CN110130836A - 一种现浇水泥土复合地基用双管螺旋钻头及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种现浇水泥土复合地基用双管螺旋钻头及其施工方法，包括外筒和内筒，外筒均布有螺旋叶片，内筒穿过外筒固定有钻头，钻头开设有注浆孔，内筒底端套设有可收缩圆板装置，可收缩圆板装置包括扇形板，相邻扇形板间填充有折叠机构，外筒底端开设有与扇形板匹配的卡槽，扇形板外环端卡在卡槽内配合形成锥形，折叠机构折叠在锥形内部，扇形板通过扭转机构与内筒外环面连接。本发明不仅能够同时进行取土成孔和水泥土灌注，大大提高施工效率，同时能够克服传统灌注施工中拔管与灌浆步骤难以协调引起的断桩、缩颈等缺陷，还能够有效避免管壁掉土混入水泥土中导致水泥土桩不均匀的缺陷。

Description

一种现浇水泥土复合地基用双管螺旋钻头及其施工方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，具体涉及一种现浇水泥土复合地基用双管螺旋钻头及其施工方法。

背景技术

水泥土搅拌桩法是一种有效的地基处理方法，在建设工程领域有大规模的应用。但是随着国民经济的发展以及建设标准的提高，水泥土搅拌桩的功能由原来的竖向荷载作用，向侧向荷载和防渗作用转变，主要形成的实体工程有承载作用的复合地基、基坑支护的挡墙和止水结构、水工建筑物的防渗结构；且随着我国基础建设工程的规模、等级的不断提高，以及大规模水利、航运工程的新建与整治，这类需求更为紧迫、体量也更为庞大；由此对水泥土桩的技术参数产生了新的要求，由单一抗压指标向抗渗、抗剪指标要求转变。而传统工艺形成的水泥土桩体的质地差异，导致强度、渗透性不均，已成为制约该工艺技术进一步发展的关键因素。现浇水泥土桩(墙)地基处理方法，为解决现有水泥土搅拌桩普遍存在的强度低、指标离散性大等质量通病，提出了全新的解决思路和方法，其工艺简便、操控性强，具有广阔的应用前景。

传统搅拌法水泥土桩是应用掘搅机械在地基深处将原状土体切割破碎，同时喷入水泥混合浆液或水泥粉剂，通过水泥与土体的水化反应，形成具有一定强度和水稳定性的水泥土桩体；水泥土桩体改善了原有土体的力学性质，实现地基处理目标。但是需要指出的是，天然地基通常因沉积环境的不同，形成物理力学性质不同的土层结构，不同土层性质差异往往较大，水泥土桩体能否适应不同深度土层性质的需要，是其能否发挥应有加固效果的关键。大量工程实践表明，水泥土桩体强度经常因加固土体的土性不同而存在较大差异，水泥土28天无侧限抗压强度设计值一般为：1.2MPa～1.5MPa，芯样强度一般在1.0MPa左右，且随着深度增加呈递减趋势，取芯率难以达到规范要求的85％。同时，若被加固土体为淤泥质土或土体腐殖质含量较高时，水泥土芯样强度一般仅能达到0.5MPa左右，取芯率小于50％，难以达到设计要求；若被加固土体为砂土，则水泥土渗透系数一般为A×10-4～A×10-5cm/s难以达到设计要求的A×10-6～A×10-7cm/s。

具体而言，常规水泥土搅拌桩存在的缺陷：①局部软弱夹层或砂土夹层易导致桩体力学指标差异大，决定了桩身整体强度或渗透性能难以达到设计要求。②地层下部封闭式的原位搅拌方式，决定了其搅拌的均匀性不可控，易导致桩体结核、包壳、夹泥等现象，影响地基承载力的发挥。③水泥浆液大量外溢，桩体水泥掺量小于设计值，产生原材料浪费。④搅头呈水平搅拌运动状态导致桩体存在水平分层现象，桩体水平渗透性强，抗剪力低。⑤原状土各点搅拌次数不少于20次的控制，决定了单桩的成桩历时，制约了工期，增加了人力资源成本和管理成本。

为了改善传统搅拌法水泥土桩的不足之处，国家发明专利《一种预拌高强度水泥土地基基础》提出采用螺旋钻将地基土取出后形成桩孔，然后，将取出的土在地面与水泥、石子等材料进行搅拌后，再回填入取土桩孔中，形成水泥土桩，显然，这种方法可以有效提高水泥土的质量，克服传统水泥土搅拌桩的缺陷。然而，这种方法仍存在如下不足：一、采用长螺旋钻将地基土取出后形成的取土孔由于孔壁缺少支护，很容易发生塌孔，特别是在地下水位以下。二，取土与灌注水泥土分两步进行，相对于传统的水泥土搅拌桩的施工方法，大大增加了成桩时间。三、灌注过程中，孔壁出现掉土现象，土块调入灌注过程中的水泥土中，导致成桩后的水泥土桩质量缺陷。四、传统桩基灌注施工中，经常因为拔管速度与注浆速度不协调，导致拔管速度快于注浆速度，引起断桩现象。

发明内容

本发明的目的在于提供一种现浇水泥土复合地基用双管螺旋钻头，该钻头能够同时进行取土成孔和水泥土灌注，大大提高施工效率；并且克服传统灌注施工中拔管与灌浆步骤难以协调引起的断桩、缩颈等缺陷；还能够有效避免管壁掉土混入水泥土中导致水泥土桩不均匀的缺陷。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种现浇水泥土复合地基用双管螺旋钻头，包括空心同轴设置的外筒和内筒，所述外筒外表面沿轴向均布有螺旋叶片，所述内筒插入所述外筒，且内筒底端穿过外筒后固定有钻头，所述钻头上开设有注浆孔，所述内筒底端套设有可收缩圆板装置，所述可收缩圆板装置包括绕所述内筒呈环形间隔设置的若干个扇形板，所述相邻扇形板之间填充有折叠机构，所述扇形板和折叠机构配合形成与桩孔匹配的圆形，所述外筒底端开设有与所述扇形板的外环面匹配的一圈卡槽，所述若干个扇形板外环端卡在所述卡槽内配合形成锥形，所述折叠机构折叠在锥形内部，所述扇形板的内环面通过扭转机构与所述内筒外环面连接，所述扇形板外环端脱离所述外筒时，所述扭转机构控制所述扇形板朝底端翻转直至扇形板与所述折叠机构配合与桩孔壁贴合。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明设置有空心同轴设置的外筒和内筒，外筒周面设有螺旋叶片，内筒端部穿过外筒设有钻头，能够通过内筒和外筒配合打孔，通过内筒内部进行水泥土灌注，取土成孔和水泥土灌注能够同时进行，大大提高施工效率；

2、本发明内筒和外筒间设置有可收缩圆板装置，在打孔阶段，扇形板卡在外筒底端的卡槽内部，当打孔完成上提外筒从而使扇形板脱离外筒，在扭转机构的作用下，扇形板与折叠机构配合形成与桩孔匹配的圆形板密封桩孔，通过内筒注入水泥土时，圆形板在水泥土支撑作用下自动上拔，能够有效克服传统灌注施工中拔管与灌浆步骤难以协调引起的断桩、缩颈等缺陷；

3、本发明扇形板与折叠机构配合形成与桩孔匹配的圆形板密封桩孔，能够有效克服注入水泥土时，桩孔内壁以及筒壁粘连的土调入水泥土中导致水泥涂装不均匀的缺陷。

本发明的进一步改进方案如下：

进一步的，所述内筒外表面固定有用于限制所述扇形板最大翻转位置的限位块。

通过采用上述方案，限位块避免扇形板朝下弯曲过量，保证扇形板处于与桩孔匹配位置。

进一步的，所述折叠机构为帆布或折叠层板。

进一步的，所述扇形板的外环端朝上弯曲。

通过采用上述方案，扇形板的外环端朝上弯曲首先能够使得扇形板外环面能够在一定范围内与桩孔壁贴合，保证扇形板张开时能够与桩孔壁贴合；其次朝上弯曲的外环面能够竖直插入外筒底端的卡槽内，避免扇形板外环端倾斜插入易脱落。

进一步的，所述扭转机构包括扭转弹簧，所述扭转弹簧固定端与所述内筒外环面固定，活动端与所述扇形板内环面固定。

本发明还提出了一种采用上述双管螺旋钻头的施工方法，包括如下步骤：

S1依据设计桩径、桩长计算单桩体积，用挖机在现场取土，按照设计水泥掺量，通过强制搅拌机将土和水泥混合料均匀搅拌成水泥土；

S2采用自动检测仪器准确控制水泥土设定的含水率，保证水泥土强度、渗透性处于稳定状态；

S3将所述双管螺旋钻头安装在长螺旋钻机上，将长螺旋钻机移动至待打孔土层上；

S4通过长螺旋钻机打桩孔直至指定深度；

S5预提所述外筒，打开所述可收缩圆板装置；

S6利用拔桩装置上拔所述外筒，同时用泵向所述内筒内注步骤S1得到的水泥土，水泥土上升时，将展开后的可收缩圆板不断上提，带动内管向上运动，直至水泥土灌注至地表。同时，外筒上拔过程中形成的落土也掉落在展开的可收缩圆板上，随可收缩圆板带到地面。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明能够在取土打孔的同时由内筒灌注水泥土，大大简化施工步骤；

2、本发明直接现场取土搅拌，能够根据设计要求筛选土壤，可剔除对桩身强度或渗透性不利的土体，若以强度为主，则可剔除淤泥质土、腐殖质土及地层杂物；若以渗透为主还要剔除砂土，控制水泥土参数，能够有效提高水泥土质量；

3、本发明灌注水泥土的同时，内筒以及可收缩圆板装置在水泥土支撑作用下自动拔管，节省工序，同时避免拔管与灌浆步骤难以协调引起的断桩、缩颈等缺陷；

4、本发明扇形板与折叠机构配合形成与桩孔匹配的圆形板，能够克服桩孔内壁以及筒壁粘连的土调入水泥土中导致水泥涂装不均匀的缺陷；

5、本发明采用泵送式浇筑，能够准确控制桩体顶面高程，解决了传统施工溢浆满地的现象，减少因灰料掺入引起的体积增加而造成的材料浪费，有利于成本节约；

6、本发明所采用的长螺旋桩机、挖机、强制搅拌机、泵等机具均可在市场采购，无需再另行研发，因此不会额外增加机械成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1是本发明的实施例的结构示意图。

图2是本发明的实施例的可收缩圆板的结构示意图。

图中所示：

1、外筒；101、卡槽；

2、内筒；

3、螺旋叶片；

4、钻头；401、注浆孔；

5、可收缩圆板装置；501、扇形板；502、折叠机构；

6、扭转弹簧；

7、限位块。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

如图1-2所示，本实施例提供的一种现浇水泥土复合地基用双管螺旋钻头4，包括空心同轴设置的外筒1和内筒2，外筒1外表面沿轴向均布有螺旋叶片3，内筒2插入外筒1，且内筒2底端穿过外筒1后固定有钻头4，钻头4上开设有注浆孔401，内筒2底端套设有可收缩圆板装置5，可收缩圆板装置5包括绕内筒2呈环形间隔设置的若干个扇形板501，相邻扇形板501之间填充有折叠机构502，扇形板501和折叠机构502配合形成与桩孔匹配的圆形，外筒1底端开设有与扇形板501的外环面匹配的一圈卡槽101，若干个扇形板501外环端卡在卡槽101内配合形成锥形，折叠机构502折叠在锥形内部，扇形板501的内环面通过扭转机构与内筒2外环面连接，扇形板501外环端脱离外筒1时，扭转机构控制扇形板501朝底端翻转直至扇形板501与折叠机构502配合与桩孔壁贴合。

内筒2外表面固定有用于限制扇形板501最大翻转位置的限位块7。限位块7避免扇形板501朝下弯曲过量，保证扇形板501处于与桩孔匹配位置。

折叠机构502为帆布。

扇形板501的外环端朝上弯曲。扇形板501的外环端朝上弯曲首先能够使得扇形板501外环面能够在一定范围内与桩孔壁贴合，保证扇形板501张开时能够与桩孔壁贴合；其次朝上弯曲的外环面能够竖直插入外筒1底端的卡槽101内，避免扇形板501外环端倾斜插入易脱落。

扭转机构包括扭转弹簧6，扭转弹簧6固定端与内筒2外环面固定，活动端与扇形板501内环面固定。

本实施例设置有空心同轴设置的外筒1和内筒2，外筒1周面设有螺旋叶片3，内筒2端部穿过外筒1设有钻头4，能够通过内筒2和外筒1配合打孔，通过内筒2内部进行水泥土灌注，取土成孔和水泥土灌注能够同时进行，大大提高施工效率；

本实施例内筒2和外筒1间设置有可收缩圆板装置5，在打孔阶段，扇形板501卡在外筒1底端的卡槽101内部，当打孔完成上提外筒1从而使扇形板501脱离外筒1，在扭转机构的作用下，扇形板501与折叠机构502配合形成与桩孔匹配的圆形板密封桩孔，通过内筒2注入水泥土时，圆形板在水泥土支撑作用下自动上拔，能够有效克服传统灌注施工中拔管与灌浆步骤难以协调引起的断桩、缩颈等缺陷；

本实施例扇形板501与折叠机构502配合形成与桩孔匹配的圆形板密封桩孔，能够有效克服注入水泥土时，桩孔内壁以及筒壁粘连的土调入水泥土中导致水泥涂装不均匀的缺陷。

本实施例的具体施工方法如下：

S1依据设计桩径、桩长计算单桩体积，用挖机在现场取土，按照设计水泥掺量，通过强制搅拌机将土和水泥混合料均匀搅拌成水泥土；

S2采用自动检测仪器准确控制水泥土设定的含水率，保证水泥土强度、渗透性处于稳定状态；

S3将双管螺旋钻头4安装在长螺旋钻机上，将长螺旋钻机移动至待打孔土层上；

S4通过长螺旋钻机打桩孔直至指定深度；

S5预提外筒1，打开可收缩圆板装置5；

S6利用拔桩装置上拔外筒1，同时用泵向内筒2内注步骤S1得到的水泥土，直至水泥土灌注至地表。

采用上述方法的有益效果如下：

本实施例能够在取土打孔的同时由内筒2灌注水泥土，大大简化施工步骤；

本实施例直接现场取土搅拌，能够根据设计要求筛选土壤，可剔除对桩身强度或渗透性不利的土体，若以强度为主，则可剔除淤泥质土、腐殖质土及地层杂物；若以渗透为主还要剔除砂土，控制水泥土参数，能够有效提高水泥土质量；

本实施例灌注水泥土的同时，内筒2以及可收缩圆板装置5在水泥土支撑作用下自动拔管，节省工序，同时避免拔管与灌浆步骤难以协调引起的断桩、缩颈等缺陷；

本实施例扇形板501与折叠机构502配合形成与桩孔匹配的圆形板，能够克服桩孔内壁以及筒壁粘连的土调入水泥土中导致水泥涂装不均匀的缺陷；

本实施例采用泵送式浇筑，能够准确控制桩体顶面高程，解决了传统施工溢浆满地的现象，减少因灰料掺入引起的体积增加而造成的材料浪费，有利于成本节约；

本实施例所采用的长螺旋桩机、挖机、强制搅拌机、泵等机具均可在市场采购，无需再另行研发，因此不会额外增加机械成本。

本实施例的具体工程性试验研究的地基加固实例如下：

(1)试验区场地在加固深度范围内所揭示的土层如下：

①层：粉质粘土、重粉质壤土，含植物根茎，厚度0.4～4.5m；土质软硬不均匀，力学强度低。②层：粉质粘土、粘土，偶夹薄层砂壤土，含铁锰质、植物根茎，厚度0.7～3m；饱和，可塑～软塑状态，中压缩性，力学强度较低。③层：淤泥质粉质粘土、重粉质壤土，局部淤泥质粘土，夹薄层砂壤土，局部互层，含腐殖质，场地广泛分布，厚度1.2～23.8m；饱和，软塑～流塑状态，高压缩性，力学强度低。

本次试验研究水泥搅拌桩加固处理的土层为场地广泛分布的③层淤泥质粉质粘土。

(2)设计要求

1、水泥采用P.O 42.5级水泥，掺入量不小于15％，水泥浆所采用的水、水泥和外加剂计量允许误差为±2％。

2、设计桩径600mm，桩顶标高1.45m，设计桩长12m，桩间距1.2m，桩平面定位允许偏差50mm，垂直度允许偏差1.0％。

3、单桩承载力设计要求102kN，复合地基承载力设计要求85kPa，28d无侧限抗压强度1.2MPa。

(3)加固效果检测

采用传统搅拌桩工艺与本实施例进行对比试验，每种工艺分别施工3根桩。检测采用现场取芯检测和复合地基承载力及单桩承载力检测共同分析，数据汇总见下表。

本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (6)

1.一种现浇水泥土复合地基用双管螺旋钻头，其特征在于，包括空心同轴设置的外筒和内筒，所述外筒外表面沿轴向均布有螺旋叶片，所述内筒插入所述外筒，且内筒底端穿过外筒后固定有钻头，所述钻头上开设有注浆孔，所述内筒底端套设有可收缩圆板装置，所述可收缩圆板装置包括绕所述内筒呈环形间隔设置的若干个扇形板，所述相邻扇形板之间填充有折叠机构，所述扇形板和折叠机构配合形成与桩孔匹配的圆形，所述外筒底端开设有与所述扇形板的外环面匹配的一圈卡槽，所述若干个扇形板外环端卡在所述卡槽内配合形成锥形，所述折叠机构折叠在锥形内部，所述扇形板的内环面通过扭转机构与所述内筒外环面连接，所述扇形板外环端脱离所述外筒时，所述扭转机构控制所述扇形板朝底端翻转直至扇形板与所述折叠机构配合与桩孔壁贴合。

2.根据权利要求1所述的一种现浇水泥土复合地基用双管螺旋钻头，其特征在于，所述内筒外表面固定有用于限制所述扇形板最大翻转位置的限位块。

3.根据权利要求1所述的一种现浇水泥土复合地基用双管螺旋钻头，其特征在于，所述折叠机构为帆布或折叠层板。

4.根据权利要求1所述的一种现浇水泥土复合地基用双管螺旋钻头，其特征在于，所述扇形板的外环端朝上弯曲。

5.根据权利要求1至4任一所述的一种现浇水泥土复合地基用双管螺旋钻头，其特征在于，所述扭转机构包括扭转弹簧，所述扭转弹簧固定端与所述内筒外环面固定，活动端与所述扇形板内环面固定。

6.一种如权利要求1所述的一种现浇水泥土复合地基用双管螺旋钻头的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1依据设计桩径、桩长计算单桩体积，用挖机在现场取土，按照设计水泥掺量，通过强制搅拌机将土和水泥混合料均匀搅拌成水泥土；

S2采用自动检测仪器准确控制水泥土设定的含水率，保证水泥土强度、渗透性处于稳定状态；

S3将所述双管螺旋钻头安装在长螺旋钻机上，将长螺旋钻机移动至待打孔土层上；

S4通过长螺旋钻机打桩孔直至指定深度；

S5预提所述外筒，所述可收缩圆板装置自动打开；

S6利用拔桩装置上拔所述外筒，钻孔土逐渐被取出，钻孔逐渐形成；同时用泵向所述内筒内注步骤S1得到的水泥土，直至水泥土灌注至地表。