CN100570122C - 双向螺旋挤扩桩施工方法及双向螺旋封闭挤扩钻头 - Google Patents

Abstract

一种双向螺旋挤扩桩施工方法及双向螺旋封闭挤扩钻头，此施工方法包括利用双向螺旋封闭挤扩钻头钻进挤扩成孔，向下旋钻挤扩成孔中被旋钻出来土体会被挤入桩孔侧壁中，然后使双向螺旋封闭挤扩钻头向上运动并再次旋转挤扩桩孔，在向上旋转挤扩提升中桩孔内坍落土体会被挤入桩孔侧壁中，在上旋提升同时，启动混凝土泵向桩孔内压灌桩材。双向螺旋封闭挤扩钻头，包括连接杆，连接杆下部从下至上依次同轴地套装有或一体地制有下螺旋挤扩体、封闭挤扩体和动密封挤扩体。其目的在于提供一种承载力更高、沉降量更小、质量更好、成本更低、能耗更少、工效更高、更加环保，并能在各种地质条件下施工作业的双向螺旋挤扩桩施工方法及双向螺旋封闭挤扩钻头。

Description

双向螺旋挤扩桩施工方法及双向螺旋封闭挤扩钻头

技术领域

本发明涉及一种应用于土木工程领域的双向螺旋挤扩桩施工方法及双向螺旋封闭挤扩钻头。

背景技术

在土木工程领域中，现代桩基础根据成桩方法对土层的影响可以分为非挤土桩、部分挤土桩和完全挤土桩三大类。由于非挤土桩存在着诸多的技术、成本和环保方面的问题，岩土工程界一直致力于开发新型的挤土桩，特别是螺旋挤土桩，因为这种螺旋挤土桩的施工方法同非挤土桩相比，除具有明显的技术和成本优势之外，还具有无泥浆、无渣土、无振动、低噪音等环保方面的优势。截至目前的开发工作主要是建立在长螺旋钻孔灌注桩工法(即CFA工法)、日本钢纤维全螺纹混凝土预制桩工法，以及德国Pfleiderer Verkehrstechnik GmbH&Co.公司的半螺纹中空预应力混凝土预制桩(即Europile)工法基础之上的。其中有代表性的研发有下述几项：

①专利号为ZL96119602.5的灌注螺纹桩成桩工艺；

②专利号为ZL01250189.1的螺纹钻杆；

③专利号为ZL01240059.9的螺纹桩桩机；

④专利号为ZL02138738.9的螺纹桩桩机联动机构；

⑤专利号为ZL200410013038.9的螺纹桩桩机卷扬牵引机构；

⑥专利号为ZL200310117711.9的半螺丝桩及其加工方法和装置；

⑦专利号为ZL03128265.2的半螺丝桩及其成桩工法。

以上七项专利分别阐述了全螺纹桩和半螺丝桩的钻杆、桩机设备与成桩工法。上述灌注全螺纹桩的主要特征是桩的螺纹占据了整个桩长，其成桩螺纹钻杆的中心管为等直径管，中心管外侧的钻杆螺纹等外径、等螺距。而上述半螺丝桩则由两部分组成，上部为直线型结构、下部为螺丝型结构，上下两部分外径尺寸相同。其中直线型部分占总桩长的1/3，螺丝型部分占总桩长的2/3。半螺丝桩的成桩钻杆的中心管为等直径管，其下部中心管外侧的钻杆螺纹等外径、等螺距。半螺丝桩分为现浇型和预制型两大类。

上述专利中的全螺纹桩、半螺丝桩及其成桩方法中存在着以下一些缺陷和问题，现在按照预制桩和现浇桩两大类分别加以说明。

1、预制全螺纹桩和预制半螺丝桩的缺陷与问题

——预制螺纹桩的制造设备复杂、昂贵；

——预制螺纹桩的制造、养护和连接工艺复杂，生产成本高；

——预制螺纹桩桩身较长，运输困难，运输成本高；

——预制螺纹桩打设动力要求高；

——预制半螺丝桩采用高频振动器沉桩方法，只能适用于软土地层和小直径短桩。

2、现浇全螺纹桩和半螺丝桩的缺陷与问题

——灌注全螺纹桩需要以成孔机械预成孔；

——为真正实现桩身具有2/3或全桩长螺纹，在桩的施工过程中必须采用复杂的同步技术与工艺；

——由于地层有土性和软硬变化的不确定性和非均匀性，很难保证桩螺纹生成过程中的瞬时同步，因此可能会导致部分桩螺纹难以按照设计要求成型；

——因为该两种成桩方法都采用等直径中心管和较长螺旋段的长螺旋钻，因而在成桩过程中会消耗较多的钻机动力，影响在相同地层、相同桩径条件下的钻进深度，并且无法应用于坚硬地层情况；

——在设计计算中如何界定全螺纹桩或半螺丝桩的有效直径尚无定论，若用螺旋外径作为桩的有效直径，可能会产生安全度方面的问题；若以中心管外径作为桩的有效直径则会造成桩承载力低估的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种承载力更高、沉降量更小、质量更好、成本更低、能耗更少、工效更高、更加环保，并能在各种地质条件下施工作业的双向螺旋挤扩桩施工方法及双向螺旋封闭挤扩钻头。

本发明的双向螺旋挤扩桩施工方法，包括以下步骤：

1)在安装有双向螺旋封闭挤扩钻头的桩工钻机就位后，启动桩工钻机施加顺时针方向的扭矩和向下的轴向压力，利用双向螺旋封闭挤扩钻头进行钻进挤扩成孔，在向下旋钻挤扩成孔过程中，被旋钻出来的土体，会做自下而上的螺旋运动并逐步被挤入桩孔侧壁，使挤扩后的桩孔直径符合设计要求，第一步桩孔机械挤扩过程将持续到桩孔达到设计深度；

2)当第一步桩孔机械挤扩完成后，启动桩工钻机施加顺时针方向的扭矩和向上的轴向提拉力，使双向螺旋封闭挤扩钻头向上运动并再次旋转挤扩桩孔，在向上旋转挤扩提升过程中，桩孔内上部坍落的土体会做自上而下的螺旋运动，并逐步被挤入桩孔侧壁中，以确保再次挤扩后的桩孔直径符合设计要求，第二步桩孔机械挤扩过程持续到双向螺旋封闭挤扩钻头被旋转提升到地表；

3)在双向螺旋封闭挤扩钻头开始向上旋转挤扩提升的同时，启动混凝土泵，向已完成挤扩的桩孔进行桩材的压灌，通过混凝土的压力挤扩，使已完成桩材压灌的桩段成桩直径符合设计要求，这一桩孔挤扩过程将持续到桩材压灌至桩顶设计标高为止，至此形成了双向螺旋挤扩桩。

本发明的双向螺旋挤扩桩施工方法，其中所述步骤1)中双向螺旋封闭挤扩钻头以4至14转/分的转速下旋钻孔，所述步骤2)中双向螺旋封闭挤扩钻头以1至4米/分的速度提升，所述步骤3)的桩材为混凝土桩材或水泥粉煤灰碎石桩材或尾矿砂浆桩材或水泥钢渣桩材中的一种，所述双向螺旋挤扩桩为圆柱形。

所述方法还包括：

4)在所述步骤3)制成的双向螺旋挤扩桩桩体中插入钢筋笼、钢筋束或型钢。

用于双向螺旋挤扩桩施工方法的双向螺旋封闭挤扩钻头，包括中空的连接杆，在连接杆的顶端设有连接法兰盘，其底端设有钻尖，所述连接杆的下部从下至上依次同轴地套装有或一体地制有下螺旋挤扩体、封闭挤扩体和动密封挤扩体，所述动密封挤扩体为横截面自下而上逐渐缩小的圆台体，动密封挤扩体的外侧壁设有左旋的动密封螺旋挤扩叶片，所述封闭挤扩体为圆柱体，所述下螺旋挤扩体为横截面自下而上逐渐增大的圆台体，下螺旋挤扩体的外侧壁设有右旋的下螺旋挤扩叶片，所述动密封螺旋挤扩叶片和所述下螺旋挤扩叶片的外径不大于所述封闭挤扩体的外径。

本发明的双向螺旋封闭挤扩钻头，其中所述下螺旋挤扩叶片的圈数为2圈以上。

本发明的双向螺旋封闭挤扩钻头，其中所述下螺旋挤扩叶片的螺距为等螺距或变螺距，其等螺距S_j的数学表达式为：

S_j＝α₁·D_max(j＝1，2，...，m)

式中，

S_j-从下至上第j个螺距的大小(mm)；

j-从下至上第j个螺距的顺序数；

α₁-等螺距的计算系数，其常用取值范围为0.5～1.2；

m-总螺距数；

D_max-封闭挤扩体的外径(mm)；

其变螺距S_j的数学表达式为：

S_j＝α₂·D_max    (j＝1)

S_j＝β_j·S_j-1    (j＝2，3，...，m)

式中，

${\mathrm{\β}}_j=1+\frac{j-1}{K\·m}$ (j＝2，3，...，m)

S_j-从下至上第j个螺距的大小(mm)；

j-从下至上第j个螺距的顺序数；

α₂-螺距S₁的计算系数，其常用取值范围为0.5～1.2；

β_j-从下至上第j个螺距的螺距增大系数；

K-与α₂值相关的调整系数，其常用取值范围为1.5～3.0；

m-总螺距数；

D_max-封闭挤扩体的外径(mm)。

所述动密封螺旋挤扩叶片的螺矩采用等螺矩，等螺矩S_j的数学表达式为：

S_j＝α₃·D_max  (j＝1，2，...，n)

式中，

S_j-从上至下第j个螺距的大小(mm)；

j-从上至下第j个螺距的顺序数；

α₃-等螺距的计算系数，其常用取值范围为0.4～1.0；

n-总螺距数；

D_max-封闭挤扩体的外径(mm)。

本发明的双向螺旋封闭挤扩钻头，其中所述下螺旋挤扩叶片的圈数为2至6圈，在下螺旋挤扩叶片的起始位置同平面内转过180°处设置半圈副螺旋叶片，副螺旋叶片的旋转方向和螺矩与下螺旋挤扩叶片相同，所述动密封螺旋挤扩叶片和所述下螺旋挤扩叶片的横截面为变截面四边形，其根部厚度大于顶部厚度，所述动密封螺旋挤扩叶片的外径比所述封闭挤扩体的外径小的范围在100mm以内，所述动密封螺旋挤扩叶片的螺旋圈数为1至4圈。

本发明的双向螺旋封闭挤扩钻头，其中在所述下螺旋挤扩叶片的底端和所述副螺旋叶片的底端分别安装有多个合金钻齿。

本发明的双向螺旋封闭挤扩钻头，其中所述钻尖为分离式钻尖，分离式钻尖包括圆形的连接盘，在连接盘的下表面设有刀头，连接盘上表面的中部具有圆柱形的凸台，在连接盘的边缘设有多个定位卡槽，每个定位卡槽分别与定位块相配合，每个定位块分别与所述下螺旋挤扩体外侧壁的下部固定相连，所述凸台插装在所述连接杆底端的孔内，凸台与连接杆中心孔之间的间隙采用密封用橡胶圈密封。

本发明双向螺旋封闭挤扩钻头，其中所述刀头包括两个大小不同的等腰三角形的大、小钻板，大、小钻板的底边朝上分别与所述连接盘固定相连，所述大、小钻板的板面呈十字形交叉连接，在大钻板底端固定有尖杆。

本发明双向螺旋封闭挤扩钻头，其中所述钻尖为连接式钻尖，在所述连接式钻尖的一侧或双侧设有压灌桩材的单向阀门。

本发明的双向螺旋挤扩桩施工方法及双向螺旋封闭挤扩钻头，与现有技术相比，本发明具有以下几项优点：

1.本发明的双向螺旋挤扩桩施工方法，在双向螺旋封闭挤扩钻头进行三步桩孔挤扩成孔过程中，利用双向螺旋封闭挤扩钻头在进钻和提钻时双向将原桩孔中的土体挤扩到桩孔的侧壁中，使得桩周土和桩端土被挤密的程度远远超过了现有的非挤土桩和挤土桩施工方法所能达到的程度，从而大幅度提高了桩侧土摩阻力和桩端土承载力。在处理复合桩基础、复合地基和地基加固工程时，本发明的双向螺旋封闭挤扩钻头在施工过程中，通过三步桩孔挤扩成孔关键技术，使桩间土受到侧向挤密，在此侧向挤密效应作用下，桩间土的强度与变形特性得到了极大改善，因此复合桩基础、复合地基和加固地基的承载与变形性能也得到了大幅度提高。

2.本发明的双向螺旋挤扩桩施工方法，由于双向螺旋封闭挤扩钻头能够在进钻和提钻时双向将桩孔中的土体挤压到桩孔的侧壁中，故能够在成桩过程中避免在非挤土桩工法中所出现的桩孔坍塌、泥浆护壁、桩底沉渣过厚和桩孔排土所引起的桩周土体应力释放所导致的向孔内的位移与强度衰减。在同样地层、同样桩径和同样桩长条件下，与钻孔桩、冲孔桩、旋挖桩或CFA桩等常用工程桩型相比，本发明的双向螺旋挤扩桩施工方法完成的圆柱形双向螺旋挤扩桩具有承载力更高、沉降量更小、质量更好、成本更低、能耗更少、工效更高、更加环保等显著优点。因此，本发明的双向螺旋挤扩桩施工方法具有突出的实质性特点和显著的技术进步。

3.本发明的双向螺旋挤扩桩施工方法解决了在背景技术中所指出的预制类和现浇类的全螺纹桩与半螺纹桩的以下缺陷与问题：预制螺纹桩的制造设备复杂、昂贵；预制螺纹桩的制造、养护和连接工艺复杂，生产成本高；预制螺纹桩桩身较长，运输困难，运输成本高；预制螺纹桩打设动力要求高；预制半螺丝桩采用高频振动器沉桩方法，只能适用于软土地层和小直径短桩。以及灌注全螺纹桩需要以成孔机械预成孔；为真正实现桩身具有2/3或全桩长螺纹，在桩的施工过程中必须采用复杂的同步技术与工艺；由于地层有土性和软硬变化的不确定性和非均匀性，很难保证桩螺纹生成过程中的瞬时同步，因此可能会导致部分桩螺纹难以按照设计要求成型；因为该两种成桩方法都采用等直径中心管和较长螺旋段的长螺旋钻，因而在成桩过程中会消耗较多的钻机动力，影响在相同地层、相同桩径条件下的钻进深度，并且无法应用于坚硬地层情况；在设计计算中如何界定全螺纹桩或半螺丝桩的有效直径尚无定论，若用螺旋外径作为桩的有效直径，可能会产生安全度方面的问题，若以中心管外径作为桩的有效直径则会造成桩承载力低估的问题。

4.采用本发明的双向螺旋封闭挤扩钻头的双向螺旋挤扩桩施工方法，具有高工效，一台桩工钻机日成桩量可以达到500至800延米。另外，本发明的双向螺旋挤扩桩施工方法及双向螺旋封闭挤扩钻头施工过程可控，成桩质量高，并能在各种地质条件下施工作业。

5.本发明的双向螺旋挤扩桩施工方法及双向螺旋封闭挤扩钻头可以实施垂直与倾斜的双向螺旋挤扩桩，因此扩大了双向螺旋挤扩桩施工方法的适用范围。

下面结合附图及实施例详述本发明。

附图说明

图1中的图1a～1f为本发明的双向螺旋挤扩桩施工方法的施工流程图；

图2为本发明的双向螺旋封闭挤扩钻头的一种实施方式的结构示意图的主视图；

图3为图2的剖视图；

图4为本发明的双向螺旋封闭挤扩钻头的另一种实施方式的结构示意图的主视剖面图；

图5为分离式钻尖的结构示意图的主视剖面图；

图6为连接式钻尖的结构示意图的主视剖面图。

具体实施方式

如图1中的图1a～1f所示，本发明的双向螺旋挤扩桩施工方法，包括以下施工步骤：

1)将安装有双向螺旋封闭挤扩钻头的桩工钻机按照公知的方法就位，准备好混凝土泵，并制备需要灌注的桩材。桩材为混凝土桩材或水泥粉煤灰碎石桩材或尾矿砂浆桩材或水泥钢渣桩材等的任意一种，水泥粉煤灰碎石桩材即CFG桩材。

2)在安装有双向螺旋封闭挤扩钻头的桩工钻机就位后，启动桩工钻机施加顺时针方向的扭矩和向下的轴向压力，利用双向螺旋封闭挤扩钻头进行钻进挤扩成孔，令双向螺旋封闭挤扩钻头以4转/分或6转/分或8转/分或10转/分或12转/分或14转/分的转速向下旋钻挤扩成孔，在此过程中，位于下螺旋挤扩体4侧壁下部的被旋钻出来的土体，会在下螺旋挤扩体4的下螺旋挤扩叶片12作用下做自下而上的螺旋运动并被逐步挤入桩孔的侧壁中或被挤向封闭挤扩体3的下端，随后被封闭挤扩体3挤入桩孔的侧壁中，挤扩后的桩孔直径应符合设计要求，双向螺旋封闭挤扩钻头的下旋机械挤扩成孔过程直至达到设计孔深为止。

3)当第一步桩孔机械挤扩完成后，启动桩工钻机施加顺时针方向的扭矩和向上的轴向提拉力，使双向螺旋封闭挤扩钻头向上运动并再次旋转挤扩桩孔，在向上旋转挤扩提升过程中，桩孔内位于封闭挤扩体3上方的动密封挤扩体2周围及上方的坍落土体，会在动密封挤扩体2的动密封螺旋挤扩叶片11作用下做自上而下的螺旋运动并被逐渐挤入挤扩桩桩孔的侧壁中或被挤向封闭挤扩体3的上端，随后被封闭挤扩体3挤入桩孔的侧壁中，以确保再次挤扩后的桩孔直径符合设计要求，第二步桩孔机械挤扩过程持续到双向螺旋封闭挤扩钻头的封闭挤扩体3被旋转提升到地表。

4)在双向螺旋封闭挤扩钻头开始上旋挤扩提升的同时，启动混凝土泵，向已完成挤扩的桩孔进行桩材的压灌，第三步桩孔压力挤扩是在混凝土泵的高压作用下进行的，通过混凝土的压力挤扩，可以使已完成桩材压灌的桩段能够确保成桩直径符合设计要求，这一桩孔压力挤扩过程将持续到桩材压灌至桩顶设计标高为止，至此形成了圆柱形的双向螺旋挤扩桩。

上述步骤3)中双向螺旋封闭挤扩钻头通常是以1米/分或2米/分或3米/分或4米/分的速度提升。

根据设计要求，还可以按照公知的方法在螺旋挤扩桩桩体中插入钢筋笼、钢筋束或型钢。

图1a表示安装有双向螺旋封闭挤扩钻头的桩工钻机及混凝土泵装备；图1b表示双向螺旋封闭挤扩钻头下旋挤扩成孔；图1c表示双向螺旋封闭挤扩钻头下旋挤扩成孔达到了设计深度，停止钻进；图1d表示双向螺旋封闭挤扩钻头上旋提钻并向桩孔中压灌混凝土；图1e表示向双向螺旋挤扩桩桩体内插入、压入或振入钢筋笼、钢筋束或型钢；图1f表示已实施完成的圆柱形的双向螺旋挤扩桩。

本发明的双向螺旋挤扩桩施工方法能施做的桩径从300至800mm，最大桩长可达36m，并可施作垂直桩或倾斜桩，桩工钻机动力头的输出扭矩须达到15至25t·m，最大可达45t·m。桩工钻机向下的轴向压力和向上的轴向提拉力要求达到20至40t。混凝土泵的输送压力要求大于5MPa，排量要求不小于30立方米/小时。

本发明的双向螺旋挤扩桩施工方法的适用地层广泛，包括回填土、砂土、粉土、软粘土、粉质粘土、粘土、黄土、砂砾土、砂卵石土以及强风化土层等，同时也适用于高地下水位的情况。

本发明实施完成的桩基础、复合桩基础、复合地基或地基处理与加固可以广泛应用于土木工程不同领域的各类工程，包括：高层与超高层民用住宅工程、商用建筑工程、工业厂房工程、交通工程、水电工程和环境工程等。

如图2和图3所示，本发明的双向螺旋封闭挤扩钻头，包括中空的连接杆1，在连接杆1的顶端设有连接法兰盘6，其底端设有钻尖5，连接杆1的下部从下至上依次同轴地套装有下螺旋挤扩体4、封闭挤扩体3和动密封挤扩体2，动密封挤扩体2为横截面自下而上逐渐缩小的中空的圆台体，动密封挤扩体2的外侧壁焊接有左旋的动密封螺旋挤扩叶片11，封闭挤扩体3为中空的圆柱体，下螺旋挤扩体4为横截面自下而上逐渐增大的中空的圆台体，下螺旋挤扩体4的外侧壁焊接有右旋的下螺旋挤扩叶片12。

如图4所示，上述连接杆1与动密封挤扩体2、封闭挤扩体3和下螺旋挤扩体4也可以是一体制成的结构，即采用精密铸造等公知的方法将连接杆1与动密封挤扩体2、动密封螺旋挤扩叶片11、封闭挤扩体3、下螺旋挤扩体4和下螺旋挤扩叶片12制成一体。

上述动密封螺旋挤扩叶片11和下螺旋挤扩叶片12的外径不大于封闭挤扩体3的外径，下螺旋挤扩叶片12的圈数为2圈以上。

下螺旋挤扩叶片12的螺距为等螺距或变螺距，其等螺距S_j的数学表达式为：

S_j＝α₁·D_max  (j＝1，2，…，m)

式中，

S_j-从下至上第j个螺距的大小(mm)；

j-从下至上第j个螺距的顺序数；

α₁-等螺距的计算系数，其常用取值范围为0.5～1.2，取值的大小与土性、粒径、桩径和转速有关，在通常情况下，如果土性较硬、沙石粒径较大、桩径较大或者转速较高时，所选取的数值也会较大，反之则选取较小的数值；

m-总螺距数；

D_max-封闭挤扩体3的外径(mm)；

下螺旋挤扩叶片12的螺距为变螺距S_j的数学表达式为：

S_j＝α₂·D_max  (j＝1)

S_j＝β_j·S_j-1  (j＝2，3，…，m)

式中，

${\mathrm{\β}}_j=1+\frac{j-1}{K\·m}$ (j＝2，3，…，m)

S_j-从下至上第j个螺距的大小(mm)；

j-从下至上第j个螺距的顺序数；

α₂-螺距S₁的计算系数，其常用取值范围为0.5～1.2，取值的大小与土性、粒径、桩径和转速有关，在通常情况下，如果土性较硬、沙石粒径较大、桩径较大或者转速较高时，所选取的数值也会较大，反之则选取较小的数值；

β_j-从下至上第j个螺距的螺距增大系数；

K-与α₂值相关的调整系数，其常用取值范围为1.5～3.0，当α₂的数值较大时，K选取较小的数值，反之则选取较大的数值；

m-总螺距数；

D_max-封闭挤扩体3的外径(mm)。

本发明的动密封螺旋挤扩叶片11的螺矩采用等螺矩，其等螺矩S_j的数学表达式为：

S_j＝α₃·D_max  (j＝1，2，...，n)

式中，

S_j-从上至下第j个螺距的大小(mm)；

j-从上至下第j个螺距的顺序数；

α₃-等螺距的计算系数，其常用取值范围为0.4～1.0；取值的大小与粒径和桩径有关，在通常情况下，如果砂石粒径较大或桩径较大时，所选取的数值也会较大，反之则选取较小的数值；

n-总螺距数；

D_max-封闭挤扩体3的外径(mm)。

本发明公开的变螺距S_j公式，是发明人在充分考虑了被旋钻出来土体体积的多少、土性、粒径、桩径、双向螺旋封闭挤扩钻头转速与螺旋叶片之间输送土体通道截面积的大小的关系等因素的基础上给出的。采用本发明公开的变螺距S_j公式设计的双向螺旋封闭挤扩钻头，其在钻进时不仅比现有的钻头钻进速度高，也更加节省钻机动力头的动力。

本发明的动密封螺旋挤扩叶片11和下螺旋挤扩叶片12由叶片根部至叶片顶部的高度W_si的数学表达式为：

W_si＝0.5×(D_Li-D_Ti)

式中，

W_si-螺旋叶片在钻头某一确定高度处的高度(mm)；

D_Li-螺旋叶片在钻头某一确定高度处的外径(mm)；

D_Ti-动密封挤扩体2或下螺旋挤扩体4在钻头某一确定高度处的外径(mm)。

下螺旋挤扩叶片12的圈数为2至6圈，在下螺旋挤扩叶片12的起始位置同平面内转过180°处设置半圈副螺旋叶片9，副螺旋叶片9的旋转方向和螺矩与下螺旋挤扩叶片12相同，动密封螺旋挤扩叶片11和下螺旋挤扩叶片12的横截面为变截面四边形，其根部厚度大于顶部厚度，上述动密封螺旋挤扩叶片11的外径比封闭挤扩体3的外径小的范围在100mm以内，上述动密封螺旋挤扩叶片11的螺旋圈数为1至4圈。

在下螺旋挤扩叶片12的底端和副螺旋叶片9的底端分别安装有多个合金钻齿10。

图5所示的钻尖5为分离式钻尖，分离式钻尖包括圆形的连接盘14，在连接盘14的下表面设有刀头，连接盘14上表面的中部具有圆柱形的凸台15，在连接盘14的边缘设有多个定位卡槽，每个定位卡槽分别与定位块17相配合，每个定位块17分别与下螺旋挤扩体4外侧壁的下部固定相连，凸台15插装在连接杆1底端的孔内，凸台15与连接杆1的中心孔之间的间隙采用密封用橡胶圈16密封。密封用橡胶圈16是为了防止桩孔中的水流入下螺旋挤扩体4的中心孔内。

刀头包括两个大小不同的等腰三角形的大、小钻板20、21，大、小钻板20、21的底边朝上分别与所述连接盘14固定相连、大、小钻板20、21的板面呈十字形交叉连接，在大钻板底端固定有尖杆22。在必要时，可以在大、小钻板20、21的下斜边上焊接固定多个合金钻齿。

分离式钻尖适用于土性较硬的地层，在钻孔完毕后，分离式钻尖会被丢弃在桩孔的底部，其具体过程是借助经由下螺旋挤扩体4中心的通孔灌注下去的混凝土将分离式钻尖顶离下螺旋挤扩体4的底端，并丢弃于桩孔底部。

图6所示的钻尖5为连接式钻尖，在连接式钻尖的一侧或双侧设有压灌桩材的单向阀门23，连接式钻尖适用于土性较硬的地层，在钻孔完毕后，可通过连接式钻尖上的压灌桩材的单向阀门23向桩孔内压灌混凝土。在必要时，可以在连接式钻尖的下斜边上焊接固定多个合金钻齿。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思前提下，本领域中的工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围内，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (10)

1.双向螺旋挤扩桩施工方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在安装有双向螺旋封闭挤扩钻头的桩工钻机就位后，启动桩工钻机施加顺时针方向的扭矩和向下的轴向压力，利用双向螺旋封闭挤扩钻头进行钻进挤扩成孔，在向下旋钻挤扩成孔过程中，被旋钻出来的土体，会做自下而上的螺旋运动并逐步被挤入桩孔侧壁，使挤扩后的桩孔直径符合设计要求，第一步桩孔机械挤扩过程将持续到桩孔达到设计深度；

2)当第一步桩孔机械挤扩完成后，启动桩工钻机施加顺时针方向的扭矩和向上的轴向提拉力，使双向螺旋封闭挤扩钻头向上运动并再次旋转挤扩桩孔，在向上旋转挤扩提升过程中，桩孔内上部坍落的土体会做自上而下的螺旋运动，并逐步被挤入桩孔侧壁中，以确保再次挤扩后的桩孔直径符合设计要求，第二步桩孔机械挤扩过程持续到双向螺旋封闭挤扩钻头被旋转提升到地表；

3)在双向螺旋封闭挤扩钻头开始向上旋转挤扩提升的同时，启动混凝土泵，向已完成挤扩的桩孔进行桩材的压灌，通过混凝土的压力挤扩，使已完成桩材压灌的桩段成桩直径符合设计要求，这一桩孔挤扩过程将持续到桩材压灌至桩顶设计标高为止，至此形成了双向螺旋挤扩桩。

2.如权利要求1所述的双向螺旋挤扩桩施工方法，其特征是：所述步骤1)中双向螺旋封闭挤扩钻头以4至14转/分的转速下旋钻孔，所述步骤2)中双向螺旋封闭挤扩钻头以1至4米/分的速度提升，所述步骤3)的桩材为混凝土桩材或水泥粉煤灰碎石桩材或尾矿砂浆桩材或水泥钢渣桩材中的一种，所述双向螺旋挤扩桩为圆柱形；

所述方法还包括：

4)在所述步骤3)制成的双向螺旋挤扩桩桩体中插入钢筋笼、钢筋束或型钢。

3.用于双向螺旋挤扩桩施工方法的双向螺旋封闭挤扩钻头，包括中空的连接杆(1)，在连接杆(1)的顶端设有连接法兰盘(6)，其底端设有钻尖(5)，其特征在于所述连接杆(1)的下部从下至上依次同轴地套装有或一体地制有下螺旋挤扩体(4)、封闭挤扩体(3)和动密封挤扩体(2)，所述动密封挤扩体(2)为横截面自下而上逐渐缩小的圆台体，动密封挤扩体(2)的外侧壁设有左旋的动密封螺旋挤扩叶片(11)，所述封闭挤扩体(3)为圆柱体，所述下螺旋挤扩体(4)为横截面自下而上逐渐增大的圆台体，下螺旋挤扩体(4)的外侧壁设有右旋的下螺旋挤扩叶片(12)，所述动密封螺旋挤扩叶片(11)和所述下螺旋挤扩叶片(12)的外径不大于所述封闭挤扩体(3)的外径。

4.如权利要求3所述的双向螺旋封闭挤扩钻头，其特征是：所述下螺旋挤扩叶片(12)的圈数为2圈以上。

5.如权利要求4所述的双向螺旋封闭挤扩钻头，其特征是：所述下螺旋挤扩叶片(12)的螺距为等螺距或变螺距，其等螺距S_j的数学表达式为：

S_j＝α₁·D_max(j＝1，2，…，m)

式中，

S_j-从下至上第j个螺距的大小(mm)；

j-从下至上第j个螺距的顺序数；

α₁-等螺距的计算系数，其取值范围为0.5～1.2；

m-总螺距数；

D_max-封闭挤扩体(3)的外径(mm)；

其变螺距S_j的数学表达式为：

S_j＝α₂·D_max(j＝1)

S_j＝β_j·S_j-1(j＝2，3，…，m)

式中，

${\mathrm{\β}}_j=1+\frac{j-1}{K\·m}$ (j＝2，3，…，m)

S_j-从下至上第j个螺距的大小(mm)；

j-从下至上第j个螺距的顺序数；

α₂-螺距S₁的计算系数，其取值范围为0.5～1.2；

β_j-从下至上第j个螺距的螺距增大系数；

K-与α₂值相关的调整系数，其取值范围为1.5～3.0；

m-总螺距数；

D_max-封闭挤扩体(3)的外径(mm)。

所述动密封螺旋挤扩叶片(11)的螺矩采用等螺矩，等螺矩S_j的数学表达式为：

S_j＝α₃·D_max(j＝1，2，…，n)

式中，

S_j-从上至下第j个螺距的大小(mm)；

j-从上至下第j个螺距的顺序数；

α₃-等螺距的计算系数，其取值范围为0.4～1.0；

n-总螺距数；

D_max-封闭挤扩体(3)的外径(mm)。

6.如权利要求5所述的双向螺旋封闭挤扩钻头，其特征是：所述下螺旋挤扩叶片(12)的圈数为2至6圈，在下螺旋挤扩叶片(12)的起始位置同平面内转过180°处设置半圈副螺旋叶片(9)，副螺旋叶片(9)的旋转方向和螺矩与下螺旋挤扩叶片(12)相同，所述动密封螺旋挤扩叶片(11)和所述下螺旋挤扩叶片(12)的横截面为变截面四边形，其根部厚度大于顶部厚度，所述动密封螺旋挤扩叶片(11)的外径比所述封闭挤扩体(3)的外径小的范围在100mm以内，动密封螺旋挤扩叶片(11)的螺旋圈数为1至4圈。

7.如权利要求6所述的双向螺旋封闭挤扩钻头，其特征是：在所述下螺旋挤扩叶片(12)的底端和所述副螺旋叶片(9)的底端分别安装有多个合金钻齿(10)。

8.如权利要求7所述的双向螺旋封闭挤扩钻头，其特征是：所述钻尖(5)为分离式钻尖，分离式钻尖包括圆形的连接盘(14)，在连接盘(14)的下表面设有刀头，连接盘(14)上表面的中部具有圆柱形的凸台(15)，在连接盘(14)的边缘设有多个定位卡槽，每个定位卡槽分别与定位块(17)相配合，每个定位块(17)分别与所述下螺旋挤扩体(4)外侧壁的下部固定相连，所述凸台(15)插装在所述连接杆(1)底端的孔内，凸台(15)与连接杆(1)中心孔之间的间隙采用密封用橡胶圈(16)密封。

9.如权利要求8所述的双向螺旋封闭挤扩钻头，其特征是：所述刀头包括两个大小不同的等腰三角形的大、小钻板(20、21)，大、小钻板(20、21)的底边朝上分别与所述连接盘(14)固定相连，所述大、小钻板(20、21)的板面呈十字形交叉连接，在大钻板底端固定有尖杆(22)。

10.如权利要求7所述的双向螺旋封闭挤扩钻头，其特征是：所述钻尖(5)为连接式钻尖，在所述连接式钻尖的一侧或双侧设有压灌桩材的单向阀门(23)。

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