CN103556628A - 螺旋锥体挤土桩施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及螺旋锥体挤土桩施工方法及螺旋锥体挤土钻头。本发明在岩土层直接进行挤扩，避免由于不同岩土层之间挤扩稳定性不好，造成桩孔内坍落。本发明的成孔是通过大扭矩动力头、加压装置、标准钻杆和螺旋锥体挤土钻头，向下顺时针旋转钻进，螺旋锥体挤土钻头中的下部分锥体结构在岩土层直接进行挤扩钻孔，是主要挤土部分，上部分柱体结构进行辅助挤土，保证孔径和孔内不坍落；向上顺时旋转提升时，钻头上部分柱体结构对已挤扩成的孔进行再次挤扩，防止缩径。在上旋提升同时，启动混凝土输送泵向桩孔内压灌桩材。本发明的方法承载力更高、沉降量更小、桩质量更好、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。
Description
技术领域
本发明涉及一种在土木工程领域，用于成桩基础的螺旋锥体挤土桩施工方法及螺旋锥体挤土钻头。
背景技术
在建筑基础施工领域中，桩基础的成桩方法，可分为排土桩和非排土桩。
排土桩如长螺旋CFG，冲击钻和回转钻正反循环等施工方法，具有所成的桩承载力低，成本造价高，清理排土和废弃泥浆费用高等缺点。
非排土桩有预制桩和现浇桩两大类。预制桩具有制造设备昂贵，生产成本高，桩身长、运输困难，只适用于软土层和小桩径等缺点。现浇桩有螺杆桩和双向螺旋挤扩桩。螺杆桩要求成桩设备同步性控制的技术高，对于有土层和软硬变化的不确定性和非均匀性，很难保证成桩岩土螺牙的不挠动，会形成虚假螺牙，降低桩的承载力，并且无法应用于坚硬地层。双向螺旋挤扩桩采用先钻后挤的成孔方法，下旋钻进过程中，利用双向螺旋挤扩钻头中柱体螺旋钻头部分将土体旋钻出来，并通过螺旋叶片由下而上运送到锥体芯管部分，通过锥体芯管逐渐将土体挤入桩孔侧壁，存在的主要问题是先将土旋挖出来再向上运输再向两侧的桩壁挤压，因此对于比较复杂的地层如黏土层和夹砾石层，旋钻出来岩土会阻塞螺旋叶片所形成的运输通路，容易产生憋钻现象；由于地层的不同，经过先钻后挤所形成的桩孔，往往在原地层与被挤压土体间稳定性差，会出现坍落现象，严重会埋钻。
发明内容
本发明的目的是提供一种成桩过程不旋土直接挤扩成桩，所成的桩承载力高、沉降量小、桩质量好、成本低、能耗少，工效高、不易憋钻，环保，能够穿透各种复杂土层，并能在各种地质条件下施工作业的螺旋锥体挤土桩施工方法。
本发明的另一目的是提供一种适用于本发明螺旋锥体挤土桩施工方法的螺旋锥体挤土钻头。
本发明采用的技术方案是：螺旋锥体挤土桩施工方法，包括如下步骤：
一、钻机就位，螺旋锥体挤土钻头对准桩位；
二、加压：启动钻机的动力头和加压卷扬机，对标准钻杆和螺旋锥体挤土钻头施加顺时针方向的扭矩和竖直向下压力，利用螺旋锥体挤土钻头进行钻进挤扩成孔，在下旋挤扩成孔过程中，土体不被旋钻出来，通过螺旋锥体挤土钻头的螺旋锥体结构部分对土体直接径向偏下挤扩，螺旋锥体挤土钻头的螺旋柱体结构，通过柱体叶片对已挤扩成的桩孔壁进行二次挤压；
三、提升：通过钻机的动力头和提升卷扬机，对标准钻杆和螺旋锥体挤土钻头施加顺时针方向的扭矩和竖直向上拉力，螺旋锥体挤土钻头的螺旋柱体结构部分对已成的桩孔进行再次挤压，直至将钻头稳步上旋提升至地表；在此过程中启动混凝土泵，混凝土经过中空钻杆和钻头对桩孔进行灌注至桩顶设计标高。
本发明的方法，还包括通过振动器将钢筋笼插入挤土桩中，完成螺旋锥体挤土钻头挤土桩施工。
本发明中，匹配动力头额定转矩为350~450KN·m，转速为4~12r/min，加压和提升力分别为300~400KN和700~800KN，下旋钻进速度为0.5~3.5m/min。
一种用于上述螺旋锥体挤土桩施工方法的螺旋锥体挤土钻头，由螺旋柱体结构和螺旋锥体结构构成一体结构；所述的螺旋柱体结构是柱体芯管一端设有钻头接头，柱体芯管外缘设有螺旋柱体叶片；所述的螺旋锥体结构是锥体芯管下端通过销轴连接钻头门，锥体芯管的外缘设有螺旋锥体叶片。
上述的螺旋锥体挤土钻头，螺旋柱体叶片上均匀设有若干缺口。
上述的螺旋锥体挤土钻头，螺旋柱体叶片的截面为四边形，两个侧边与柱体芯管的夹角分别为φ=45~50°，ω=65~70°。
上述的螺旋锥体挤土钻头，锥体芯管的锥度为α=5~8°。所述的锥度是指锥体芯管的侧壁与中心轴之间的夹角。
上述的螺旋锥体挤土钻头，螺旋锥体叶片的截面为四边形，两个侧边与锥体芯管的夹角分别为β=65~70°；γ=55~60°。
上述的螺旋锥体挤土钻头，螺旋柱体叶片之间的距离H=350~420mm，螺旋锥体叶片之间的距离h=(0.7~0.8)H。
本发明的有益效果是：① 技术优势：成桩质量可控可靠，桩侧和桩端土体挤扩，桩间土体具有挤密效应，桩承载力高、沉降量小，成桩效率高。②成本优势：桩单体积承载力高，成桩效率高、不排土，节省混凝土用量。③ 环保优势：无泥浆外排污染，无渣土外运，无施工扬尘，不需要存土场地，成桩无噪音、无振动，节约混凝土原材料。④ 适用范围广：适用土层包括淤泥质黏土、黏性土、粉土、砂土、含小砾石黏性土、黄土和强风化土等，可广泛用于交通工程、工业与民用建筑工程领域。⑤ 本发明的方法在下旋挤扩成孔过程中，螺旋锥体挤土钻头的螺旋锥体结构部分对土体直接径向偏下挤扩成孔，杜绝了现有技术中双向螺旋挤扩桩钻进挤扩成孔过程中，土体先被旋钻出来，再通过螺旋叶片被运输到上面再逐步挤扩而造成的不同岩层土体间挤压稳定性差，而出现坍孔现象。同时也杜绝了双向螺旋挤扩桩钻进挤扩成孔过程中，在复杂岩层中被旋钻出来的土体，通过螺旋叶片由下而上作螺旋运动过程中经常被运动中的砾石、泥岩等堵死，产生憋钻现象。⑥ 螺旋锥体挤土钻头的柱体结构，通过柱体叶片对已挤扩成的桩孔壁进行二次挤压。根据不同岩层选择柱体结构的长度，缩径偏大的岩层选择较长的柱体结构，确保已挤扩成的桩孔符合设计要求，直到桩孔设计深度。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是螺旋柱体叶片的结构示意图。
图3是螺旋柱体叶片的俯视图。
图4是螺旋锥体叶片的结构示意图。
图5是螺旋锥体叶片的俯视图。
图6是螺旋柱体叶片表面土体受力示意图。
图7是螺旋柱体叶片缺口表面土体受力示意图。
图8是螺旋锥体芯管表面土体受力示意图。
图9是螺旋锥体叶片表面土体受力。
具体实施方式
实施例1 螺旋锥体挤土桩施工方法
（一）螺旋锥体挤土钻头
如图1所示，螺旋锥体挤土钻头，由螺旋柱体结构（10）和螺旋锥体结构（20）构成一体结构。
螺旋柱体结构（10）是：柱体芯管（11）一端设有钻头接头（12），柱体芯管（11）外缘设有螺旋柱体叶片（13）。如图2-3所示，螺旋柱体叶片（13）上均匀设有若干缺口（14）。如图6所示，螺旋柱体叶片（13）的截面为四边形，两个侧边与柱体芯管（11）的夹角分别为φ=45~50°，ω=65~70°。螺旋柱体叶片（13）为等高的叶片。螺旋柱体叶片（13）之间的距离H=350~420mm。螺旋柱体结构（10）的外缘直径D=300~700mm；柱体芯管（11）的直径d=(0.65~0.75)D。
螺旋锥体结构（20）是：锥体芯管（21）下端通过销轴（22）连接钻头门（23），锥体芯管（21）的外缘设有螺旋锥体叶片（24）。如图3-4所示，螺旋锥体叶片（24）为等高的叶片。如图8所示，锥体芯管（21）的锥度为α=5~8°（锥度是指锥体芯管的侧壁与中心轴之间的夹角）。如图9所示，螺旋锥体叶片（24）的截面为四边形，两个侧边与锥体芯管（21）的夹角分别为β=65~70°；γ=55~60°。螺旋锥体叶片（24）之间的距离h=(0.7~0.8)H。
（二） 螺旋锥体挤土桩施工方法
1) 钻机就位，螺旋锥体挤土钻头对准桩位；
2) 加压：启动钻机的动力头和加压卷扬机，对标准钻杆和螺旋锥体挤土钻头施加顺时针方向的扭矩和竖直向下压力，利用螺旋锥体挤土钻头进行钻进挤扩成孔，在下旋挤扩成孔过程中，土体不被旋钻出来，通过螺旋锥体挤土钻头的螺旋锥体结构部分对土体直接径向偏下挤扩，螺旋锥体挤土钻头的螺旋柱体结构，通过柱体叶片对已挤扩成的桩孔壁进行二次挤压；
3) 提升：通过钻机的动力头和提升卷扬机，对标准钻杆和螺旋锥体挤土钻头施加顺时针方向的扭矩和竖直向上拉力，螺旋锥体挤土钻头的螺旋柱体结构部分对已成的桩孔进行再次挤压，直至将钻头稳步上旋提升至地表；在此过程中启动混凝土泵，混凝土经过中空钻杆和钻头门对桩孔进行灌注至桩顶设计标高。
（三）本发明的挤土原理
钻头通过大扭矩动力头和加压装置及标准钻杆顺时针下旋钻进时，下部分螺旋锥体结构中锥体芯管、锥体叶片及钻头门都在作径向挤土运动，使钻头周围的土体受压并挤密，其中有很少的一部分土体通过锥体叶片被运到柱体结构部分。由于柱体叶片上有缺口，这部分土体又被柱体叶片挤压到桩孔内侧壁。在顺时针上旋提升过程中，钻头中螺旋柱体结构的叶片对已形成的桩孔进行再次挤压，防止缩径；在提升同时，启动混凝土输送泵，使混凝土通过动力头、钻杆中心管，直到钻头底部，并压开钻头门，然后注入到桩孔里。各部分挤土作用如下所示：
如图6所示，取柱体叶片三个外表面土体的三个小单元作受力分析，单元土体（30）在三个外表面上分别受到P、Q、R三个力作用，这三个力中P对土体产生径向偏上挤土作用，Q对土体产生径向挤土作用，R对土体产生径向偏下挤土作用。
如图7所示，取柱体叶片缺口处平面对土体小单元作受力分析，土体受到径向挤压力T的作用。
如图8所示，取锥体芯管表面土体的一个小单元作受力分析，单元土体受到垂直于锥体表面的力F，土体在力F的作用下，向径向偏下方挤压，形成挤土效果。
如图9所示，取锥体叶片三个外表面土体的小单元作受力分析，三个小单元土体在三个外表面受到的力分别为G、M、N，力G使土体径向偏上运动，力M使土体径向偏下运动，力N使土体径向偏下运动，力G使少量土体沿锥体叶片向上移动到柱体叶片，被柱体叶片挤压到桩孔内侧壁。
在实际应用中，根据不同的岩土层调整各参数值。对于砂土层，β、φ值应取大些，γ、ω值应取小些；对于塑性较大的黏土层，螺旋柱体结构长度取大值。
Claims (7)
1.螺旋锥体挤土桩施工方法，其特征在于步骤如下：
一、钻机就位，螺旋锥体挤土钻头对准桩位；
二、加压：启动钻机的动力头和加压卷扬机，对标准钻杆和螺旋锥体挤土钻头施加顺时针方向的扭矩和竖直向下压力，利用螺旋锥体挤土钻头进行钻进挤扩成孔，在下旋挤扩成孔过程中，土体不被旋钻出来，通过螺旋锥体挤土钻头的螺旋锥体结构部分对土体直接径向偏下挤扩，螺旋锥体挤土钻头的螺旋柱体结构，通过柱体叶片对已挤扩成的桩孔壁进行二次挤压；
三、提升：通过钻机的动力头和提升卷扬机，对标准钻杆和螺旋锥体挤土钻头施加顺时针方向的扭矩和竖直向上拉力，螺旋锥体挤土钻头的螺旋柱体结构部分对已成的桩孔进行再次挤压，直至将钻头稳步上旋提升至地表；在此过程中启动混凝土泵，混凝土经过中空钻杆和钻头门对桩孔进行灌注至桩顶设计标高。
2.一种用于权利要求1所述的螺旋锥体挤土桩施工方法的螺旋锥体挤土钻头，其特征在于：由螺旋柱体结构（10）和螺旋锥体结构（20）构成一体结构；所述的螺旋柱体结构（10）是柱体芯管（11）一端设有钻头接头（12），柱体芯管（11）外缘设有螺旋柱体叶片（13）；所述的螺旋锥体结构（20）是锥体芯管（21）下端通过销轴（22）连接钻头门（23），锥体芯管（21）的外缘设有螺旋锥体叶片（24）。
3.如权利要求2所述的螺旋锥体挤土钻头，其特征在于：螺旋柱体叶片（13）上均匀设有若干缺口（14）。
4.如权利要求2或3所述的螺旋锥体挤土钻头，其特征在于：螺旋柱体叶片（13）的截面为四边形，两个侧边与柱体芯管（11）的夹角分别为φ=45~50°，ω=65~70°。
5.如权利要求2或3所述的螺旋锥体挤土钻头，其特征在于：锥体芯管（21）的锥度为α=5~8°。
6.如权利要求2或3所述的螺旋锥体挤土钻头，其特征在于：螺旋锥体叶片（24）的截面为四边形，两个侧边与锥体芯管（21）的夹角分别为β=65~70°；γ=55~60°。
7.如权利要求2或3所述的螺旋锥体挤土钻头，其特征在于：螺旋柱体叶片（13）之间的距离H=350~420mm，螺旋锥体叶片（24）之间的距离h=(0.7~0.8)H。
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