，与上部中空钻杆1连接的螺纹管长度为8～12cm，与下部转化接头3连接的螺纹管长度为10～15cm。

如图8-10所示，转化接头3的两端部中空且内圆周设有螺纹，两端部分别与第一灌浆接头2和第二灌浆接头4螺纹连接。

转化接头3中部为实心结构以形成关闭第二流道31的密封件32，该实心结构开设有贯穿其上下两个端面的通孔321，通孔321下部的直径小于第一堵头6的直径。该通孔呈漏斗形结构，便于第一堵头6卡入。进行低高压灌浆功能转换时，只需将特制钢球投入灌浆管内，特制钢球会受重力作用落入通孔321中，封闭向下的出浆通道，实现低高压灌浆功能的转换。

具体地，钻灌一体结束后，进行低压灌浆向高压灌浆转换时，无需提管，经钻机立轴灌浆管水龙头或灌浆管孔口卸开接头，向钻具结构的浆料输送通道内投放特制直径的钢球，使特制钢球在重力作用下落入转化接头3的通孔321内，单向封闭多功能钻头的出浆通道，使浆液只能从第一灌浆接头喷出，从而实现低高压灌浆功能转换。其中钻进时低压注浆压力为 1～3MPa，提钻时的高压旋喷灌浆20～25MPa。

转化接头3的进浆面为凹弧面，特制钢球直径为15～20mm，通孔321直径需要比特制钢球的直径大2～3mm，出浆通道直径要比特制钢球直径小5～8mm，直径大于钢球的部分的长度为2～3cm，出浆通道长度为3cm，与上部第一灌浆接头2连接的螺纹管长度为10～15cm，与下部第二灌浆接头4连接的螺纹管长度为8～12cm。

如图11-13所示，第二灌浆接头4包括套管42和单向结构41，单向结构41可自动控制静压浆体单向进入第四流道51。

如图14所示，套管42的上端设有与转化接头3相连的外螺纹，套管42的下端部设有内螺纹。

如图11所示，单向结构41的上部伸入套管42的内腔中，单向结构41上部的下端通过外螺纹与套管42固连，单向结构41下部伸出套管42外并与钻头5相连，单向结构41下端部伸入钻头5的第四流道51中。

单向结构41中开设有上流道411和下流道412，上流道411的上下两端均封闭，下流道 412的上端封闭，下流道412的下端与第四流道51连通，向结构41的侧壁上部开设有第一槽414和第二槽419，第一槽414和第二槽419相对设置，第二槽419沿中空钻杆1的轴线方向延伸至单向结构41的上端面，第二槽419的底壁上开设有第一孔413，第一孔413与套管42内腔和上流道411均连通。第一槽414的槽壁与套管42内壁围合形成分流道418，第一槽414的底壁上开设有与上流道411连通的第二孔415，以及与下流道412连通的第三孔 416，第二孔415位于第一孔413的上方，上流道411中设有第二堵头417，第二堵头417为活动钢球，第二堵头417可在静压浆体的推动下上下移动以使第一孔413和第二孔415连通或断开连通；套管42内腔、第一孔413、上流道411、第二孔415、分流道418和下流道412 连通时形成第三流道43。

钻进过程中，静压浆料从第一孔流入上流道中，推动第二堵头向上运动，从而使得第一孔和第二孔连通，静压浆料经第三流道、第四流道流出，对周围土体渗透同时起到泥浆护壁的作用可有效防止塌孔。如出现返浆现象，返回的浆料从第二孔流入上流道中，推动第二堵头向下运动，活动钢球将因重力与浆液推力使活动钢球将通道封闭，从而阻止浆液上流，防止出现管内返浆。套管42与上部转化接头3连接的螺纹管长度为8～12cm，单向结构41与下部多功能钻头5连接的螺纹管长度为6～10cm。

如此，单向结构41可控制浆液只允许自上向下流出浆液，不允许浆液自下向上流出，可防止低压灌浆时出现管内返浆。

如图15所示，钻头5包括连接部52和设于连接部52下端的刀头部53，连接部52的上端与第二灌浆接头4连接，刀头部53的下端设有三个切割刀片531和两个钻齿532，三个切割刀片531和两个钻齿532均围绕钻头5的中心轴线周向间隔均布，两个钻齿532设于三个切割刀片531围合形成的空间内。

第四流道51开设于连接部52中，刀头部53的底端面上开设有与第四流道51连通的第二出浆孔533。第二出浆孔533设有三个，多个第二出浆孔533围绕钻头5的中心轴线周向间隔布置，第二出浆孔533与切割刀片531交替设置。

三片切割刀片531在向下钻进时对土体进行破坏，三个第二出浆孔533为低压灌浆时的出浆孔，从而实现边钻边灌的功能。低压为1～3MPa，其出浆孔直径为8～12mm，刀翼长度为3～6cm，平均厚度为1.5cm，多功能钻头长度为10～15cm，与上部第二灌浆接头4连接的螺纹管长度为6～10cm。

实施案例1

已建堤防原设计防洪标准为20～30年一遇的洪水防洪标准，主体结构为浆砌石防洪墙结构,需对防洪堤进行加高改造。

根据工程地质勘察成果，地层依次为填土—砂砾层—强风化粉砂岩—弱风化粉砂岩，地下水位高程为28.10m。设计部门提出通过低高压复合灌浆对地基进行防渗加固，设计桩径为 600mm，桩长为10m，桩间距为1m，采用梅花形布桩共三排，排距为1m，施工时采用跳孔灌浆，设计灌浆参数见表1。

表1：灌浆参数表

浆液材料：钻进过程中为低压灌浆采用稳定浆液，稳定浆液由水泥：水：膨润土：纯碱配比组成，提钻过程中高压旋喷采用触变浆液，触变浆液由水泥：水：膨润土：膏浆剂：纯碱配比组成。

在灌浆施工过程中首先进行钻灌一体工艺，采用与钻具结构同级的灌浆管在脉动压力为 2.0MPa下满眼回转钻进，配合水泥稳定浆液钻灌一体脉冲灌浆，钻灌一体过程中多功能钻头的三片刀翼对土体进行破坏钻进造孔，水泥稳定浆液在低压脉冲的作用下从三个第二出浆孔出浆对周围土体渗透同时起到泥浆护壁的作用可有效防止塌孔，在进行钻灌一体的过程中通过低压灌浆不返浆控制器可防止浆液出现管内返浆。

钻灌一体结束后，经钻机立轴灌浆管水龙头或灌浆管孔口卸开接头，向钻具机组内投放特制直径的钢球，使小球落入转化接头的通孔内，单向封闭多功能钻头的出浆通道，实现低高压灌浆功能转换。

低高压灌浆功能转换完成后转换为向上提管并进行高压喷挤灌浆，工艺采用触变膏浆在高压22MPa脉动作用下喷射浆液，因转化接头已完成低压向高压的转换，向下的出浆通道被封闭，触变膏浆只能通过第一灌浆接头形成高压喷射流对土体进行冲击、切削从而使浆液与土体颗粒形成有效的固结体，按照设计的灌浆参数边喷边提管，直到到达设计高度完成对地基进行防渗和加固。

灌浆效果检测：旋喷桩钻芯检测在桩身成桩满足28天后进行，钻孔位置在距旋喷桩桩中心10～15cm处。根据所取芯样外观质量，桩身强度、桩长，喷粉(浆)是否均匀一级有无断粉现象，芯样的完整性，所取芯样的柱状取芯率等情况，判断旋喷桩完整性和质量情况，检测结果见表2。通过注水试验测定旋喷桩的渗透系数，判断旋喷桩防渗性能，检测结果见表3。

表2高喷桩质量检测结果表

表3防渗旋喷桩注水试验检测结果表

检测结论：所检区域的无返浆高压旋喷桩的桩径通过现场开挖法量测桩头部位，桩长通过现场对芯样进行量测，经观察，如图16所示，旋喷桩质量良好，水泥含量均匀，胶结良好，芯样多呈短柱状，仅局部深度呈饼状。桩长、桩径满足设计及规范要求，合格率为100％。每根桩上、下取2组芯样进行无侧限抗压强度试验，无侧限抗压强度≥2.6MPa，抗压强度满足设计及规范要求，合格率为100％。桩承载力》210kpa，符合设计要求，所检的无返浆高压旋喷桩通过现场进行注水试验，所有旋喷桩的渗透系数均满足设计要求的5×10^{- 5}cm/s，满足要求，合格率为100％。

整个施工过程高效便捷，绿色环保，节约资源，证明本发明完美的适用于低高压复合灌浆技术，大大简化了灌浆的施工过程，提升了灌浆的效率，灌浆效果检测结果优良。

实施案例2

根据工程地质勘察成果，地层依次为填土—粘性土—砂砾层—强风化板岩地下水位高程为28.36m。设计部门提出通过低高压复合灌浆对地基进行防渗加固，设计桩径为600mm，桩长为6m，桩间距为1m，采用梅花形布桩共三排，排距为1m，施工时采用跳孔灌浆，设计灌浆参数见表4。

表4灌浆参数表

浆液材料：钻进过程中为低压灌浆采用稳定浆液，稳定浆液由水泥：水：膨润土：纯碱配比组成，提钻过程中高压旋喷采用触变浆液，触变浆液由水泥：水：膨润土：膏浆剂：纯碱配比组成。

在灌浆施工过程中首先进行钻灌一体工艺，采用与钻具机组同级的灌浆管在脉动压力为 2.5MPa下满眼回转钻进，配合水泥稳定浆液钻灌一体脉冲灌浆，钻灌一体过程中多功能钻头的三片刀翼对土体进行破坏钻进造孔，水泥稳定浆液在低压脉冲的作用下从三个第二出浆孔出浆对周围土体渗透同时起到泥浆护壁的作用可有效防止塌孔，在进行钻灌一体的过程中通过低压灌浆不返浆控制器可防止浆液出现管内返浆。

钻灌一体结束后，经钻机立轴灌浆管水龙头或灌浆管孔口卸开接头，向钻具机组内投放特制直径的钢球，使小球落入转化接头的通孔内，单向封闭多功能钻头的出浆通道，实现低高压灌浆功能转换。

低高压灌浆功能转换完成后转换为向上提管高压喷挤灌浆，工艺采用触变膏浆在高压 25MPa脉动作用下喷射浆液，因转化接头已完成低压向高压的转换，向下的出浆通道被封闭，触变膏浆只能通过第一灌浆接头形成高压喷射流对土体进行冲击、切削从而使浆液与土体颗粒形成有效的固结体，按照设计的灌浆参数边喷边提管，直到到达设计高度完成对地基进行防渗和加固。

灌浆效果检测：旋喷桩钻芯检测在桩身成桩满足28天后进行，钻孔位置在距旋喷桩桩中心10～15cm处。根据所取芯样外观质量，桩身强度、桩长，喷粉(浆)是否均匀一级有无断粉现象，芯样的完整性，所取芯样的柱状取芯率等情况，判断旋喷桩完整性和质量情况。检测结果见表5。通过注水试验测定旋喷桩的渗透系数，判断旋喷桩防渗性能，检测结果见表6。

表5高喷桩质量检测结果表

表6防渗旋喷桩注水试验检测结果表

检测结论：所检区域的无返浆高压旋喷桩的桩径通过现场开挖法量测桩头部位，桩长通过现场对芯样进行量测，经观察，如图17所示，旋喷桩质量良好，水泥含量均匀，胶结良好，芯样多呈短柱状，仅局部深度呈饼状。桩长、桩径满足设计及规范要求，合格率为100％。每根桩上、下取2组芯样进行无侧限抗压强度试验，无侧限抗压强度≥2.6MPa，抗压强度满足设计及规范要求，合格率为100％。桩承载力》210kpa，符合设计要求。所检的无返浆高压旋喷桩通过现场进行注水试验，所有旋喷桩的渗透系数均满足设计要求的5×10^{- 5}cm/s，满足要求，合格率为100％。

整个施工过程高效便捷，绿色环保，节约资源，证明本发明完美的适用于低高压复合灌浆技术，大大简化了灌浆的施工过程，提升了灌浆的效率，灌浆效果检测结果优良。

以上所述，仅是本申请的较佳实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。