CN105887876B - 一种现浇大直径组合薄壁螺纹管桩的施工方法及其成桩装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种现浇大直径组合薄壁螺纹管桩的施工方法，施工方法包括四个步骤；本发明还公开了一种现浇大直径组合薄壁螺纹管桩的成桩装置，包括底端通过法兰盘与空心螺纹钻头连接的双管双动钻杆，其内部穿过同轴布置的混凝土管和高压旋喷管，上部接有独立双控动力头，独立双控动力头的上下移动依靠与其相接的卷扬升降系统，两者都与中央操控系统相连；通过上述的技术方案，经济高效地突破了实心螺纹挤土桩的桩径限制，实现钻具下沉与旋转自由匹配，保障了复杂不良地质条件下的桩基质量及其承载力的发挥，并实现了复合地基承载力与沉降变形的独立控制。
Description
技术领域
本发明涉及土木建筑工程的地基处理技术领域，尤其是涉及一种现浇大直径组合薄壁螺纹管桩的施工方法及其成桩装置。
背景技术
近年来，我国基础工程建设飞速发展，高速铁路、高速公路、港口码头、电力及核电站、海上石油平台、水利工程设施等不断兴建。作为地基处理技术中的典型代表——桩基以其承载力高、控制变形能力强、稳定性好等优点得到广泛应用。我国幅员辽阔，各地区的地质条件千差万别，相应的适用于各类地质条件的桩型也名目繁多，主要有预制预应力桩和现浇灌注桩两大类。前者可分为预应力管桩、方桩和钢管桩，其成桩质量可以得到较好的控制，但需要在工厂预制，吊装与运输过程中容易对桩身产生损伤，桩基接头部位易出现质量隐患，打桩过程中出现的桩基倾斜、断桩、桩爆等现象致使其成桩率下降。工程中应用相对较多的是现浇灌注桩，按照施工工艺的不同，其可进一步细分为钻孔灌注桩、沉管灌注桩、人工挖孔桩以及各种柔性、半柔性桩( 如搅拌桩、旋喷桩、散体材料桩) 等。人工挖孔桩虽然施工便捷、环境友好，但井下作业条件差、环境恶劣、劳动强度大、安全与质量隐患较多。柔性或半柔性桩的工程造价较低，但难以适用于对地基承载力与变形要求高的工程。
由于钻孔灌注桩承载力高、无挤土效应、施工质量可靠等优点，其在实际工程中应用较为广泛，湿作业法的钻孔灌注桩孔底沉渣、桩侧泥皮和松弛效应一定程度上削弱了桩基承载力，基于日本的CIP工法演变而来的长螺旋钻孔灌注桩，以其无需泥浆护壁、桩尖无虚土、施工文明等优点，一举成为建设部2005年推广的十大技术之一。在此基础上，结合日本的钢纤维全螺纹预制桩的优势技术，我国岩土工程界的科研工作者又逐步发展了螺纹桩、螺杆桩、螺钉桩等一系列变截面桩基新技术。与此同时，普通沉管灌注桩是挤土型桩，随桩长、桩径的扩大，施工机械需要有更高的压桩力，桩基成形困难，桩身浇注质量难以保障，限制其通过增大桩径、增加桩长提高单桩承载力。基于以上不足，并结合了预应力管桩、振动沉模薄壁防渗墙等技术优点，一种现浇大直径薄壁管桩技术应运而生，在较少水泥用量的同时，通过内壁与土相互作用的摩阻力，进一步提高了桩基承载力。
基于以上两类优势桩基技术的结合，一种现浇螺纹管桩技术逐渐被提出来加固软土地基。在本发明之前，中国专利ZL 201210104350.3、ZL 201220677706.8先后公开了两种现浇螺纹管桩施工工艺，前者的成桩思路类似于挤扩桩的端部液压改造，通过钻具油缸下移的同时将底盖向外打开，边旋转边拔起钻具，形成带有多头可变螺纹状的混凝土管桩埋设在地基中，相关的施工机械加工与制造难度较大，且通过上下键活动的底盖在旋转上移过程中易产生振动偏差，施工质量得不到保证。后者在旋转成孔过程中采用的是预制环形桩靴，不利于在地质条件复杂的地层中掘进，成桩直径和深度受到限制，且通过上部料斗浇注的混凝土难以密实。由于管桩孔的特殊结构形式，导致两者的混凝土浇筑难以均匀，且内外管共用一套扭矩系统，在软硬互层等不均匀土层条件下钻进进尺与旋转角度不能稳定匹配，难以形成清晰有序的螺纹，从而降低了成桩质量。此外，在可液化、软弱土层或是采空区、溶洞等不良地质条件下，桩土相互作用力减小，成桩质量也得不到有效保证，导致整个桩基础存在薄弱环节，进而降低了复合地基的承载力。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种现浇大直径组合薄壁螺纹管桩的施工方法及其成桩装置，其桩身螺纹与周围土体的咬合增大了桩侧摩阻力，现浇桩基的空心化则经济高效地突破了实心挤土桩的桩径限制，基于钻进端阻力与侧摩阻分离的内外钻杆双动力独立扭矩施加结构则有效实现了钻具下沉距离与旋转角度合理自由匹配，空心螺纹钻头则相较于以往的活瓣或预制桩靴能够在坚硬的土层钻进中游刃有余，巧妙结合进高压旋喷桩的补浆技术，保障了复杂不良地质条件下的桩基质量及其承载力的发挥，并实现了复合地基承载力与沉降变形的独立控制。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种现浇大直径组合薄壁螺纹管桩的施工方法，包括以下步骤：
第一步，将现浇大直径组合薄壁螺纹管桩的成桩装置对准桩位，启动桩工钻机，借助独立双控动力头和卷扬升降系统提供的顺时针方向扭矩和向下轴力，使得双管双动钻杆在地层中螺旋同步钻进，内空心钻杆带动空心螺纹钻头自由旋转下压，并将削切的下部土体螺旋挤压至外螺纹钻杆侧壁，使得保持同步的外螺纹钻杆在钻进过程中只需承受侧摩阻力，大大降低了其所需的旋转扭矩。
第二步，双管双动钻杆钻进至设计深度后停钻，此时土体中形成螺纹管桩的钻孔，启动桩工钻机，重新调整相关施工参数，使得双管双动钻杆在地层中逆时针反向螺旋同步提升，同时启动混凝土泵，由空心螺纹钻头底部的单向压力阀门向桩孔内压灌混凝土；
第三步，依据施工前的勘察与设计要求，在双管双动钻杆在地层中逆时针反向螺旋钻进过程中，针对存在的可液化、软弱土层、采空区、溶洞或是端部需要旋喷扩径、底部需要形成扩大头等相应土层，启动空心螺纹钻头端部的高压旋喷头，并调整内空心钻杆逆时针转速，进行旋喷注浆填充与加固；
第四步，双管双动钻杆上提出地面后，地基中即形成现浇大直径组合薄壁螺纹管桩，浇筑完成后将制作好的钢筋笼插入混凝土中，便形成现浇钢筋混凝土大直径组合薄壁螺纹管桩，在桩顶浇筑混凝土顶板，铺设组成加筋垫层的碎石垫层和土工格栅后，则形成现浇大直径组合薄壁螺纹管桩复合地基。
作为本发明进一步限制地，所述双管双动钻杆螺旋同步钻进与上拔过程中，内空心钻杆不需保持同步，只有外螺纹钻杆旋转角度与钻进进尺实时匹配，所述实时匹配的公式为2π除以独立双控动力头的外环动力组转速等于外螺纹钻杆螺纹间距除以卷扬升降系统的升降速度。
作为本发明进一步限制地，所述双管双动钻杆螺旋钻进时，内空心钻杆转速为20-50转/分，双管双动钻杆提钻时的速度为1-5米/分，内空心钻杆的转速为10-15转/分，而在需进行高压旋喷时的竖向移动速度控制在20-40cm/分，内空心钻杆的转速为15-30转/分。
作为本发明进一步限制地，所述进行高压旋喷注浆或是扩径土层，必要时经高压旋喷头在钻进过程中进行一次旋喷，在提钻过程中进行二次旋喷注浆，同时高压旋喷的工艺可选择单管法、双管法、三管法进行旋喷施工。
本发明还公开了用于现浇大直径组合薄壁螺纹管桩的成桩装置，包括由外螺纹钻杆和内空心钻杆组成的双管双动钻杆，外螺纹钻杆和内空心钻杆由中空回转支承连接，所述双管双动钻杆的底端设有法兰盘，其通过法兰盘与空心螺纹钻头连接，所述双管双动钻杆的内部穿过同轴布置的混凝土管和高压旋喷管，其上部接有独立双控动力头，所述独立双控动力头连接卷扬升降系统，所述独立双控动力头和卷扬升降系统均与中央操控系统相连，所述独立双控动力头的内、外环动力组分别与内空心钻杆和外螺纹钻杆相连接，所述中央操控系统中设置确保外螺纹钻杆旋转角度与钻进进尺实时匹配的外环动力组与卷扬升降系统同步控制。
作为本发明进一步限制地，所述中空回转支承的内圈为镂空结构，所述中空回转支承设有穿过对称且同轴布置混凝土管和高压旋喷管的预留孔。
作为本发明进一步限制地，所述的空心螺纹钻头的端部对称设有高压旋喷头，其底部设有泵送混凝土的单向压力阀门。
作为本发明进一步限制地，所述的独立双控动力头的内、外环动力组分别由对称布置的两台电机和相对应的内环变速器与外环变速器构成，动力来源还可采用液压马达驱动，电机改为液压传动装置，在桩机的底盘设置发动机。
根据以上技术方案，本发明可以实现的有益效果是：
（1）桩身螺纹与周围土体的咬合增大了桩侧摩阻力，现浇桩基的空心化克服了实心桩通过增大桩身直径提高承载力进而导致的造价降低的问题，且相对于相同直径的实心桩或螺纹桩，本新型桩基还可以进一步消除挤土带来的不良影响。
（2）内外钻杆的双电机独立扭矩施加结构，巧妙的将钻杆掘进过程中的端阻力与侧摩阻分离，使得外钻杆的下沉阻力大大降低，确保了钻具下沉距离与旋转角度合理自由匹配，同时相较于以往的活瓣或预制桩靴，空心螺纹钻头能够在保证成桩质量的前提下，在坚硬的土层、卵石层及岩石层钻进中游刃有余。
（3）可液化、软弱土层或是采空区、溶洞的定制化水泥填充加固，保障了复杂不良地质条件下的桩基质量及其承载力的发挥，并在承载力满足而沉降变形较大的情况下，通过对沉降变形较大的软土层进行水泥旋喷加固，实现复合地基承载力与沉降变形的独立控制。
（4）通过对螺纹管桩的底端进行旋喷扩径，形成底部扩大头，提高桩端阻力，来进一步提升桩基的整体承载力。此外，当桩基承载力计算中，混凝土强度起控制因素时，相比于以往的增大桩截面积(螺杆桩的技术思路)或是混凝土的强度，本专利技术可以通过在螺纹管桩上部四周旋喷水泥，形成扩径部分，来进一步经济高效的提升整个桩基承载力的潜能。
附图说明
图1是本发明实施例的现浇大直径组合薄壁螺纹管桩施工方法的流程示意图。
图2是本发明实施例的独立双控动力头的结构俯视图。
图3是本发明实施例的双管双动钻杆的中空回转支承结构示意图。
图4是本发明实施例的空心螺纹钻头的俯视图。
图5是本发明实施例现浇大直径组合薄壁螺纹管桩成桩装置的结构示意图。
图中：1、双管双动钻杆；2、独立双控动力头；3、卷扬升降系统； 5、空心螺纹钻头；6、内空心钻杆；7、外螺纹钻杆；8、中空回转支承；9、高压旋喷头；10、单向压力阀门；11、电机；12、外环变速器；13、内环变速器；14、混凝土管；15、高压旋喷管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，本实施例的一种现浇大直径组合薄壁螺纹管桩的施工方法，包括以下步骤：
第一步，将现浇大直径组合薄壁螺纹管桩的成桩装置对准桩位，启动桩工钻机，借助独立双控动力头2和卷扬升降系统3提供的顺时针方向扭矩和向下轴力，使得双管双动钻杆1在地层中螺旋同步钻进，内空心钻杆6带动空心螺纹钻头5自由旋转下压，并将削切的下部土体螺旋挤压至外螺纹钻杆7侧壁，使得保持同步的外螺纹钻杆7在钻进过程中只需承受侧摩阻力，大大降低了其所需的旋转扭矩。
第二步，双管双动钻杆1钻进至设计深度后停钻，此时土体中形成螺纹管桩的钻孔，启动桩工钻机，重新调整相关施工参数，使得双管双动钻杆1在地层中逆时针反向螺旋同步提升，同时启动混凝土泵，由空心螺纹钻头5底部的单向压力阀门10向桩孔内压灌混凝土；
第三步，依据施工前的勘察与设计要求，在双管双动钻杆1在地层中逆时针反向螺旋钻进过程中，针对存在的可液化、软弱土层、采空区、溶洞或是端部需要旋喷扩径、底部需要形成扩大头等相应土层，启动空心螺纹钻头5端部的高压旋喷头9，并调整内空心钻杆6逆时针转速，进行旋喷注浆填充与加固；
第四步，双管双动钻杆1上提出地面后，地基中即形成现浇大直径组合薄壁螺纹管桩，浇筑完成后将制作好的钢筋笼插入混凝土中，便形成现浇钢筋混凝土大直径组合薄壁螺纹管桩，在桩顶浇筑混凝土顶板，铺设组成加筋垫层的碎石垫层和土工格栅后，则形成现浇大直径组合薄壁螺纹管桩复合地基。
所述的双管双动钻杆1螺旋同步钻进与上拔过程中，内空心钻杆不需保持同步，只有外螺纹钻杆7旋转角度与钻进进尺实时匹配，即2π除以独立双控动力头2的外环动力组转速等于外螺纹钻杆7螺纹间距除以卷扬升降系统3 的升降速度。所述的双管双动钻杆1螺旋钻进时内空心钻杆6转速为20-50转/分，双管双动钻杆1提钻时速度为1-5米/分，内空心钻杆6转速为10-15转/分，而在需进行高压旋喷时的竖向移动速度控制在20-40cm/分，同时内空心钻杆6转速为15-30转/分。所述的需进行高压旋喷注浆或是扩径的土层，必要时经高压旋喷头9在钻进过程中进行一次旋喷，在提钻过程中进行二次旋喷注浆，同时高压旋喷的工艺可选择单管法、双管法、三管法进行旋喷施工。
图1所示流程图中，A为场地平整，桩机就位；B为双管双动钻杆钻在地层中同步钻进；C为钻进至设计深度后，逆向螺旋上拔；D为泵送混凝土，并在相应深度进行高压旋喷注浆；E为双管双动钻杆上提出地面后，地基中即形成现浇大直径组合薄壁螺纹管桩。
如图2至图5所示，本发明公开了一种现浇大直径组合薄壁螺纹管桩的成桩装置，包括底端通过法兰盘与空心螺纹钻头5连接的双管双动钻杆1，内部穿过同轴布置的混凝土管14和高压旋喷管15，其上部接有独立双控动力头2，独立双控动力头2的上下移动依靠与其相接的卷扬升降系统3，两者都与中央操控系统相连，其特征在于所述的双管双动钻杆1由外螺纹钻杆7和内空心钻杆6组成，两者由中空回转支承8连接，独立双控动力头2的内、外环动力组分别与内空心钻杆6和外螺纹钻杆7连接，中央操控系统中设置确保外螺纹钻杆7旋转角度与钻进进尺实时匹配的外环动力组与卷扬升降系统3同步控制。 所述的中空回转支承8的内圈为镂空结构，设有穿过对称且同轴布置混凝土管14和高压旋喷管15的预留孔。所述的空心螺纹钻头5的端部对称设有高压旋喷头9，其底部设有泵送混凝土的单向压力阀门10。所述的独立双控动力头2的内、外环动力组分别由对称布置的两台电机11和相对应的内环变速器13与外环变速器12构成，动力来源还可采用液压马达驱动，电机改为液压传动装置，在桩机的底盘设置发动机。
本发明的一种现浇大直径组合薄壁螺纹管桩的施工方法及其成桩装置，其桩身螺纹与周围土体的咬合增大了桩侧摩阻力，现浇桩基的空心化则经济高效地突破了实心挤土桩的桩径限制，基于钻进端阻力与侧摩阻分离的内外钻杆双动力独立扭矩施加结构则有效实现了钻具下沉距离与旋转角度合理自由匹配，空心螺纹钻头则相较于以往的活瓣或预制桩靴能够在坚硬的土层钻进中游刃有余，巧妙结合进高压旋喷桩的补浆技术，保障了复杂不良地质条件下的桩基质量及其承载力的发挥，并实现了复合地基承载力与沉降变形的独立控制。需要指出的是，上述较佳实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种现浇大直径组合薄壁螺纹管桩的施工方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步，将现浇大直径组合薄壁螺纹管桩的成桩装置对准桩位，启动桩工钻机，借助独立双控动力头和卷扬升降系统提供的顺时针方向扭矩和向下轴力，使得双管双动钻杆在地层中螺旋同步钻进，内空心钻杆带动空心螺纹钻头自由旋转下压，并将削切的下部土体螺旋挤压至外螺纹钻杆侧壁，使得保持同步的外螺纹钻杆在钻进过程中只需承受侧摩阻力，大大降低了其所需的旋转扭矩；
第二步，双管双动钻杆钻进至设计深度后停钻，此时土体中形成螺纹管桩的钻孔，启动桩工钻机，重新调整相关施工参数，使得双管双动钻杆在地层中逆时针反向螺旋同步提升，同时启动混凝土泵，由空心螺纹钻头底部的单向压力阀门向桩孔内压灌混凝土；
第三步，依据施工前的勘察与设计要求，在双管双动钻杆在地层中逆时针反向螺旋钻进过程中，针对存在的可液化土层、软弱土层、采空区、溶洞或是端部需要旋喷扩径的相应土层，启动空心螺纹钻头端部的高压旋喷头，并调整内空心钻杆逆时针转速，进行旋喷注浆填充与加固；
第四步，双管双动钻杆上提出地面后，地基中即形成现浇大直径组合薄壁螺纹管桩，浇筑完成后将制作好的钢筋笼插入混凝土中，便形成现浇钢筋混凝土大直径组合薄壁螺纹管桩，在桩顶浇筑混凝土顶板，铺设组成加筋垫层的碎石垫层和土工格栅后，则形成现浇大直径组合薄壁螺纹管桩复合地基。
2.如权利要求1所述的一种现浇大直径组合薄壁螺纹管桩的施工方法，其特征在于：所述双管双动钻杆螺旋同步钻进与上拔过程中，内空心钻杆不需保持同步，只有外螺纹钻杆旋转角度与钻进进尺实时匹配，所述实时匹配的公式为2π除以独立双控动力头的外环动力组转速等于外螺纹钻杆螺纹间距除以卷扬升降系统的升降速度。
3.如权利要求1所述的一种现浇大直径组合薄壁螺纹管桩的施工方法，其特征在于：所述双管双动钻杆螺旋钻进时，内空心钻杆转速为20-50转/分，双管双动钻杆提钻时的速度为1-5米/分，内空心钻杆的转速为10-15转/分，而在需进行高压旋喷时的竖向移动速度控制在20-40厘米/分，内空心钻杆的转速为15-30转/分。
4.如权利要求1所述的一种现浇大直径组合薄壁螺纹管桩的施工方法，其特征在于：进行高压旋喷注浆，必要时经高压旋喷头在钻进过程中进行一次旋喷，在提钻过程中进行二次旋喷注浆，同时高压旋喷的工艺选择单管法、双管法或三管法进行旋喷施工。
5.如权利要求1所述的一种现浇大直径组合薄壁螺纹管桩的施工方法所采用的成桩装置，包括底端通过法兰盘与空心螺纹钻头连接的双管双动钻杆，其内部穿过同轴布置的混凝土管和高压旋喷管，上部接有独立双控动力头，独立双控动力头的上下移动依靠与其相接的卷扬升降系统，两者都与中央操控系统相连，其特征在于：所述的双管双动钻杆由外螺纹钻杆和内空心钻杆组成，两者由中空回转支承连接，独立双控动力头的内、外环动力组分别与内空心钻杆和外螺纹钻杆连接，中央操控系统控制确保外螺纹钻杆旋转角度与钻进进尺实时匹配的外环动力组与卷扬升降系统同步。
6.如权利要求5所述的一种现浇大直径组合薄壁螺纹管桩的施工方法所采用的成桩装置，其特征在于：所述中空回转支承的内圈为镂空结构，所述中空回转支承设有穿过对称且同轴布置混凝土管和高压旋喷管的预留孔。
7.如权利要求5所述的一种现浇大直径组合薄壁螺纹管桩的施工方法所采用的成桩装置，其特征在于：所述的空心螺纹钻头的端部对称设有高压旋喷头，其底部设有泵送混凝土的单向压力阀门。
8.如权利要求5所述的一种现浇大直径组合薄壁螺纹管桩的施工方法所采用的成桩装置，其特征在于：所述的独立双控动力头的内、外环动力组分别由对称布置的两台电机和相对应的内环变速器与外环变速器构成。
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