CN106400788B - 一种混合灌注桩成桩装置与成桩方法 - Google Patents

Abstract

一种混合灌注桩成桩装置，包括桩机、螺纹钻杆及其带螺母抱合机构的两个对分螺母，该对分螺母对称地安装在所述螺纹钻杆的左右两侧，该螺纹钻杆连接一螺纹钻头，所述螺纹钻杆设置为梯形螺纹，该螺纹钻杆的螺距、螺旋方向与所述螺纹钻头的螺距、螺旋方向一致，所述螺母抱合机构包括所述两个对分螺母的外径中央各设有第一铰点，该第一铰点各连接一千斤顶，该千斤顶各通过第二铰点分别连接在所述桩机的底盘两侧，所述对分螺母的外周各设有第三铰点该第三铰点作为所述对分螺母的旋转中心分别连接在所述桩机底盘的靠近中心的两侧，千斤顶设置为电动液压自动控制；本发明可显著提高桩的承载能力、节省建材并降低桩基工程造价；同时可以提升桩基工程的施工效率与施工质量。

Description

一种混合灌注桩成桩装置与成桩方法

技术领域

本发明涉及一种土木建筑工程的桩基础，尤其是涉及一种上段为圆柱桩、下段为螺纹灌注桩的混合灌注桩成桩装置与成桩方法。

背景技术

我国沿海城市、沿河与环湖的城镇，这些地区大都为深厚软土地区；目前在工程建设中的桩基础主要采用摩擦型园柱桩，该基础的软土地层的端承摩擦桩中，桩的侧表面与桩周土的摩阻力约占桩承载力值的70-90％；但是因软土桩的侧阻力较小，所述摩擦型园柱桩严重制约现有工程建设中桩的承载力值的提高。

如果采用螺旋形桩，该螺旋形桩的螺纹嵌入土层内显示其比较所述园柱桩具有显著抗拔力的优势；但是目前在国内外还没有见到该螺旋形桩应用于土木建筑工程的桩基础实践中，这是因为目前所述螺旋形桩多数是在工厂内用钢管焊接钢板螺叶制作的长螺旋钢管螺纹桩，该钢板螺叶制作的长螺旋钢管螺纹桩在现场浇筑是应用桩机旋转动力用正转(顺时针旋转)将带螺旋的钻头加压旋拧沉入土层至要求高程，启动泵送砼，用反转(逆时针旋转)上拔，带螺旋的的钻头上拔时在土层内留下的空隙，如果能按所述螺旋的螺距匀速反转上拔，压灌砼就能迅速充填在土层内留下的螺旋空隙，才能实现灌筑为带螺旋砼的螺旋形桩；然而，无数实践证明是不可能按螺旋的螺距匀速反转上拔的；这是因为该螺旋桩穿越土层软硬不一，绝大多数的土层的强度是不能支承螺旋按螺距匀速反转上拔旋退，因此形成不了带螺旋的灌注桩。

本发明人已经授权的发明专利201410186000.5《一种带螺母抱合同步机构的螺纹灌注桩装置》，它包括钻头以及螺母抱合同步机构，钻头由钻尖、钻头体与螺旋体组成，该螺旋体上部固定连接带外螺纹的空心钻杆，钻尖与钻头体之间设有齿形接合子，螺母抱合同步机构包括一对对半螺母以及对称布置于该对半螺母径向外侧的双向螺杆，该对半螺母与空心钻杆的外螺纹相配合，空心钻杆外螺纹的螺距与所述螺旋体的螺距相同，双向螺杆各配套有传动螺母，该传动螺母设有带摇柄的抱合定位器，螺母抱合同步机构定位在灌注桩的桩机底盘上；该发明专利优点是当螺母抱合螺纹钻杆时，无论正转或反转均能按螺距匀速旋进或旋退的同步性，显著提高了桩的承载能力，大幅降低桩基工程的造价成本；然而它的不足之处是不能实现特别是针对软土桩的侧阻力各异而实施混合灌注桩，其次是该发明专利是采用手工控制螺母抱合与分开，施工效率较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是针对上述现有技术存在的现状，提供一种针对软土桩的侧阻力各异而设计的上段为圆柱桩、下段为螺纹灌注桩的混合灌注桩成桩装置与成桩方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种混合灌注桩成桩装置，包括桩机、螺纹钻杆及其带螺母抱合机构的两个对分螺母；该两个对分螺母对称地安装在所述螺纹钻杆的左右两侧，该螺纹钻杆连接一螺纹钻头，所述螺纹钻杆设置为梯形螺纹，该螺纹钻杆的螺距、螺旋方向与所述螺纹钻头的螺距、螺旋方向一致，其特征在于，所述螺母抱合机构包括所述两个对分螺母的外径中央各设有第一铰点，该第一铰点各连接一千斤顶，该千斤顶各通过第二铰点分别连接在所述桩机的底盘两侧，所述对分螺母的外周各设有第三铰点，该第三铰点作为所述对分螺母的旋转中心分别连接在所述桩机底盘的靠近中心的两侧；所述千斤顶设置为电动液压自动控制。

上述采用的技术方案其有益效果是可以实现针对软土桩的侧阻力各异而采用针对性的混合灌注桩；并由电动液压控制系统操纵其对分螺母与螺旋钻杆的抱合或脱离动作，可以实现桩径尺寸参数施工的自动化程序控制，从而提升桩基工程的施工效率与施工质量；

为了获取本发明桩的螺旋嵌入土层的最佳剪切力，所述混合灌注桩的最佳尺寸参数为：

所述混合灌注桩的桩径500-700mm；

所述螺纹钻杆的外径为300-377mm、螺距为150-180mm、壁厚为15-16mm；

所述螺纹钻头的外径为400-600mm、螺距为150-180mm；

所述螺纹钻头梯形螺纹的截面高为50mm、截面底宽为40mm、截面顶宽为20mm；

所述螺纹钻杆梯形螺纹的截面高为50mm、截面底宽为50mm、截面顶宽为30mm。

本发明的施工程序是：

①桩机就位，将钻尖对准设计桩位，钻尖伸出处回缩至钻头，校正垂直；

②启动旋转动力头，加压旋拧钻头，将钻头与钻杆沿顺时针(正转)方向旋拧入土层，旋拧至设计深度，启动螺母抱合同步机构；

③起动泵送砼充满砼导管，同时启动旋转动力头沿逆时针(反转)方向旋拧的钻尖已脱离钻头呈悬挂状态；继续逆时针(反转)方向旋拧同时加外力上拔，泵送砼压力充入桩孔，保证螺旋钻头沿螺旋的螺距上升，而上拔力的大小不会改变该螺距上升的规律；将钻头在桩孔内上拔至设计桩的螺旋高度终止；

④退出螺母抱合同步机构，由反转变更为正转加外力上拔，泵送砼灌入桩孔，直至将钻头拔出桩孔，砼灌满桩孔；

⑤在灌满砼的桩孔中先清理满溢孔外的砼，找出灌满砼桩孔的中心，吊起制作好工字型钢，对准该中心，校正垂直，振动沉入灌满砼的桩孔内；

⑥即成上段为等直径的圆柱桩、下段为带螺旋灌注桩的混合灌注桩成桩。

本发明与现有技术相比，其优点是：其一，实现针对软土桩的侧阻力各异而实施混合灌注桩，使下段桩的侧表面由现有的平面形状改变为螺旋形状，桩的螺旋嵌入土层的桩侧阻力不是摩擦力而是螺旋嵌入土层的剪切力，而土的剪切力成倍数高于摩擦力，因而显著提高了桩的承载能力；其二，桩基工程的造价大幅降低，本发明比较现有等径灌注桩，可节省近一半桩的建材；其三是采用液压控制系统操纵对分螺母与螺旋钻杆的抱合或脱离状态，从而可以实现相对于各式各样桩径最佳尺寸参数施工的自动化程序控制，大大提升桩基工程的施工效率与施工质量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的对分螺母抱合装置动态示意图；

图3为本发明的螺旋钻杆与带接合子的螺旋钻头连接示意图；

图4为本发明施工程序示意图；

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1～图4所示，包括螺纹钻杆1及其相配置的两个对分螺母2；该螺纹钻杆1连接一带接合子的螺纹钻头10；该螺纹钻杆设置为梯形螺纹，该螺纹钻杆的螺距、螺旋方向与所述螺纹钻头10的螺距、螺旋方向一致。

因为对分螺母2与螺纹钻杆1抱合时，无论正转(顺时针旋转)旋入土层或者反转(逆时针旋转)旋出土层时，只要旋转的圈数相等则螺纹钻头10的旋入与旋出的位移与该螺纹钻杆1的位移是相等的。

对分螺母抱合时，强迫螺纹钻杆1与螺纹钻头10按其螺旋的螺距同步位移，所以螺纹钻头10在反转旋出土层的过程中在土层内留出的螺旋空隙迅速被压灌砼充填成螺旋砼，即成为带螺纹的灌注桩。

螺纹钻杆1与螺纹钻头10的同步位移，是螺旋灌注桩的施工必要条件。

加压(适当加压可減少旋入扭矩)正转旋拧螺纹钻杆1带动螺纹钻头10沉入土层至要求的高程，启动泵送砼；反转上拔(适当上拔力可減少旋出扭矩)旋出土层，螺纹钻头10的螺纹在土层内留出的螺旋空隙，迅速被压灌砼充填而成螺旋砼的螺旋灌注桩；直至反转上拔螺纹钻头10出地面，桩孔内滿灌砼，预先制作好的钢筋笼振动沉入桩孔砼的中心至要求的深度，完成钢筋砼螺旋灌注桩的施工；

当要求施工下段桩为带螺旋的灌注桩而上段桩为等径的圆截面的园柱桩时，在施工反转上拔过程，到达无螺纹直段桩的起点时停止；此时，将两个对分螺母2分离，即解除对螺纹钻杆1的抱合，重新启动即转变为正转上拔，一直按正转直至将螺纹钻头10上拔出地面，桩孔内满灌砼，预先制作好的钢筋笼振动沉入桩孔砼的中心至要求的深度，即完成本发明混合灌注桩的施工。

螺母抱合同步机构11包括两个对分螺母2对称地安装在螺纹钻杆1的左右二侧，两个对分螺母2各设有第一铰点5，两个第一铰点5各连接一千斤顶3，该两个千斤顶各通过第二铰点4分别连接在桩机底盘6的两侧；此外，两个对分螺母2的外周各设有第三铰点8，该第三铰点8作为对分螺母2的旋转中心也分别连接在靠近桩机底盘6中心的两侧；

当两个千斤顶3伸展时，两个对分螺母2左右顶紧抱合螺纹钻杆1；当两个千斤顶回缩时，两个对分螺母2各自沿第三铰点8的旋转中心向外侧旋转而解除抱合，由图2虚线所示的对分螺母2完全解除对钻杆1的抱合状态；

本实施例的桩径(螺纹的外径即为螺旋桩的桩径)与螺纹钻杆1、螺纹钻头10的最佳尺寸参数为：

对于桩径500-700mm时；螺纹钻杆1的外径为300-377mm、螺纹钻杆1的螺距为150-180mm、螺旋钻杆的壁厚为15-16mm；

螺纹钻头10的外径为400-600mm、螺旋钻头10的螺距为150-180mm；

此外，螺纹钻头10的梯形螺纹截面高为50mm、截面底宽为40mm、截面顶宽为20mm；而螺旋钻杆1的梯形螺纹截面高为50mm、截面底宽为50mm、截面顶宽为30mm；

螺纹钻杆1的螺旋截面尺寸与对分螺母2的螺旋截面尺寸是相互密配，才能使对分螺母2抱合螺纹钻杆1时，实现其旋入或旋出均为同步的效果。

本发明的施工程序如下：

①桩机就位，将钻尖对准设计桩位，钻尖伸出处回缩至钻头，校正垂直；

②启动旋转动力头，加压旋拧钻头，将钻头与钻杆沿顺时针(正转)方向旋拧入土层，旋拧至设计深度，启动螺母抱合同步机构；

③起动泵送砼充满砼导管，同时启动旋转动力头沿逆时针(反转)方向旋拧的钻尖已脱离钻头呈悬挂状态；继续逆时针(反转)方向旋拧同时加外力上拔，泵送砼压力充入桩孔，保证螺纹钻头沿螺旋的螺距S上升，而上拔力的大小不会改变沿螺纹的螺距上升的规律，将钻头在桩孔内上拔至设计螺旋的高度终止；

④退出螺旋同步的装置，由反转变更为正转加外力上拔，泵送砼灌入桩孔，直至将钻头拔出桩孔，砼灌满桩孔；

⑤在灌满砼的桩孔中先清理满溢孔外的砼，找出灌满砼桩孔的中心，吊起制作好工字型钢，对准该中心，校正垂直，振动沉入灌满砼的桩孔内；

⑥即成上段为等直径的圆柱桩、下段为带螺纹灌注桩的混合灌注桩成桩。

本发明是安装在桩机正面中心处底盘的侧面，由液压千斤顶执行顶伸或回缩两个对分螺母，实现与螺旋钻杆的抱合或脱离状态；在抱合时反转压灌施工的下段桩为螺纹灌注桩，脱离时为正转上拔压灌施工的上段桩为等径的圆柱桩。

本发明比较现有的摩擦型桩承载力值显著提高，使桩的下段带螺旋灌注桩侧表面由现有的平面形改变为螺旋形，桩的螺旋嵌入土层的桩侧阻力不是摩擦力而是螺纹嵌入土层的剪切力，而土的剪切力成倍数高于摩擦力，因而显著提高了桩的承载能力；如果是相同的建筑工程，则本发明可节省大量建材，使桩基工程的造价大幅降低。

又本发明采用液压控制系统操纵对分螺母与螺纹钻杆的抱合或脱离动作，从而可以实现应用可变程序控制器对各式各样桩径尺寸参数施工的自动化程序控制，大大提升桩基工程的施工效率与施工质量。

Claims (4)

1.一种混合灌注桩成桩装置，包括桩机、螺纹钻杆及其带螺母抱合机构的两个对分螺母；该两个对分螺母对称地安装在所述螺纹钻杆的左右两侧，该螺纹钻杆连接一带接合子的螺纹钻头，所述螺纹钻杆设置为梯形螺纹，该螺纹钻杆的螺距、螺旋方向与所述螺纹钻头的螺距、螺旋方向一致，其特征在于，所述螺母抱合机构(11)包括所述两个对分螺母(2)的外径中央各设有的第一铰点(5)，该第一铰点各连接一千斤顶(3)，该千斤顶各通过第二铰点(4)分别连接在所述桩机的底盘(6)两侧，所述对分螺母(2)的外周各设有第三铰点(8)，该第三铰点作为所述对分螺母的旋转中心分别连接在所述桩机底盘的靠近中心的两侧。

2.根据权利要求1所述混合灌注桩成桩装置，其特征在于，所述千斤顶(3)设置为电动液压自动控制。

3.根据权利要求1所述混合灌注桩成桩装置，其特征在于，所述混合灌注桩的最佳尺寸参数为：

所述混合灌注桩的桩径500-700mm；

所述螺纹钻杆(1)的外径为300-377mm、螺距为150-180mm、壁厚为15-16mm；

所述螺纹钻头(10)的外径为400-600mm、螺距为150-180mm；

所述螺纹钻头(10)梯形螺纹的截面高为50mm、截面底宽为40mm、截面顶宽为20mm；

所述螺纹钻杆(1)梯形螺纹的截面高为50mm、截面底宽为50mm、截面顶宽为30mm。

4.一种混合灌注桩施工工艺，其特征在于，使用权利要求1至3任一项所述的混合灌注桩成桩装置，包括以下步骤：

①桩机就位，将钻尖对准设计桩位，钻尖伸出处回缩至钻头，校正垂直；

②启动旋转动力头，加压旋拧钻头，将钻头与钻杆沿顺时针方向旋拧入土层，旋拧至设计深度，启动螺母抱合同步机构；

③起动泵送砼充满砼导管，同时启动旋转动力头沿逆时针方向旋拧的钻尖己脱离钻头呈悬挂状态；继续逆时针方向旋拧同时加外力上拔，泵送砼压力充入桩孔，保证螺旋钻头沿螺旋的螺距上升，而上拔力的大小不会改变该螺距上升的规律；将钻头在桩孔内上拔至设计桩的螺旋高度终止；

④退出螺母抱合同步机构，由反转变更为正转加外力上拔，泵送砼灌入桩孔，直至将钻头拔出桩孔，砼灌满桩孔；

⑤在灌满砼的桩孔中先清理满溢孔外的砼，找出灌满砼桩孔的中心，吊起制作好的工字型钢，对准该中心，校正垂直，振动沉入灌满砼的桩孔内；

⑥即成上段为等直径的圆柱桩、下段为带螺旋灌注桩的混合灌注桩成桩。