CN110206030A - 挤喷扩孔压灌混凝土桩及其施工方法和钻机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种挤喷扩孔压灌混凝土桩及其施工方法和钻机，其桩体由桩身、扩径体和桩端组成，桩体由内至外依次为混凝土、水泥土层和挤密土层。本发明提高了单桩承载力1‑3倍，节约建筑材料、少出废料，更能保护自然环境，是一种高承载力、低压缩变形环保型桩。本发明施工过程中无需采用大扭矩动力输出，仅仅采用常规的动力输出即可施工，而且施工过程无需更换钻具，动力需要扭矩小、能耗低，施工方便。

Description

挤喷扩孔压灌混凝土桩及其施工方法和钻机

技术领域

本发明概括地说涉及混凝土桩，具体地说是涉及一种现场灌注混凝土桩、施工方法和钻机。

背景技术

建筑行业是一个大量消耗自然资源和能源，对环境造成负面影响比较明显和突出的行业，在建筑施工上少出废料、降低能耗，用创新技术提高工程质量，降低建筑材料的耗用量，是迫在眉捷的任务。

目前，国内外建筑结构基础工程大部分采用混凝土桩基础，在钻孔灌注桩施工过程中会将桩孔中的土体、泥浆排出地面。为减少施工排放，近年来国内出现了多种螺旋挤土灌注桩，但该类型桩突出的问题是施工需大扭矩动力输送且能耗大。为了使桩基能满足抗变形，抗震和承载建筑设计要求常采用加长桩、加大桩体直径等方式来提高承载力。但是，加长或加大桩体都会导致增加砼的用量，特别是当桩体长度和直径之比过大时，桩体的承载力能力会显著下降，通过加长或加大桩体直径来提高桩体的承载力，往往是徒劳的。同时势必会造成砼的大量浪费。

常规螺旋挤土灌注桩在钻孔时，把砼桩周围土层挤密，提高了砼桩周围的摩阻力和端阻力50％左右，再提高更多单桩承载力，难度是非常大的。因此工艺特别复杂，施工人员通常根据不同的地层硬度情况，选用不同的钻具，比如在砂层使用砂层钻杆，在硬土层使用硬土层钻杆等等，在遇到较硬的地层时，往往采用两台75kW以上的电机进行大功率输出，才能完成钻进。

这种施工方式虽然完成了钻孔，但是因为使用大扭矩动力输送、高硬度的钻具进行强行钻进，导致原有的地层骨架结构被破坏，已破坏的岩土颗粒虽然被挤压在一起，但是无法有效的形成新的骨架结构，而且，随着时间的推移，外界环境中的水分不断渗入，混凝土桩附近的岩土颗粒将重新形成骨架而发生下沉，从而导致混凝土桩的承载力下降。

因此，为解决上述问题，急需对现有的挤扩桩、施工方法和所用的钻机进行改进。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种挤喷扩孔压灌混凝土桩。

本发明的又一目的是提供一种挤喷扩孔压灌混凝土桩的施工方法。

本发明的另一目的是提供一种挤喷扩孔压灌混凝土桩钻机。

采用的技术方案具体如下：

一种挤喷扩孔压灌混凝土桩，其桩体由桩身、扩径体和桩端组成，所述桩体由内至外依次为混凝土、水泥土层和挤密土层。

其中，所述桩体内设有钢筋笼。所述扩径体设在具有较高变形模量和高抗剪切的土层。

其中，所述桩身的最大直径小于所述扩径体的最大直径。双锥台扩径体的锥台斜面受力时，增大了承载力。

进一步的，所述扩径体为与桩身一体成型的双锥台型扩径体，其数量为至少一个。

双锥台扩径体的下部斜面与桩体中轴线的夹角α＝5°～80°。

挤喷扩孔压灌混凝土桩的施工方法，包括以下步骤：

(1)用挤喷扩孔压灌混凝土桩钻机，挤土扩孔钻进，当遇到硬土层钻孔困难时，旋喷水泥浆或水软化土层，继续钻进，直至钻孔到设计深度。

(2)调整喷嘴压力(1-40MPa)和提升速度(6-60cm/min)，左旋提升钻杆旋喷水泥浆制作水泥土倒锥台扩径体，顺次压灌挤振混凝土，到旋喷扩径体的设计高度形成混凝土与水泥土复合双锥台扩径体；

(3)调整提升速度，继续左旋提升钻杆同时压灌混凝土到桩顶设计标高，在提升钻杆时水泥浆湿润土体，钻具将钻具孔壁间塌落、钻松或缩径的土体和旋喷上升的水泥浆搅拌混合而成的水泥土的全部或大部分逐渐挤压到桩孔壁周围土体中，形成水泥土层，增加桩身直径，由于土层空隙中水的润滑作用，不同形状、大小的土壤颗粒进一步重新排列，在水泥土层的最外侧形成一层密度更大的挤密土层，最终形成由内而外依次为混凝土、水泥土层和挤密土层的素混凝土桩。

进一步的，形成素混凝土桩后，将钢筋笼插入桩孔内的混凝土中到设计深度，形成钢筋混凝土桩。

一种挤喷扩孔压灌混凝土桩钻机，包括由多个分体钻具组合而成的螺旋空心钻杆、与螺旋空心钻杆相连的动力头，螺旋空心钻杆的芯管外壁或内壁一侧由上至下安装有高压注浆管，高压注浆管的上端与动力头和注浆器相连，所述分体钻具包括钻头分体钻具、扩径分体钻具和至少一根左旋分体钻具，所述扩径分体钻具的中部为等直径中空圆柱形挤扩体，所述挤扩体的上方设有外径由下至上逐渐减小的上圆锥台，所述挤扩体的下方设有外径由下至上逐渐增大的下圆锥台，所述高压注浆管的下端设有多层注浆喷头，所述注浆喷头位于钻头分体钻具的螺旋叶片外边缘的下方，所述分体钻具的外螺旋叶片的宽度为5-20cm。当用于软土地层施工时，所述分体钻具的外螺旋叶片的宽度为5-10cm。

本发明所述的挤喷扩孔压灌混凝土桩钻机，其中，所述注浆喷头沿钻杆叶片圆周方向均匀布置，相邻两层注浆喷头的间距为5-35cm，每层注浆喷头设有1个或多个喷嘴，喷射压力为1-40MPa。

本发明所述的挤喷扩孔压灌混凝土桩钻机，其中，所述注浆喷头为三层，每层注浆喷头上设有1-2个喷嘴，喷嘴的直径为2mm-3mm。三层注浆喷头在水平面的投影呈120°均匀分布。

其中，钻头分体钻具长度为1-1.5m，扩径分体钻具长度为1-1.5m，左旋分体钻具的数量根据设计深度来确定。

所有分体钻具的外螺旋叶片均为等螺距或变螺距；外螺旋叶片直径等于设计的灌注桩的桩身直径。所有的分体钻具均通过中空六方快速接头或法兰连接。

本发明的施工方法，采用挤土钻具成孔，用多层高压喷嘴旋喷切割土体形成双锥台水泥土扩径体，同时水泥浆顺钻杆周围空隙上升，与桩孔内的松散土由左旋钻具搅拌成水泥土，挤压在桩孔周围孔壁上，增加了扩径体的直径。旋喷扩径体完成后，提升钻杆压灌振挤混凝土置换扩径体内水泥土形成内芯为混凝土、外围为水泥土的组合扩径体；然后提钻压灌混凝土桩身，钻具继续旋转将钻具孔壁间塌落、钻松或缩径的土体和旋喷上升的水泥浆搅拌混合而成的水泥土的全部或大部分逐渐挤压到桩孔壁周围土体中(一方面，下部的扩径分体钻具的扩径体不断挤压土体；另一方面，上部的左旋分体钻具连接而成的钻杆长度很长，且钻具的叶片宽度仅为5-20cm，大部分土体无法随叶片带出孔外，也被不断的挤压入周围地层)，形成水泥土层，增加了桩身直径，由于土层空隙中水的润滑增大，经过挤压后不同形状、大小的土层颗粒进一步重新排列，在水泥土层的最外侧形成一层密度更大的挤密土层(因水泥水化所需的水量远远小于配置水泥浆的水量，因此，水泥浆中多余的水分约50％，随钻具旋转挤压而向周围被挤破的地层渗入，较粗大的水泥颗粒无法进入远处地层，则在水泥土层最外侧形成一层细水泥土层，而水分则能渗入远处的地层，与原始结构被破坏的土层颗粒进一步反应，形成更为密实的、新的结构骨架，即挤密土层固化粘结，强度逐渐升高，整个桩体周围的土层受压变形很小，最适合为复合地基桩土共同承载)，形成挤喷扩孔压灌混凝土桩。而且随着时间延长，桩体的承载力将越来越大。

最终形成的挤喷扩孔压灌混凝土桩，混凝土、水泥土层和挤密土层紧密得连在一起，桩身与倒锥台扩径体为一体，当桩顶受压时拉动桩身和锥台挤密周围土层一起受力，由原来的桩土之间的摩阻力转化为被挤密土层以外的土层的剪切力。

本发明的挤喷扩孔钻具施工灌注桩，用高压旋喷技术在地层不同深度用多层喷头增加复喷次数，喷成不同直径扩径体组成楔子型倒锥台合理桩型。旋喷水泥浆中的一部分水泥浆顺钻杆上升，多余水份渗透到土层中使土粒间润滑增大，消耗能量低，可压密土层。桩周土层高喷挤压接近被动土压力，被挤扩孔桩身焊接在锥台扩径体内，使桩身周围挤密的土层和锥台挤密土层连在一起，所以在挤喷扩孔灌砼桩承载力的工程计算中，考虑桩周围挤密土的共同作用问题，使桩侧面积增大，拉动桩身和锥台挤密周围土层一起受力，由原来的桩土之间的摩阻力转化为被挤密水泥土层以外土层的剪切力。因此，挤喷扩孔压灌砼桩的技术、成本、环保优势极其明显。

同现有技术相比，本发明的突出效果在于：

(1)现有技术在硬土地层钻孔时，需使用大扭矩动力输送(一般为2台75kW以上的电机)，且需更换高硬度的钻具；而本发明无需采用大扭矩动力输出，仅仅采用常规的动力输出即可施工，而且施工过程无需更换钻具(对钻头的硬度要求低)，动力需要扭矩小、能耗低，施工方便；且本发明钻机最终挤密的地层的密实度要大于现有技术中“短螺旋挤密桩机”施工地层的密实度。

(2)现有技术在硬土地层钻孔时，因地层较硬，绝大部分土体无法挤入孔壁，成孔困难；而本发明因水泥浆中水分的参与、钻具叶片很窄(仅5-20cm；如：当桩径为400mm时，叶片宽度采用5cm；当桩径为800mm时，叶片宽度采用20cm)、钻具旋转挤压等关键要素的配合，能够将桩孔中的土体和浆体全部或大部分挤压到桩孔周围的土体中，至少能够减少60％的出土量，更为高效环保。

(3)在同等地质条件下，不增加材料用量，不改变压灌桩工艺基础上，只需把通常等截面圆柱形桩体，用挤土扩孔设备在桩身挤密孔壁土层，同时在锥台持力层中用水泥浆扩孔压灌混凝土制作倒锥台合理桩型。

(4)提高单桩承载力1-3倍，节约建筑材料、少出废料，更能保护自然环境，是一种高承载力、低压缩变形环保型桩。

下面结合附图说明和具体实施例对本发明的挤喷扩孔压灌混凝土桩及其施工方法和钻机作进一步说明。

附图说明

图1为挤喷扩孔压灌混凝土桩钻机的结构示意图；

图2为钻头分体钻具的结构示意图；

图3为扩径分体钻具的结构示意图；

图4为左旋分体钻具的结构示意图；

图5为钻头分体钻具的俯视图；

图6为挤喷扩孔压灌混凝土桩的剖面示意图；

图7为挤喷扩孔压灌混凝土桩的施工流程图。

具体实施方式

实施例1

结合图1-5所示，一种挤喷扩孔压灌混凝土桩钻机，包括由多个分体钻具组合而成的螺旋空心钻杆、与螺旋空心钻杆相连的动力头5，螺旋空心钻杆的芯管外壁或内壁一侧由上至下安装有高压注浆管4，高压注浆管4的上端通过动力头5的内腔与注浆器6相连，分体钻具包括钻头分体钻具1、扩径分体钻具2和至少一根左旋分体钻具3，如图3所示，扩径分体钻具2的中部为等直径中空圆柱形挤扩体21，挤扩体21的上方设有外径由下至上逐渐减小的上圆锥台22，挤扩体21的下方设有外径由下至上逐渐增大的下圆锥台23，高压注浆管4的下端设有多层注浆喷头11，注浆喷头11位于钻头分体钻具1的螺旋叶片外边缘的下方，分体钻具的外螺旋叶片的宽度为5-20cm。

相邻两层注浆喷头11的间距为15cm，每层注浆喷头11设有2个喷嘴，喷射压力为1-40MPa。

注浆喷头11为三层，每层注浆喷头11上设有2个喷嘴，喷嘴的直径为2mm。三层注浆喷头在水平面的投影呈120°均匀分布。

其中，钻头分体钻具长度为1-1.5m，扩径分体钻具长度为1-1.5m，左旋分体钻具的数量根据设计深度来确定。

所有分体钻具的外螺旋叶片均为等螺距或变螺距；外螺旋叶片直径等于设计的灌注桩的桩身直径。所有的分体钻具均通过中空六方快速接头或法兰连接。

在其他工程实施例中，根据实际施工要求，注浆喷头的层数可以为2-10层。每层注浆喷头上可设有1-6个喷嘴，每个喷嘴的承压设为1-40MPa。相邻上下两层注浆喷头之间的间距可以为5～35cm，每层注浆喷头中的相邻两个喷嘴之间的水平间距可以为1～6cm，喷嘴的直径可以为2-10mm。

实施例2

如图6所示，一种挤喷扩孔压灌混凝土桩，其桩体由桩身101、扩径体102和桩端103组成，桩体由内至外依次为混凝土100、水泥土层200和挤密土层300。桩体内设有钢筋笼400。

扩径体102设在具有较高变形模量和高抗剪切的土层。

桩身101的最大直径小于扩径体102的最大直径，桩身101的最大直径大于或等于桩端103的最大直径。

扩径体102为与桩身101一体成型的双锥台型扩径体，其数量为一个。双锥台扩径体的下部斜面与桩体中轴线的夹角α＝5°～80°。

如图7所示，该挤喷扩孔压灌混凝土桩的施工方法，包括以下步骤：

(1)通过实施例1的钻机与三点式打桩机架组合起来钻孔，当遇到硬土层钻孔困难时，旋喷水泥浆或水软化土层，继续钻进，直至钻孔到设计深度，如图7a所示。

(2)调整喷嘴压力(1-40MPa)和提升速度(6-60cm/min)，左旋提升钻杆旋喷水泥浆制作水泥土双锥台扩径体，如图7b所示，顺次压灌挤振混凝土，到旋喷扩径体的设计高度形成混凝土与水泥土复合双锥台扩径体，如图7c所示，旋喷停止；

(3)调整提升速度，继续左旋提升钻杆同时压灌混凝土到桩顶设计标高，在提升钻杆时顺钻杆上升的水泥浆湿润土体，钻具将钻具孔壁间塌落、钻松或缩径的土体和旋喷上升的水泥浆搅拌混合而成的水泥土的全部或大部分逐渐挤压到桩孔壁周围土体中，形成水泥土层，增加桩身直径，由于土层空隙中水的润滑作用，不同形状、大小的土壤颗粒进一步重新排列，在水泥土层的最外侧形成一层密度更大的挤密土层，最终形成由内而外依次为混凝土、水泥土层和挤密土层的素混凝土桩，如图7d所示。

(4)形成素混凝土桩后，将钢筋笼插入桩孔内的混凝土中到设计深度，形成钢筋混凝土桩，如图7e所示。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种挤喷扩孔压灌混凝土桩，其桩体由桩身、扩径体和桩端组成，其特征在于：所述桩体由内至外依次为混凝土、水泥土层和挤密土层。

2.根据权利要求1所述的挤喷扩孔压灌混凝土桩，其特征在于：所述桩体内设有钢筋笼。

3.根据权利要求1或2所述的挤喷扩孔压灌混凝土桩，其特征在于：所述扩径体设在具有较高变形模量和高抗剪切的土层。

4.根据权利要求3所述的挤喷扩孔压灌混凝土桩，其特征在于：所述桩身的最大直径小于所述扩径体的最大直径。

5.根据权利要求4所述的挤喷扩孔压灌混凝土桩，其特征在于：所述扩径体为与桩身一体成型的双锥台型扩径体，其数量为至少一个。

6.权利要求1-5任一所述挤喷扩孔压灌混凝土桩的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)用挤喷扩孔压灌混凝土桩钻机，挤土扩孔钻进，当遇到硬土层钻孔困难时，旋喷水泥浆或水软化土层，继续钻进，直至钻孔到设计深度；

(2)调整喷嘴压力和提升速度，左旋提升钻杆旋喷水泥浆制作水泥土倒锥台扩径体，然后顺次压灌挤振混凝土，到旋喷扩径体的设计高度形成混凝土与水泥土复合双锥台扩径体；

(3)调整提升速度，继续左旋提升钻杆同时压灌混凝土到桩顶设计标高，在提升钻杆时水泥浆湿润土体，钻具将钻具孔壁间塌落、钻松或缩径的土体和旋喷上升的水泥浆搅拌混合而成的水泥土的全部或大部分逐渐挤压到桩孔壁周围土体中，形成水泥土层，增加桩身直径，由于土层空隙中水的润滑作用，不同形状、大小的土壤颗粒进一步重新排列，在水泥土层的最外侧形成一层密度更大的挤密土层，最终形成由内而外依次为混凝土、水泥土层和挤密土层的素混凝土桩。

7.根据权利要求6所述的施工方法，其特征在于：形成素混凝土桩后，将钢筋笼插入桩孔内的混凝土中到设计深度，形成钢筋混凝土桩。

8.一种如权利要求6或7所述的施工方法中采用的挤喷扩孔压灌混凝土桩钻机，包括由多个分体钻具组合而成的螺旋空心钻杆、与螺旋空心钻杆相连的动力头(5)，螺旋空心钻杆的芯管外壁或内壁一侧由上至下安装有高压注浆管(4)，高压注浆管(4)的上端通过动力头(5)的内腔与注浆器(6)相连，其特征在于：所述分体钻具包括钻头分体钻具(1)、扩径分体钻具(2)和至少一根左旋分体钻具(3)，所述扩径分体钻具(2)的中部为等直径中空圆柱形挤扩体(21)，所述挤扩体(21)的上方设有外径由下至上逐渐减小的上圆锥台(22)，所述挤扩体(21)的下方设有外径由下至上逐渐增大的下圆锥台(23)，所述高压注浆管(4)的下端设有多层注浆喷头(11)，所述注浆喷头(11)位于钻头分体钻具(1)的螺旋叶片外边缘的下方，所述分体钻具的外螺旋叶片的宽度为5-20cm；

当用于软土地层施工时，所述分体钻具的外螺旋叶片的宽度为5-10cm。

9.根据权利要求8所述的挤喷扩孔压灌混凝土桩钻机，其特征在于：所述注浆喷头(11)沿钻杆叶片圆周方向均匀布置，相邻两层注浆喷头(11)的间距为5-35cm，每层注浆喷头(11)设有1个或多个喷嘴，喷射压力为1-40MPa。

10.根据权利要求9所述的挤喷扩孔压灌混凝土桩钻机，其特征在于：所述注浆喷头(11)为三层，每层注浆喷头(11)上设有1-2个喷嘴，喷嘴的直径为2mm-3mm。