CN103806840A - 单向螺旋半挤土钻头及单向螺旋半挤土桩施工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明单向螺旋半挤土钻头包括中空连接杆，其一端设有连接法兰盘，另一端附近设有钻尖，中空连接杆自靠近钻尖一端至法兰盘一端依次同轴套设下螺旋挤扩体、非封闭挤扩体和上输土螺旋钻杆，钻尖连接在下螺旋挤扩体端部，下螺旋挤扩体外壁上设有螺旋挤扩叶片，上输土螺旋钻杆外壁上设有旋转方向与挤扩叶片相同的螺旋上输土叶片，挤扩叶片的外径与上输土叶片的外径相同均为D1，非封闭挤扩体的最大外径为D2，下螺旋挤扩体的最大外径为D3，D3∠D2∠D1。应用该种钻头的单向螺旋半挤土桩施工工艺能够施工出高承载力、低成本、绿色环保的基桩，适用于包括坚硬岩土地层在内的各种复杂地层，有效减少了挤土负效应、桩身侧向位移等现象。

Description

单向螺旋半挤土钻头及单向螺旋半挤土桩施工工艺

技术领域

本发明涉及一种用于桩基工程领域的单向螺旋半挤土钻头及采用此种钻头施工的单向螺旋半挤土桩施工工艺。

背景技术

在现代桩基工程领域中，根据成桩对地层的影响类型将桩基技术分为排土桩、半挤土桩和全挤土桩三大类。在目前桩基市场中，排土桩占据大部分市场份额，少部分市场份额由全挤土桩占有。随着城镇化的大规模发展，钻孔桩、冲孔桩、旋挖桩、CFA桩等排土桩的技术缺陷和环境污染问题日益凸现。对于能够克服排土桩环境污染的全挤土桩，如静压管桩、打入方桩和完全挤土型螺旋挤扩桩等工法在桩基施工中又面临了新的技术难题，如施工中遇到坚硬岩土地层时无法将基桩压入、打入或钻入到设计地层中，无法保证设计桩长，此外，还可能带来难以避免的挤土负效应，产生地面隆起、开裂和桩身侧向位移等技术问题。为了能够克服排土桩和全挤土桩在施工过程中所经常遇到的上述技术瓶颈问题，本发明提出了新的技术思路和解决方案。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种单向螺旋半挤土钻头，应用该种钻头的单向螺旋半挤土桩施工工艺能够施工出高承载力、低成本、绿色环保的基桩，适用于包括坚硬岩土地层在内的各种复杂地层，能够有效减少挤土负效应、地面隆起、开裂和桩身侧向位移等现象。

本发明单向螺旋半挤土钻头，包括中空连接杆，中空连接杆的一端设有连接法兰盘，另一端附近设有钻尖，所述中空连接杆自靠近钻尖一端至法兰盘一端依次同轴套设有下螺旋挤扩体、非封闭挤扩体和上输土螺旋钻杆，所述钻尖连接在下螺旋挤扩体的端部，所述下螺旋挤扩体的外壁上设有螺旋挤扩叶片，所述上输土螺旋钻杆外壁上设有旋转方向与挤扩叶片相同的螺旋上输土叶片，所述挤扩叶片的外径与上输土叶片的外径相同均为D1，所述非封闭挤扩体的最大外径为D2，所述下螺旋挤扩体的最大外径为D3，D3∠D2∠D1。

本发明单向螺旋半挤土钻头，其中所述非封闭挤扩体呈椭球状，所述椭球的长轴与中空连接杆的轴线重合，椭球长轴方向的两端分别与上输土螺旋钻杆和下螺旋挤扩体相交，椭球的短半轴为a，长半轴为c，a≦c≦4a。

本发明单向螺旋半挤土钻头，其中所述钻尖与下螺旋挤扩体端部相连的侧壁上设有一个与中空连接杆相通的侧出料口，所述侧出料口设有单向阀门，侧出料口的横截面积大于中空连接杆的中空通道的横截面积。

本发明单向螺旋半挤土钻头，其中所述下螺旋挤扩体、非封闭挤扩体和上输土螺旋钻杆内部均中空，三者中空的通道均相连通，所述中空连接杆位于三者的中空通道中。

本发明单向螺旋半挤土钻头，其中所述非封闭挤扩体的外表面焊接有螺旋或竖向或水平向的硬质合金抗磨板。

本发明单向螺旋半挤土钻头，其中所述下螺旋挤扩体呈自连接钻尖一端至非封闭挤扩体一端逐渐增大的中空圆台状，或呈外径一致的圆筒状，所述上输土螺旋钻杆呈外径一致的圆筒状。

本发明单向螺旋半挤土钻头，其中所述挤扩叶片为加厚叶片，挤扩叶片的螺旋圈数不少于3圈，螺距S1可采用等螺距或变螺距，所述上输土叶片的厚度小于挤扩叶片的厚度，上输土叶片采用等螺距S2。

本发明单向螺旋半挤土钻头，其中所述上输土螺旋钻杆的外径为0.8D1～0.9D1，所述上输土叶片的螺距为0.8D1＜S2＜1.2D1。所述下螺旋挤扩体的挤扩叶片的螺距为0.4D1＜S1＜2D1。

本发明单向螺旋半挤土钻头，其中所述上输土螺旋钻杆外径为0.8D1，所述上输土叶片的螺距S2为0.9D1，所述挤扩叶片的螺距为0.5D1＜S1＜0.9D1。

本发明单向螺旋半挤土钻头，其中所述钻尖采取单翼两级渐扩式钻尖，包括第一级带有硬质合金截齿的先导钻尖和安装在最靠近钻尖的一圈挤扩叶片上的第二级截齿切削钻具，所述侧出料口位于先导钻尖和第二级截齿切削钻具之间。

本发明单向螺旋半挤土钻头，其中所述钻尖采用双翼三级渐扩式钻尖，包括第一级带有硬质合金截齿先导钻尖、位于先导钻尖和下螺旋挤扩体端部之间的第二级带有硬质合金斗齿切削钻具、安装在最靠近钻尖的一圈挤扩叶片上的第三级带有硬质合金斗齿切削钻具，所述侧出料口位于第二、第三级带有硬质合金斗齿切削钻具之间。

本发明单向螺旋半挤土桩施工工艺，使用上述单向螺旋半挤土钻头，包括以下步骤：

1)将安装有单向螺旋半挤土钻头的桩工钻机按照桩孔放线位置就位；

2）开动桩工钻机施加单向旋转扭矩和竖向压力，使得单向螺旋半挤土钻头匀速旋转下行，挤压土体成孔，被所述下螺旋挤扩体旋钻出来的土体，自下而上螺旋运动，大部分土体被非封闭挤扩体逐步挤压入桩孔侧壁，少部分土体通过非封闭挤扩体被所述上输土螺旋钻杆逐步输送到地表面，单向螺旋半挤土钻头下旋钻掘至桩孔设计深度；

3)当所成桩孔达到基桩设计深度后，仍保持桩工钻机施加与步骤2）同向的单向旋转扭矩，并施加提拉力，使单向螺旋半挤土钻头匀速旋转上行，同时启动混凝土泵，在混凝土泵的压力作用下，超流态混凝土经所述中空连接杆的中空通道、侧出料口向桩孔中压灌，所述钻头旋转上提及桩材压灌过程一直持续到桩材压灌至桩顶设计标高为止，形成直径为D1的圆柱形的半挤土灌注桩。

本发明单向螺旋半挤土钻头与现有技术不同之处在于本发明单向螺旋半挤土钻头设置非封闭挤扩体、上输土螺旋钻杆及叶片，上输土叶片及下螺旋挤扩体上的挤扩叶片的外径同为D1，D1与需要钻的桩孔的直径相同，设置非封闭挤扩体的最大外径为D2、下螺旋挤扩体的最大外径为D3，让D3∠D2∠D1，使得非封闭挤扩体与桩孔之间留有一定的间隙，这样在钻孔过程中，被下螺旋挤扩体及其挤扩叶片旋钻出来的土体向上运动，经过非封闭挤扩体时，很大一部分土体被挤压到孔侧壁中，少部分的土体则能够穿过非封闭挤扩体与孔壁之间的间隙运动到上输土螺旋钻杆处，在上输土叶片的旋转下带出地面，通过上述部分排土成孔工艺，降低了桩基施工对钻机输出扭矩的要求，提高了半挤土钻头对坚硬岩土地层的穿透能力，减少了全挤土灌注桩施工容易产生的挤土负效应风险，克服了静压管桩、打入方桩无法穿过坚硬岩土地层的技术难题，扩大了适用范围，同时由于设置了连续的上输土螺旋钻杆，运输的土体挤压孔壁，能够有效防止在饱水软粘土地层、动水地层以及松散易坍孔的粉细砂地层钻孔成桩施工过程中桩孔坍塌现象的发生，能够有效保证桩基础施工质量。

本发明单向螺旋半挤土桩施工工艺，和全挤土桩技术相比，能够大大提高施工效率，单台桩工钻机的日成桩量可以达到600至800延米，并且能够同时保障桩基施工的高效和高质量；和排土桩技术相比，能够将桩的承载力提高20﹪-50﹪，并且能够大大减少桩基施工的排土量和外运土量，实现了节能减排，绿色环保。

下面结合附图对本发明的单向螺旋半挤土钻头和单向螺旋半挤土桩施工工艺作进一步说明。

附图说明

图1为本发明单向螺旋半挤土钻头第一种实施方式的结构示意图；

图2为本发明单向螺旋半挤土钻头第一种实施方式的剖视图；

图3为本发明单向螺旋半挤土钻头第二种实施方式的结构示意图；

图4为本发明单向螺旋半挤土钻头第二种实施方式的剖视图；

图5为本发明使用单向螺旋半挤土钻头实施单向螺旋半挤土桩施工工艺流程图。

具体实施方式一

如图1、2所示，本实施方式单向螺旋半挤土钻头包括中空连接杆101，中空连接杆101的一端设有连接法兰盘102，另一端附近设有钻尖103，中空连接杆101自靠近钻尖一端至法兰盘一端依次同轴套设有下螺旋挤扩体104、非封闭挤扩体105和上输土螺旋钻杆106，钻尖103连接在下螺旋挤扩体104的端部。

下螺旋挤扩体104呈自连接钻尖一端至非封闭挤扩体一端逐渐增大的中空圆台状，下螺旋挤扩体104的外壁上设有螺旋挤扩叶片107。上输土螺旋钻杆106呈外径一致的中空圆筒状，上输土螺旋钻杆106外壁上设有旋转方向与挤扩叶片107相同的螺旋上输土叶片108，挤扩叶片和上输土叶片的旋转方向设为左旋或右旋均可，只要保持一致，但出于作业人员及传统施工配合的便利，优选设置为右旋。挤扩叶片107的外径与上输土叶片108的外径相同均为D1，D1与欲成桩孔直径相同，挤扩叶片107为加厚叶片，在挤扩叶片的外侧边缘焊接有均匀的硬质合金块，挤扩叶片107的螺旋圈数不少于3圈，本实施方式设置5圈，挤扩叶片的螺距S1采用变螺距，上输土叶片108的厚度小于挤扩叶片107的厚度，上输土叶片108的螺距S2采用等螺距，上输土螺旋钻杆106的外径为0.8D1～0.9D1，上输土叶片108的螺距为0.8D1＜S2＜1.2D1，挤扩叶片107的螺距为0.4D1＜S1＜2D1。

进一步的，优选设置上输土螺旋钻杆外径为0.8D1，上输土叶片的螺距S2为0.9D1，挤扩叶片的螺距为0.5D1＜S1＜0.9D1，可降低扭矩需求，降低成本。

非封闭挤扩体105的最大外径为D2，下螺旋挤扩体的最大外径为D3，D3∠D2∠D1。

进一步的，为降低扭矩需求，设置非封闭挤扩体105呈中空的椭球状，下螺旋挤扩体104、非封闭挤扩体105和上输土螺旋钻杆106三者中空的通道均相连通，椭球的长轴与中空连接杆101的轴线重合，椭球长轴方向的两端分别与上输土螺旋钻杆106和下螺旋挤扩体104相交，椭球的短半轴为a，长半轴为c，且a≦c≦4a。

进一步的，在非封闭挤扩体的外表面焊接有螺旋的硬质合金抗磨板110。

钻尖103采用单翼两级渐扩式钻尖，包括第一级带有硬质合金截齿的先导钻尖103a和安装在最靠近钻尖的一圈挤扩叶片上的第二级截齿切削钻具103b，提高钻尖的破土及扩孔钻掘能力，适用于坚硬岩土地层。在不影响混凝土压力灌注成桩功能前提下，将与中空连接杆101相通的侧出料口109设置在先导钻尖103a与下螺旋挤扩体104端部相连的侧壁上，并通过单向阀门控制启闭，相比于侧出料口设置在先导钻尖中间的方案，提高了先导钻尖的强度。为保证混凝土灌入的通畅无阻，设置侧出料口109的横截面积大于中空连接杆101的中空通道的横截面积。

如图5中a至f顺次所示，使用上述单向螺旋半挤土钻头实施单向螺旋半挤土桩的施工工艺，包括以下步骤：

1)将安装有单向螺旋半挤土钻头的大扭矩桩工钻机根据桩孔放线位置就位，备好混凝土泵和需要灌注的桩材，桩材包括混凝土桩材或水泥粉煤灰碎石桩材和钢筋笼；

2)启动桩工钻机施加右旋的扭矩和竖向压力，利用单向螺旋半挤土钻头进行下旋挤扩成孔，令钻头以16转/分或12转/分或8转/分或4转/分或2转/分的转速下旋成孔，此过程中，桩孔内的土体被下螺旋挤扩体104旋钻出来，并在挤扩叶片107作用下做自下而上的右旋运动，其大部分土体被非封闭挤扩体105逐步挤压入桩孔侧壁土体，而少部分土体则通过非封闭挤扩体105随后被上输土螺旋钻杆106及上输土叶片108逐步旋转输送到地表面；

3)当所成桩孔钻至设计深度后，继续对单向螺旋半挤土钻头施加右旋扭矩，以及向上的提拉力，在令钻头旋转提升的同时启动混凝土泵，在混凝土泵的压力作用下，超流态C30混凝土经中空连接杆101的中空通道、侧出料口109向桩孔中压灌，使已完成桩材压灌的桩段能够达到基桩设计直径的要求，钻头旋钻提升及压力灌注的过程持续到桩材压灌至桩顶设计标高为止，其中单向螺旋半挤土钻头要求以1米/分或2米/分或3米/分的速度旋转提升，确保不会出现断桩的现象，完成单向螺旋半挤土桩施工。

根据桩基设计要求，还可继续利用振动机将钢筋笼、钢筋束或型钢插入已成圆柱形的单向螺旋半挤土灌注桩。

本发明的单向螺旋半挤土桩施工工艺能够施工的单向螺旋半挤土桩桩径为350mm至800mm，最大桩长可超过40m。

具体实施方式二：

如图3、4所示，本实施方式与实施方式一的结构基本相同，不同地方仅在于：下螺旋挤扩体204呈外径一致的圆筒状，挤扩叶片207的螺距S1采用等螺距；非封闭挤扩体205的外表面上焊接竖向的硬质合金抗磨板210；钻尖203采用双翼三级渐扩式钻尖，包括第一级带有硬质合金截齿先导钻尖203a、位于先导钻尖和下螺旋挤扩体端部之间的第二级带有硬质合金斗齿切削钻具203b、安装在最靠近钻尖的一圈挤扩叶片上的第三级带有硬质合金斗齿切削钻具203c，侧出料口209位于第二、第三级带有硬质合金斗齿切削钻具203b、203c之间。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (12)

1.一种单向螺旋半挤土钻头，包括中空连接杆（101、201），中空连接杆（101、201）的一端设有连接法兰盘（102、202），另一端附近设有钻尖（103、203），其特征在于：所述中空连接杆（101、201）自靠近钻尖一端至法兰盘一端依次同轴套设有下螺旋挤扩体（104、204）、非封闭挤扩体（105、205）和上输土螺旋钻杆（106、206），所述钻尖（103、203）连接在下螺旋挤扩体（104、204）的端部，所述下螺旋挤扩体（104、204）的外壁上设有螺旋挤扩叶片（107、207），所述上输土螺旋钻杆（106、206）外壁上设有旋转方向与挤扩叶片（107、207）相同的螺旋上输土叶片（108、208），所述挤扩叶片（107、207）的外径与上输土叶片（108、208）的外径相同均为D1，所述非封闭挤扩体（105、205）的最大外径为D2，所述下螺旋挤扩体的最大外径为D3，D3∠D2∠D1。 

2.根据权利要求1所述的单向螺旋半挤土钻头，其特征在于：所述非封闭挤扩体（105、205）呈椭球状，所述椭球的长轴与中空连接杆（101、201）的轴线重合，椭球长轴方向的两端分别与上输土螺旋钻杆（106、206）和下螺旋挤扩体（104、204）相交，椭球的短半轴为a，长半轴为c，a≦c≦4a。 

3.根据权利要求2所述的单向螺旋半挤土钻头，其特征在于：所述钻尖（103、203）与下螺旋挤扩体（104、204）端部相连的侧壁上设有一个与中空连接杆（101、201）相通的侧出料口（109、209），所述侧出料口（109、209）设有单向阀门，侧出料口（109、209）的横截面积大于中空连接杆（101、201）的中空通道的横截面积。 

4.根据权利要求1至3任一项所述的单向螺旋半挤土钻头，其特征在于：所述下螺旋挤扩体（104、204）、非封闭挤扩体（105、205）和上输土螺旋钻杆（106、206）内部均中空，三者中空的通道均相连通，所述中空连接杆（101、201）位于三者的中空通道中。 

5.根据权利要求4所述的单向螺旋半挤土钻头，其特征在于：所述非封闭挤扩体（105、205）的外表面焊接有螺旋或竖向或水平向的硬质合金抗磨板（110、210）。 

6.根据权利要求5所述的单向螺旋半挤土钻头，其特征在于：所述下螺旋挤扩体呈自连接钻尖一端至非封闭挤扩体一端逐渐增大的中空圆台状，或呈外径一致的圆筒状，所述上输土螺旋钻杆呈外径一致的圆筒状。 

7.根据权利要求6所述的单向螺旋半挤土钻头，其特征在于：所述挤扩叶片（107、207）为加厚叶片，挤扩叶片（107、207）的螺旋圈数不少于3圈，挤扩叶片（107、207）的螺距S1可采用等螺距或变螺距，所述上输土叶片（108、208）的厚度小于挤扩叶片（107、207） 的厚度，上输土叶片（108、208）的螺距S2采用等螺距。 

8.根据权利要求7所述的单向螺旋半挤土钻头，其特征在于：所述上输土螺旋钻杆（106、206）的外径为0.8D1～0.9D1，所述上输土叶片（108、208）的螺距为0.8D1＜S2＜1.2D1。所述下螺旋挤扩体（104、204）的挤扩叶片（107、207）的螺距为0.4D1＜S1＜2D1。 

9.根据权利要求8所述的单向螺旋半挤土钻头，其特征在于：所述上输土螺旋钻杆（106、206）外径为0.8D1，所述上输土叶片（108、208）的螺距S2为0.9D1，所述挤扩叶片（107、207）的螺距为0.5D1＜S1＜0.9D1。 

10.根据权利要求9所述的单向螺旋半挤土钻头，其特征在于：所述钻尖（103）采取单翼两级渐扩式钻尖，包括第一级带有硬质合金截齿的先导钻尖（103a）和安装在最靠近钻尖的一圈挤扩叶片上的第二级截齿切削钻具（103b），所述侧出料口（109）位于先导钻尖（103a）和第二级截齿切削钻具（103b）之间。 

11.根据权利要求9所述的单向螺旋半挤土钻头，其特征在于：所述钻尖（203）采用双翼三级渐扩式钻尖，包括第一级带有硬质合金截齿先导钻尖（203a）、位于先导钻尖和下螺旋挤扩体端部之间的第二级带有硬质合金斗齿切削钻具（203b）、安装在最靠近钻尖的一圈挤扩叶片上的第三级带有硬质合金斗齿切削钻具（203c），所述侧出料口（209）位于第二、第三级带有硬质合金斗齿切削钻具之间。 

12.一种单向螺旋半挤土桩施工工艺，其特征在于，使用权利要求1至11任一项所述的单向螺旋半挤土钻头，包括以下步骤： 

1)将安装有单向螺旋半挤土钻头的桩工钻机按照桩孔放线位置就位； 

2）开动桩工钻机施加单向旋转扭矩和竖向压力，使得单向螺旋半挤土钻头匀速旋转下行，挤压土体成孔，被所述下螺旋挤扩体旋钻出来的土体，自下而上螺旋运动，大部分土体被非封闭挤扩体逐步挤压入桩孔侧壁，少部分土体通过非封闭挤扩体被所述上输土螺旋钻杆逐步输送到地表面，单向螺旋半挤土钻头下旋钻掘至桩孔设计深度； 

3)当所成桩孔达到基桩设计深度后，仍保持桩工钻机施加与步骤2）同向的单向旋转扭矩，并施加提拉力，使单向螺旋半挤土钻头匀速旋转上行，同时启动混凝土泵，在混凝土泵的压力作用下，超流态混凝土经所述中空连接杆的中空通道、侧出料口向桩孔中压灌，所述钻头旋转上提及桩材压灌过程一直持续到桩材压灌至桩顶设计标高为止，形成直径为D1的圆柱形的半挤土灌注桩。 

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