CN1087397A - 桩的施工方法及其设备 - Google Patents

Abstract

一种桩的成型设备(10)，它包括钻杆(11)，该钻 杆(11)包括锥形钻头(12)，该钻头(12)用来钻入地基 中形成桩孔。钻杆(11)设有径向伸缩臂(16)，该臂 (16)将周围土体向外推出，从而在钻杆旋转时在桩孔 周围形成环形孔。在地面上利用泵通过钻杆中的管 (20)，从臂(16)及钻头(12)顶端附近的开口(21)、 (22)向孔中注入浆液，在提升钻杆(11)时，也对桩孔 注入浆液。作为替换方式，可通过提升和旋转带有处 于伸出状态的臂(16)的钻杆，而在桩周围螺旋形成径 向扩张部分。

Description

本发明涉及一种截面直径变化的混凝土移动桩和该桩的成形方法及其设备。

关于混凝土桩已有多种型式。比如，混凝土桩可以为预制型或现浇型。预制桩一般要被打入地基中以形成所谓的“移动”桩，这就是说，使周围土体移动以提供进入该土体中的桩的通道。另一方面，现浇桩则一般属于非移动桩，因为混凝土是浇注在预制孔或管中的。由于移动桩与周围移动的土体之间具有较大的表面摩擦力，因此移动桩具有较大的承载力。

然而移动桩的施工本身存在一些缺点或问题。比如，一般需要较大功率的打桩机将桩打入土体中，所产生的噪音和振动会限制了该打桩机的使用进间和地点，从而增加了施工时间和造价。

桩的承载力主要取决于桩，特别是桩底部的横截面积。然而，为了增加桩的承载力而加大具有恒定截面的移动桩的直径则需要更多的材料，以及更大的桩驱动功率。为了克服上述缺点，在已有技术中，仅在桩的底部提供一个加大直径部分。DE3035436号专利中描述了一种带有直径扩大头的混凝土基础桩的成形方法。该方法包括将管子设入地基中，排出管内的土体，向管底部浇注混凝土，将带有可沿径向展开的刮削臂的旋转轴插入管中，之后将管提起，该提升高度等于上述扩大头的所需高度，使刮削臂伸出，从而混凝土与由刮削臂刮下或松动的土体相混合。然后取出旋转轴，向管中插入钢筋，接着向管内浇注混凝土，最后取出管而形成带有扩大头的现浇混凝土桩。然而，上述方法工期长，从而造价高，形成的桩也不属于移动桩。另外仅在桩底部直径较大。

为了发挥移动桩的优点，于是在已有技术中人们提出这样的方案，即通过将未凝固的混凝土压入管底部，以扩大周围土体的底部，从而使得插入地基中的管底部尺寸加大。这种桩的例子如US4906141、US4544515和GB2122241号专利所描述的。然而，上述已有技术仅适合于在桩底部形成扩大头，并且上述已有技术存在噪音和振动的问题。

GB2143565号专利描述了一种基础桩，该桩包括有管，该管包括沿径向可变形段。该方法的步骤包括首先将管打入地基，之后逐步浇注混凝土。在每一阶段，要向下压实混凝土，使管的可变形段形成扩大头。FR2386646号专利描述了一种管状金属桩，该桩按常规方式打入地基中，接着利用内部液压元件使该桩在其长度方向上按一定间距沿径向扩张，上述液压元件对管施加径向压力使其向外侧扩张。当按上述方式成形后向管状桩内浇注混凝土。虽然上述英国和法国专利描述的方法所形成的桩沿其长度方向设有直径加大段，但该桩基本仍不属于非移动桩，而唯一的“移动”仅仅是管的每个变形段的直径的增加。另外，上述桩施工时要求预先将金属管打入地基中并使其留在地基中，这样就增加了工期和造价。

已有技术中还包括将预制桩旋入地基中的方法。然而，该桩需用较高功率的设桩设备，并且桩周围设置的螺旋叶片会对周围土体造成破坏，从而会失去移动桩的部分优势。

本发明的目的在于提供一种改进的桩，该桩的成形方法及其设备，从而克服或部分消除上述缺点，或者至少为使用者提供一种有用的选择。

本发明一方面涉及一种桩的成形方法，该桩包括一个或多个径向扩张部分。将长条型钻杆设入地基中，通过将周围土体沿径向向外侧推出的方式形成桩孔。在本说明书中所述的“土体”这一术语包括土、砂、泥和其它地基材料。

上述钻杆设有至少一个臂，该臂沿径向伸缩。一旦该长条型钻杆钻至所需深度，上述臂便沿径向伸出从而进一步将周围土体向外侧推出。使该钻孔部件旋转从而该臂可在钻杆周围形成孔。对该孔灌注形成桩体的可硬化材料，如水泥浆。上述材料一般是通过管道输送的，该管道沿纵向穿过钻杆，并且它紧靠臂处设有开口。

上述管道还可在钻杆的底端或尖部设置开口，从而当提升钻杆时，钻杆下面所形成的桩孔中也可以压力方式灌入可硬化材料。

桩上的径向扩张部分是这样形成的，即将钻杆设定在一定的深度，同时使其和伸出的臂一起旋转，向所形成的环状孔中灌注浆液。一般来说可在桩底端形成直径扩大头。然而也可在其它选定的深度形成上述位于桩上的法兰状环状体，以便针对特定的地质状况获得最大的桩承载力。因为桩的每一孔段是在径向扩张环状孔灌注后紧接着进行灌注的，故所形成的桩是整体现场浇注形成的移动桩，该桩在所需的深度具有径向扩张部分。

作为替换的方式，也可使臂伸出的同时提升钻杆并使其旋转。于是上述臂便在桩孔周围形成螺旋孔，这样对上述桩孔和螺旋孔压力注浆，便可形成成整体的螺旋桩。

本发明的另一方面涉及一种桩的成形设备，该设备包括长条型钻杆，该钻杆以将周围土体沿径向向外推出的方式设入地基中来形成桩孔，上述钻杆设有至少一个臂，该臂沿径向伸缩;使钻杆绕其纵向轴旋转的装置;使臂伸出以便进一步将周围土体沿径向向外侧推出、并且当钻杆旋转时可在钻杆周围形成孔的装置;沿桩孔将钻杆提出的装置;输送装置，该输送装置可在钻杆提出时将可硬化的材料压入上述孔及桩孔中，从而形成具有至少一个径向扩张部分的现浇桩。

上述长条型钻杆一般包括钢管式钻杆，该钻杆可打入或拧入地基中。最好将该钻杆旋入地基中，为此该钻杆要设有锥形头以及沿该锥形头分布的螺旋叶片。当将钻杆旋入地基中时，由于该钻杆对其周围的土体进行压实并使其产生移动，从而可形成桩孔，直至达到设计深度。

在本发明的一个实施例中，钻杆上设有两个伸缩臂，这两个伸缩臂沿径向相对设置，这两个臂相对其相应的纵向轴旋转，该纵向轴与长条型钻杆的中心纵向轴隔开有一定距离。每个臂具有预定的（轴向）厚度，其外表面与钻杆的形状相吻合。当臂收缩时，其外表面基本与钻杆的外圆柱表面相对齐，然而当该臂绕其相应的旋转轴沿径向伸出时，它们形成沿径向的弓状凸起件，从而进一步将周围土体推出，并且在钻杆旋转时，在钻杆周围形成基本成环状的孔。

一般径向伸缩臂，靠近在钻头后面的钻杆端部设置。

上述径向伸缩臂可通过任何适合的装置伸出和/或收回。最好，借助液压缸来控制伸缩臂，该液压缸设置在伸缩臂之间。该液压缸可通过液压管线摇控，该管线穿过长条型钻杆并通过适合的旋转接合件与位于地面上的供操作人员使用的液压控制装置相连。

可采用使钻杆旋转的任何适合装置。一般采用液压方式使钻杆旋转。

将可硬化材料注入桩孔和环状孔中的输送装置，包括输送管或其它管道，该管沿纵向穿过钻杆并通过适合的旋转接合件与地面上的可硬化材料供应源相连。上述管在径向伸缩臂之间设有开口，以便使可硬化材料送入伸缩臂所形成的环状孔中。上述管/管道靠近钻头部位设有另一开口7以便在提升钻杆时将可硬化材料送入桩孔中。

一般来说上述可硬化材料为砂浆、混凝土或类似粘结材料。

在另一实施例中，钻杆仅设有一个径向伸缩臂。该臂可按上述方式按一定间距在桩上形成径向扩张部分，或者在提升钻杆并使其旋转时，该臂伸出，从而形成具有径向扩张部分的桩，上述扩张部分与桩身成整体并以螺旋方式分布在桩面上。

本发明的成桩设备，桩的成形方法及所形成的桩与已有技术相比具有下述优点。第一，在浇注桩（或锚杆）时，伸缩臂在任何给定的选定深度伸出，从而可根据土体强度状况获得最佳效果。也就是说，桩直径在土体可提供最大支承力的深度上加大，从而对特定尺寸的桩可获得最大的桩承载力。另外，提供很小或不能提供支承力的土体（如泥），或者容易产生位移的土体（如粘性土）则固定住表面平滑的具有最小桩身直径的桩段。因此该桩可预制，以适合现场的特定地质条件。

第二，所形成的桩属于纯移动桩，因此与具有相应尺寸的非移动桩相比，它具有更高的承载力。

第三，本发明的桩施工时噪音很小，并且不产生会对周围表面和/或结构物造成破坏的振动。

第四，本发明的桩与已有技术的桩相比，在给定的承载力的条件下使用较少的混凝土。

第五、本发明的桩包括叶片状部分，它将桩嵌入地基中，从而增加了承载力。

第六、本发明的桩具有较好的径向应力荷载。

第七、由于可对钻杆的插入深度和旋转速度以及伸缩臂的伸出长度进行适当控制，故可进行各种桩形的设计。

下面结合实施例对本发明的最佳实施例进行描述。

图1为桩的成形设备的一个实施例的截面示意图;

图2为图1所示设备前端部分的示意图;

图3为图1所示设备中的伸缩臂的平面剖示图;

图4为桩成形设备另一实施例中的伸缩臂的平面剖视图;

图5为图4所示伸缩臂处于伸出状态的平面剖视图。

如图1-3所示，作为第一个实施例7本发明的桩成形设备10包括长条型钻杆，它一般为钢管式钻杆11，该钻杆11设有锥形钻头12。在钻头12周围设有螺旋叶片13，以形成螺旋钻结构，从而可将钻杆12旋入地基中。钻尖14一般呈三角片状，它固定于管件23上，该管件23可伸缩地套装在钻头12内，从图2可清楚地看清这一点。

如图2和3所示，桩成形设备10设有一对沿径向相对并沿径向伸缩的臂16，它紧靠钻头12设置。每个臂16与其相应的轴17固定，该轴17以轴颈方式支承，从而可相对一纵向轴旋转，该纵向轴17与钻杆11的中心纵轴隔开一定距离。每个轴17设有曲臂18。在曲臂18之间铰接有液压缸19。液压缸19伸长时可使伸缩臂16向外侧沿径向旋转，液压缸19回收时可使伸缩臂16回收在钻杆11的环形槽内。当伸缩臂16全部收回时，其外表面基本与钻头12的底部圆柱面相平齐（在砂质地基中可采用更粗的钻头）。

可通过主液压缸或泵（图中未示出）对液压缸19进行操纵，上述主液压缸或泵由操作人员控制。一般来说，液压控制杆与钻孔控制器设置在地面。位于地面的主液压缸控制辅助液压缸19的伸缩量，进而控制抻缩臂16的径向伸出量。辅助液压缸19通过液压软管与其主液压缸相连，该软管向上延伸穿过钻杆11内部并通过适合的旋转接合件与主液压缸相连。按此方式，在钻杆旋转时，操作人员可有选择地使伸缩臂16伸出/回收。

中心输送管20沿纵向穿过钻杆11，其顶端通过适合的旋转接合件与砂浆、混凝土或其它可硬化材料供应源相连。

输送管20的底端设有一对相对设置的开口21，该开口21设在伸缩臂16之间。在用于固定钻尖14的伸缩管件23中，也开设一对开口22。

钻杆11设有薄壁套筒15，它位于伸缩臂16后面。该套筒15可沿钻杆轴向回缩，从而（例如）在使用时可触及伸缩臂的操纵机构。然而在一般操作过程中，该套筒处于关闭状态。

在施工时，可采用任何适合的钻头将钻杆11钻入地基中。当钻杆11旋转时，螺旋叶片13拉动钻杆11进入地基中，锥形钻头12压实和推动周围土体从而形成钻杆穿过的桩孔。也可在钻杆11上设置螺旋状叶片（图中未示出），以便有助于将钻杆钻入地基中（另外也有助于特别是在坚硬的粘性土体中取出钻杆）。上述钻孔步骤可持续进行，直至达到所需的深度。

然后调整钻杆的深度，以便使伸缩臂位于形成桩的最下边的径向扩张部分的位置，即如图1所示的字母“A”的位置。一般来说，当钻杆11位于其最底端位置，即靠近桩脚的位置时可形成径向扩张部分，尽管在上述位置径向扩张部分是不必要的。

接着在操作人员的控制下，通过液压缸19使伸缩臂16旋转，从而该臂向外侧沿径向伸出（由于作用于伸缩臂上的压力是相等的，故两个伸缩臂在两侧的伸出量相等）。同时，使钻杆旋转（沿图示方向）从而伸缩臂16向外推动周围土体，将其压实，从而在桩孔周围形成基本呈环形的孔。该环状的孔的高度等于伸缩臂16的厚度。

此后通过输送管20和开口21向伸缩臂16所形成的环状孔中压力注浆或其它合适的材料。上述采用的压力注浆有助于在伸缩臂16回收时使土体处于被向外推出的状态。

之后提升钻杆11，以使伸缩臂处于下一位置（如果有），该位置桩需要径向扩张，例如如图1所示的“B”位置。当提升钻杆11时，将浆液从位于钻头12顶端的开口22压出使其注入钻头下面的桩孔中。由于钻尖14是以伸缩配合方式固定的，从而该钻尖14在钻孔时抵压在钻头12的底部上，而在提出钻杆11时该钻尖14在浆液压力作用下伸出，从而使浆液从开口22排出。

上述步骤反复进行直至在所需深度形成所需数量的桩的径向扩张部分，并且浇注形成剩余的桩身。

对该领域技术人员来说很容易得知，上述所形成的桩为现场浇注的移动桩。该桩具有可增加桩承载力的径向扩张部分，该扩张部分是根据地质状况设置在选定的深度，这样在使用给定量混凝土的情况下获得了最高的桩承载力。

本发明的第二实施例如图4和5所示。在该实施例中，桩成形设备（30）包括钻杆，该钻杆仅设有一个伸缩臂（31）。该伸缩臂（31）与图1-3所述的实施例中的伸缩臂（16）类似，它固定于旋转轴（32）上，该轴（32）以适合方式轴颈支承于钻杆内部，该轴（32）绕其纵向轴旋转，该纵向轴与钻杆的中心纵向轴隔开一定距离，并与其保持平行。

液压缸连接于钻杆与曲臂（34）之间，该曲臂（34）与轴（32）相连，该压缸（33）可按控制图（2）中液压缸（19）的类似方式通过地面操作人员进行摇控操作。

伸缩臂（31）还开有锥形孔（36）。当伸缩臂（31）回收时，径向塞件（37）从钻杆中的中心管状固定件（38）向外伸出，从而将伸缩臂中的孔（36）封闭起来。

如图4所示，向钻杆顶端输送浆液的注浆管（39），在靠近伸缩臂（31）处设有开口（40）。

施工时，使液压缸伸长，从而使伸缩臂（31）旋转，并将周围土体向外推出。当钻杆旋转时，伸缩臂（31）将周围土体向外侧推出，从而在钻杆周围形成孔，该情况与图1-3中的实施例类似。然而图4和5所示的实施例中的伸缩臂（31）的端部与图2所示的伸缩臂（16）的端部形状不同，并且该伸缩臂（31）是按相反方向装配的。因此当钻杆按图示方向旋转时，作用于伸缩臂（31）上的周围土体的作用力便会有助于伸缩臂沿径向向外伸出。当伸缩臂（31）完全伸出时，该伸缩臂的前端边缘仍位于钻杆的圆周内，并且不会切入周围土体中。而上述周围土体是由伸缩臂（31）的外表面（35）向外推出。为了减小摩擦，外表面（35）为耐磨材料硬化层。

当伸缩臂（31）向外侧伸出时，上述锥形孔（36）不在为塞件（37）所堵塞。这样在压力下，浆液便从注浆管（39）中的开口（40）通过锥形孔（36）注入到伸缩臂（31）所形成的位于钻杆周围的孔中。当使用泵进行压力注浆时，在伸缩臂回缩的过程中，该浆液仍能将周围土体向外推出。

除了单伸缩臂（31）可实现双伸缩臂（16）的功能这一点之外，图4和5所示的桩成形设的改进形式与图1-3所示的实施例的情况类似，也可用于形成具有径向扩张部分的桩，上述径向扩张部分沿桩纵向隔开一定距离。图4和5述的实施例还可用于形成现场浇注的螺旋桩，该螺旋桩的成形方法包括：使钻杆旋转，同时将其提起，使伸缩臂（31）伸出，这样在钻杆所形成的钻孔周围形成螺旋孔。在提升钻杆时对上述钻孔和螺旋孔进行压力注浆，从而现场浇注形成整体的螺旋桩，为了便于伸缩臂按螺旋方式向上行进，可将伸缩臂的方形前端边缘改成三角形边缘。

当然也可利用图1-3所示的桩成形设备制作螺旋桩，该桩沿其柱表面具有双螺旋。

上面仅对本发明的部分实施例进行了描述，在不脱离后面所附的权利要求所限定的本发明的保护范围的情况下，可以对本发明进行改进，而该改进对该领域技术人员来说是很容易想到的。例如，虽然本发明的最佳实施例是按形成竖直桩的方式来描述的，但是本发明也可用来形成沿其它方向的地锚。另外，可用其它的径向伸缩装置来代替图示实施例中的铰接伸缩臂（16）、（31）。

Claims (15)

1、一种形成桩的方法，其步骤包括：

通过将周围土体推出的方式将长条型钻杆设入地基中形成桩孔，该钻杆至少包括一个沿径向伸缩的臂；

将伸缩臂沿径向向外伸出，以便进一步将周围土体向外侧推出；

旋转钻杆使伸缩臂在钻杆周围形成孔；

对该孔注入可硬化的材料。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于它还包括下列步骤：沿桩孔轴向提出钻杆，对钻杆下面的桩孔注入可硬化材料，以形成具有至少一个径向扩张部分的现场浇注桩。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于在钻杆旋转且伸缩臂伸出时，将该钻杆维持在桩孔中固定的深度，从而形成与桩身成整体的环形径向扩张部分。

4、根据权利要求3所述的方法，其特征在于伸缩臂靠近钻杆前端设置，这样在靠近桩脚附近可形成径向扩张部分。

5、根据权利要求3所述的方法，其特征在于，沿桩纵向按一定间隔，在选定的位置连续形成与桩身成整体的多个环形径向扩张部分。

6、根据权利要求2所述的方法，其特征在于提升钻杆的同时使其旋转，并且使伸缩臂伸出，从而在桩周围形成与桩身成整体的螺旋体。

7、根据权利要求2所述的方法，其特征在于上述的可硬化材料为混凝土，将该混凝土通过钻杆中的管道泵入伸缩臂附近及钻杆前端附近所设置的开口。

8、一种按照权利要求2所述方法形成的桩。

9、一种桩的成型设备，它包括长条型钻杆，该钻杆以将周围土体向外推出的方式设入地基中形成桩孔，该钻杆至少具有一个沿径向伸缩的臂;

使钻杆绕其纵向轴旋转的装置;

使伸缩臂伸出进而将周围土体沿径向向外推出并且在钻杆旋转时在钻杆周围形成孔的装置;

将钻杆沿桩孔提出的装置;

输送装置，在提出钻杆时，该装置将可硬化材料注入上述孔及桩孔中，以形成具有至少一个径向扩张部分的现场浇注桩。

10、根据权利要求9所述的设备，其特征在于上述伸缩臂铰接于钻杆上，该伸缩臂通过在径向面内旋转而实现伸缩。

11、根据权利要求10所述的设备，其特征在于上述伸缩臂通过液压缸而伸出，该液压缸连接于伸缩臂与钻杆之间，液压缸借助穿过钻杆的连接软管而实现摇控操作。

12、根据权利要求9所述的设备，其特征在于它包括一对伸缩臂，该伸缩臂相对设置，它们处于同一径向平面内并铰接于钻杆上，在该对伸缩臂之间连有液压缸，该液压缸以摇控方式操作，从而使伸缩臂相对钻杆沿径向伸出或收回。

13、根据权利要求9所述的设置，其特征在于上述钻杆包括金属管式钻杆，该钻杆用来旋入地基中，所述的伸缩臂靠近钻杆前端设置。

14、根据权利要求13所述的设置，其特征在于所述的输送装置包括纵向穿过钻杆的管道，该管道在靠近绅缩臂附近以及在钻杆前端设有开口，另外上述设备还包括将可硬化材料通过上述管道送至开口处的泵。

15、根据权利要求14所述的设备，其特征在于在钻杆前端设有锥形钻头，上述开口设在锥形钻头的顶端，该锥形钻头外表呈螺旋叶片状

Images