CN104594809A - 一种正向成螺挤扩钻具结构及全螺丝挤扩桩成桩工法 - Google Patents

一种正向成螺挤扩钻具结构及全螺丝挤扩桩成桩工法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种正向成螺挤扩钻具结构及全螺丝挤扩桩成桩工法，具体为一种正向提钻成桩时二次造螺的钻具结构，以及一种挤土的全螺丝挤扩灌注桩的施工工法。此成桩功法利用带有本案钻具结构的螺旋钻具向下旋转挤土成孔，然后保持转动方向不变，提升钻具再次挤扩桩孔，并且在孔壁形成浅螺纹，同时向桩孔泵送混凝土，形成带有浅螺纹的全螺丝挤扩灌注桩。本发明的目的在于提供一种结构更简单，更耐用的螺旋挤扩钻具结构，以及一种承载力更高，质量更稳定，成本更低，节能环保，简单易行能适应各种土层的全螺丝挤扩灌注桩成桩功法。

Description

一种正向成螺挤扩钻具结构及全螺丝挤扩桩成桩工法
技术领域
本发明涉及一种钻具结构及全螺丝挤扩灌注桩成桩工法，具体是一种正向成螺挤扩钻具结构及全螺丝挤扩桩成桩工法，属于建筑工程技术领域。
背景技术
螺纹式异形桩在国外已有多年的发展历史。于1966年由法国人研制而出，于1971年由学者汤姆雷逊由78根桩实验经统计得出螺纹桩a理论，其指出同条件下桩与土形成螺丝咬合时，土体提供的承载力可达到传统直线型桩的1-5倍。同条件、同直径、同桩长的情况下螺纹桩承载力更高。因此，螺丝桩发明出后被广泛应用在建筑工程上。
一般而言，在现代桩基领域中，根据桩成桩工法对土层的影响可将基桩分为三大类：非挤土桩、部分挤土桩和挤土桩。由于非挤土桩存诸多不足如单桩承载力低、成本高、泥浆或於土污染等经济、技术及环保的问题。岩土工程界一直致力于开发一种高承载力、低造价并且环保的新桩型及其施工功法，特别是能够一次性成孔和成桩的挤土螺丝异形桩。这种挤土型螺丝桩工法与传统的非挤土桩功法相比，不仅不出土，通过挤土成孔成桩，增加了土层对桩的侧向阻力，螺丝式结构与土层相互咬合，大幅度地提升了单桩承载力，浅螺纹的桩身构造，桩芯即桩实际受力部位截面积较大，能够承受较大的桩身应力。本工法及钻具形成的全螺丝挤扩桩有非常明显的成本和技术优势，而且具有无泥浆渣土污染、速度快、无振动和低噪音等施工技术优势及环保效益。
目前国内外的螺丝桩螺旋钻具及工法都遵循着正向钻进即与钻具螺片同向钻进，反向旋转提钻成螺的成桩方法，如CN1059008C专利公开的一种灌注螺纹桩成桩功法、专利CN2481840Y公开的一种螺纹钻杆、专利CN1254587C公开的一种半螺丝桩及其成桩工法和专利CN201254963Y公开的一种齿状螺纹钻具；以及利用短螺旋挤扩钻具正向钻进，挤扩成为圆柱状桩孔并且正向旋转提钻二次挤扩并灌注砼形成不带螺纹的直线型挤扩桩的功法，如专利CN100570122C公开的一种双向螺旋挤扩桩成桩功法及双向螺旋封闭挤扩钻头。
灌注螺纹桩，因其桩芯截面（桩实际受力截面）过小，无法承受较大压力，不能满足桩身应力由上至下逐级变小的规则，从而导致桩的破坏形式由传统直线型桩桩侧土破坏变为桩破坏，所提供承载力小于传统等直径的直线型非挤土桩，所以未能得到推广应用。
半螺丝桩又名螺杆桩，为一种变截面的部分挤土桩。半螺丝桩的上部直线型桩体截面大，能承受较高的上部桩身应力，下部为螺丝桩部分，桩与土体螺丝桩咬合提高了桩侧土体对桩的侧阻力。但是其仍存在一定局限与不足，在钻进和提钻成桩过程中，出土较多，对土层的挤扩效果较差。与传统取土圆柱形灌注桩相比，上部直线型部分桩体承载力相比传统取土桩无明显优势。
双向螺旋挤扩桩是一种等截面的直线型桩体，属于全挤土桩。虽然钻具对土层挤密效果好，使桩侧土层对桩的侧阻力有较大提升，但是，与螺丝桩和土体螺丝咬合所提升的土体对桩侧阻力相比，直线型桩体有明显不足。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种正向成螺挤扩钻具结构及全螺丝挤扩桩成桩工法，该钻具结构简单耐用、其成桩工法形成的全螺丝挤扩灌注桩承载力更高、质量更稳定、成本更低、效率更高和更加环保，并且能够在各种地质条件下施工。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种正向成螺挤扩钻具结构，包括直径由上至下逐级变小的锥形挤扩式钻具芯杆；所述钻具芯杆一端固定连接有钻头，在钻头上安装有能够流出砼泵料的阀门；所述钻具芯杆上带有一体成型的螺旋状螺片；所述螺片横截面为梯形结构，其根部厚度大于其顶部厚度且根部厚度不小于10cm，所述螺片外径等径；安装于所述钻具芯杆最下端的螺片一体成型有横截面为梯形结构的二次造螺螺片，所述二次造螺螺片根部厚度大于其顶部厚度且根部厚度大于5cm；所述钻具芯杆最上端安装有与所述螺片方向相反的反向螺片，在所述反向螺片上对称设置有两道辅助造螺螺片；该正向成螺挤扩钻具结构除去所述辅助造螺螺片、二次造螺螺片和钻头为上下外径等径的结构。
进一步，所述钻具芯杆另一端固定连接有全螺纹钻杆。
进一步，所述钻具芯杆另一端固定连接有带有部分螺片的直线型半螺纹钻杆。
进一步，所述钻具芯杆另一端固定连接有不带螺片的直线型钻杆。
进一步，所述二次造螺螺片不超过所述钻具芯杆周向的四分之一周；并且所述二次造螺螺片厚度不小于5厘米，二次造螺螺片高度不大于五分之一的所述螺片外径。
进一步，所述反向螺片为所述钻具芯杆周向的一周；所述辅助造螺螺片每道不超过所述钻具芯杆周向的四分之一周.并且辅助造螺螺片厚度不小于5厘米，其高度不小于所述二次造螺螺片的高度。
一种正向成螺挤扩钻具结构形成的螺丝挤扩桩成桩工法，
1）、将带有正向成螺挤扩钻具结构的螺旋钻具对准桩位，启动钻机，正向即旋转方向与螺片方向同向转动，施加扭矩和向下轴向压力，向下钻进至设计桩底位置，挤扩钻具锥形芯杆对土层进行挤扩，钻具螺片旋转钻进向上导出土体会被反向螺片旋转挤回，形成圆柱形带有螺纹的桩孔；
2）、钻至桩底设计深度后，不改变钻具旋转方向，由钻机提升卷扬机提升钻具，以钻具每旋转一圈钻具提升高度控制桩身螺纹密度；提升时，钻具对桩孔土体剪切破坏，将剪切下土体咬合在的钻具螺片中，形成圆柱形并带有辅助造螺螺片与二次造螺螺片两处突出螺片的钻具与土的结合体，并二次挤扩扩大桩孔即桩芯截面直径成孔，提钻挤扩成孔过程中辅助造螺螺片在二次造螺螺片上部旋转阻断土体垂直向下的压力对下部桩身形成螺纹的影响，二次造螺螺片在桩孔中旋转扫土二次造螺，同时泵送灌桩砼，成为桩身带有浅螺纹的全螺丝挤扩灌注桩；
3）、当二次成螺螺片为一道时，钻具旋转一圈提升高度等同于桩身螺纹间距；
4）、砼浇注完毕后，插入制作好的钢筋笼，成为全螺丝挤扩钢筋混凝土灌注桩。
进一步，所述钻具芯杆最下端可设置多道不连续的二次造螺螺片，提钻成桩时钻具每旋转一圈提升高度不等于二次造螺螺片间距时，则每旋转一圈形成多道螺纹。
进一步，全螺丝挤扩灌注桩钻进成孔时，可由智能电控设备记录钻进时分段的机械扭矩，并据此计算，利用同步技术以及钻具芯杆最下端设置的二次造螺螺片智能控制桩身各部分螺纹密度。
进一步，该工法工法能够适用于利用带有正向成螺钻具结构的二次造螺螺片的橄榄形短螺旋双向挤扩钻头形成全螺丝挤扩桩。
本发明的有益效果是：本钻具结构提供了一种正向挤扩成孔并且造螺成桩的途径。钻具正向钻进挤扩成孔至设计桩底位置后，不改变旋转方向向上提升钻具，钻具将桩孔中螺纹扫除，将剪切下的土体咬合在螺片间，形成圆柱形并带有辅助造螺螺片与二次造螺螺片两部分突出螺片的钻具与土的结合体，并二次挤扩扩大桩孔即桩芯截面直径成孔，辅助造螺螺片与二次造螺螺片超出钻具外径的突出部分。提钻挤扩成孔过程中辅助造螺螺片在二次造螺螺片上部旋转阻断土体垂直向下的压力对下部桩身形成螺纹的影响，二次造螺螺片在桩孔中旋转扫土二次造螺，同时泵送灌桩砼，成为桩身带有浅螺纹的全螺丝挤土灌注桩，钻进以及灌注成桩过程中不出土，所形成的全螺丝挤扩灌注桩为浅螺纹桩，桩体芯杆可以承受较大的桩身应力。桩承载力不仅远大于非挤土桩型，也明显高于直线型挤扩桩以及部分挤土的螺丝桩。
附图说明
图1为本发明钻具芯杆剖面示意图；
图2为本发明全螺纹钻具结构示意图；
图3为本发明半螺纹钻具结构示意图；
图4为本发明直杆型钻具结构示意图；
图5为本发明钻具提升时螺片咬合剪切下土体时的整体示意图；
图6为本发明成桩工法施工流程示意图；
图7为本发明桩身各部分螺纹密度结构示意图；
图中：1、钻具芯杆，2、螺片，3、二次造螺螺片，4、反向螺片，5、辅助造螺螺片，6、钻头，7、阀门，8、钻头，9、半螺纹钻杆，10、直线型钻杆，H3、二次造螺螺片高度，H5、辅助造螺螺片高度，R、螺片外径。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
如图2所示：一种正向成螺挤扩钻具结构，包括直径由上到下逐级变小的锥形挤扩式钻具芯杆；所述钻具芯杆1一端固定连接有钻头6，在钻头6上安装有能够流出砼泵料的阀门7。如图1所述，所述钻具芯杆1上带有一体成型的螺旋状螺片2，所述螺片2为外径等径的螺片，所述螺片2横截面为梯形结构，其根部厚度大于其顶部厚度且根部厚度不小于10cm；安装于所述钻具芯杆1最下端的螺片2一体成型有横截面为梯形结构的二次造螺螺片3，所述二次造螺螺片3根部厚度大于其顶部厚度且根部厚度大于5cm；所述钻具芯杆1最上端安装有与所述螺片2方向相反的反向螺片4，在所述反向螺片4上对称设置有两道辅助造螺螺片5；该正向成螺挤扩钻具结构除去所述辅助造螺螺片5、二次造螺螺片3和钻头6为上下外径等径的结构。
如图2所示，所述钻具芯杆1另一端固定连接有全螺纹钻杆8。
如图3所示，所述钻具芯杆1另一端固定连接有带有部分螺片的直线型半螺纹钻杆9。
如图4所示，所述钻具芯杆1另一端固定连接有不带螺片的直线型钻杆10。
所述二次造螺螺片3不超过所述钻具芯杆1周向的四分之一周；并且所述二次造螺螺片3厚度不小于5厘米，二次造螺螺片3高度不大于五分之一的所述螺片外径R。
所述反向螺片4为所述钻具芯杆1周向的一周；所述辅助造螺螺片5每道不超过所述钻具芯杆1周向的四分之一周.并且辅助造螺螺片5厚度不小于5厘米，辅助造螺螺片高度H5不小于所述二次造螺螺片高度H3。
如图5和图6所示，一种正向成螺挤扩钻具结构形成的螺丝挤扩桩成桩工法，
1）、将带有正向成螺挤扩钻具结构的螺旋钻具对准桩位，启动钻机，正向即旋转方向与螺片方向同向转动，施加扭矩和向下轴向压力，向下钻进至设计桩底位置，挤扩钻具锥形芯杆对土层进行挤扩，钻具螺片旋转钻进向上导出土体会被反向螺片旋转挤回，形成圆柱形带有螺纹的桩孔；
2）、钻至桩底设计深度后，不改变钻具旋转方向，由钻机提升卷扬机提升钻具，以钻具每旋转一圈钻具提升高度控制桩身螺纹密度。提升时，钻具对桩孔土体剪切破坏，将剪切下土体咬合在的钻具螺片中，形成圆柱形并带有辅助造螺螺片与二次造螺螺片两处突出螺片的钻具与土的结合体，并二次挤扩扩大桩孔即桩芯截面直径成孔，提钻挤扩成孔过程中辅助造螺螺片在二次造螺螺片上部旋转阻断土体垂直向下的压力对下部桩身形成螺纹的影响，二次造螺螺片在桩孔中旋转扫土二次造螺，同时泵送灌桩砼，成为桩身带有浅螺纹的全螺纹挤扩灌注桩；
3）、当二次成螺螺片为一道时，钻具旋转一圈提升高度等同于桩身螺纹间距；
4）、砼浇注完毕后，插入制作好的钢筋笼，成为全螺丝挤扩钢筋混凝土灌注桩；
5）、所述钻具芯杆最下端可设置多道不连续的二次造螺螺片，提钻成桩时钻具每旋转一圈提升高度不等于二次造螺螺片间距，则每旋转一圈形成多道螺纹。
6）、全螺丝挤扩灌注桩钻进成孔时，可由智能电控设备记录钻进时分段的机械扭矩，并据此计算，利用同步技术以及钻具芯杆最下端设置的二次造螺螺片智能控制桩身各部分螺纹密度，如图7所示。
本工法钻进以及提升灌注砼成桩过程中，不出土，对土层挤扩效果好。先挤扩形成带有螺纹的圆柱形桩孔，再二次挤扩桩孔即扩大桩芯截面直径并造螺同时泵送砼浇注成的全螺丝挤扩灌注桩提供的承载力不仅远大于传统的非挤土桩，也明显大于不带螺纹的直线型挤扩灌注桩以及部分出土的螺丝桩。本工法钻进成孔以及砼浇注成桩过程中，不需停钻改变钻具方向，正向成螺，节约时间，提高效率。
本功法可通过改变提钻速度简单方便的控制桩身各部位螺纹间距。当钻具设置多道不连续并具有一定间隔的辅助造螺螺片时，钻具每旋转一圈提升距离不等于二次造螺螺片间距，钻具每旋转一圈形成多道螺纹，由此不减慢提钻成桩速度的同时形成较密的桩身螺纹，成为桩身带有多道螺纹的全螺丝挤扩桩。
本工法摒弃了传统的正向钻进反向提钻成螺的方法，桩身螺纹形态密度不受钻具形态以及螺片间距制约，可以由钻机智能电控设备，记录钻进时分段记录的扭矩值并计算全自动的控制分段桩身的螺纹密度，实现真正的智能化成桩，避免人工操控失误，确保成桩质量，根据土层的不同，形成不同的桩身螺纹密度，充分利用不同土层对桩身的侧阻力，形成形态最为完善的全螺丝挤扩桩。
本工法钻进过程中，钻具上部为全螺旋钻具或部分带有螺片的钻具时，挤扩成为带有浅螺纹的螺丝桩孔，桩孔圆柱部分直径小于设计螺丝桩芯杆直径，减少了钻进阻力，提升过程中扫螺扩大桩孔圆柱形部分直径，并二次造螺成为带有浅螺纹的全螺丝挤扩桩桩芯直径满足设计桩芯直径要求。

Claims (9)

1.一种变径全螺纹桩，其特征在于：包括上部桩芯（2），所述上部桩芯（2）一端连接有下部桩芯（3）；在所述上部桩芯（2）上一次成型有上部螺纹桩螺纹（1），在所述下部桩芯（3）上一次成型有下部螺纹桩螺纹（4）；所述上部螺纹桩螺纹（1）和上部桩芯（2）组成上部桩身；所述下部桩芯（3）和下部螺纹桩螺纹（4）组成下部桩身；其中，所述下部桩身的直径不小于所述上部桩芯（2）的直径。
2.根据权利要求1所述的一种变径全螺纹桩法，其特征在于：所述上部桩芯（2）的长度比所述下部桩芯（3）的长度长。
3.根据权利要求1所述的一种变径全螺纹桩，其特征在于：所述上部桩芯（2）的长度比所述下部桩芯（3）的长度短。
4.根据权利要求1所述的一种变径全螺纹桩，其特征在于：所述上部桩芯（2）的长度比所述下部桩芯（3）的长度相同。
5.根据权利要求1或2所述的一种变径全螺纹桩，其特征在于：所述上部桩芯（2）和下部桩芯（2）一次成型并且固定连接在一起。
6.根据权利要求1或3所述的一种变径全螺纹桩，其特征在于：所述上部螺纹桩螺纹（1）是所述上部桩芯（2）的外螺纹；所述下部螺纹桩螺纹（4）是所述下部桩芯（3）的外螺纹。
7.一种变径全螺纹桩的成桩工法，其特征在于:
1）采用大扭矩螺旋钻机，使变径全螺纹桩钻具顺时针旋转，同步钻进至设计桩底标高；
2）当桩孔形成全螺纹桩孔后并到达设计桩底标高后，逆时针同步提钻，同时利用混凝土传送泵连续泵送混凝土，从而形成下部桩芯直径基本等于钻具芯杆直径和下部桩身直径基本等于钻具螺旋段外径的下部螺纹桩体；
3）当钻具提升至设计变径出时，从钻具上弹出至少一个凸块，同时钻具由逆时针旋转变为顺时针旋转，并提升钻具，其中弹出的至少一个凸块在圆柱桩孔上形成至少一道螺纹，其中螺纹厚度基本等于凸块的厚度，嵌入土体深度基本等于凸块长度；
4）顺时针旋转提钻的同时利用混凝土传送泵连续泵送混凝土，形成上部桩芯直径基本等同于钻具螺旋段外径的螺纹桩体。
8.根据权利要求7所述的一种变径全螺纹桩的成桩工法，其特征在于：所述工法第三步中的凸块是钻具芯杆上弹出的伸缩滑块。
9.根据权利要求7所述的一种变径全螺纹桩的成桩工法，其特征在于：所述工法第三步中的凸块是固定连接在钻具螺纹上的凸起。
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