CN110644476A - 一种可消除挤土效应的塑料套管混凝土桩结构及施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及可消除挤土效应的塑料套管混凝土桩结构，包括塑料套管、输砼管、钻杆、螺旋叶片、出砼口、联动固定环a、联动固定环b、联动固定环c、联动传力杆、滑动装置、承压杆、变形钻牙、桩尖、钻土收集环、排土塑料管和复合钻头；塑料套管内部设置等高的钻杆，钻杆表面全长设置螺旋叶片，钻杆内部设置输砼管，输砼管上部为浆液输送端，输砼管下部设有出砼口；钻杆底端为可收缩可扩张的复合钻头，复合钻头底部为桩尖，桩尖四周环向设置变形钻牙，变形钻牙为圆弧状结构。本发明的有益效果是：通过桩尖和变形钻牙表面棘齿以及更大的掘削面设计可以使桩机的掘进效率大幅度增强，使其能适用于更多不同的地层。
Description
技术领域
本发明属于桩基施工技术领域，特别涉及一种可消除挤土效应的塑料套管混凝土桩结构及施工方法，适用于软土地区的地基加固，尤其是对易产生挤土效应的土体特别适用。
背景技术
随着我国交通需求的日益增长，基础设施建设投入不断加大，在软土地基进行道路工程建设也越来越频繁。在目前众多软土地基的处理方案中，较常用的是钻孔灌注桩，但是钻孔灌注桩存在造价高，工期长等问题，并不适用于道路工程的软土地基处理。塑料套管混凝土桩(简称TC桩)是在国外AUGEO桩基础上发展起来的一种新桩型。TC桩具有加固效果良好、工期短、质量佳、造价合理、无噪音、无泥浆污染等优点，但是由于塑料套管是直接由设备压入地基土中，不可避免会产生挤土效应：当桩周土为饱和软土时，土体受挤压时体积不会收缩或收缩量极小，挤压应力主要通过土体位移来消减，导致浅层土体的隆起和深层土体的横向挤出，对周围路面和建筑物造成破坏。不仅如此，挤土效应还会使土体变得更加密实，增加相邻塑料套管压入的难度。
当下工程界中，为消除挤土效应，大量的专家学者对其进行了发明研究，常见措施主要有改变桩体底端的形状、设置防挤沟、改用螺旋叶片钻杆等。其中，改变桩体底端形状虽然一定程度上能减小桩体下压时的阻力，但是依旧无法解决挤土效应对土体的不良影响；设置防挤沟能较好地防止挤土效应对周围路面及建筑物产生破坏，但是施工流程较复杂，且在施工区域与非施工区域之间设置防挤沟时也容易产生诸多不可控因素；改用螺旋叶片钻杆施工简便，且能将桩内土体掘削运出，但在较差的土层中易导致塌孔，处理起来颇为困难。
综上所述，现有的施工方法虽然在一定条件下能消除部分挤土效应的不良影响，但是依旧存在拖慢工期，费用昂贵，适用范围小，功能不完善等问题，亟需通过改进技术来进行解决。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种可消除挤土效应的塑料套管混凝土桩结构及施工方法。
这种可消除挤土效应的塑料套管混凝土桩结构，包括塑料套管、输砼管、钻杆、螺旋叶片、出砼口、联动固定环a、联动固定环b、联动固定环c、联动传力杆、滑动装置、承压杆、变形钻牙、桩尖、钻土收集环、排土塑料管和复合钻头；塑料套管内部设置等高的钻杆，钻杆表面全长设置螺旋叶片，钻杆内部设置输砼管，输砼管上部为浆液输送端，输砼管下部设有出砼口；钻杆底端为可收缩可扩张的复合钻头，复合钻头底部为桩尖，桩尖四周环向设置变形钻牙，变形钻牙为圆弧状结构，每一个变形钻牙上部均设置一根承压杆及滑动装置，同一组的变形钻牙、承压杆和滑动装置之间的连接点均设置转动轴；钻杆内部四周环向布置联动传力杆，联动传力杆通过联动固定环a、联动固定环b和联动固定环c固定，滑动装置固定连接在联动固定环c上；塑料套管顶部设置钻土收集环和排土塑料管，排土塑料管一端连接钻土收集环，排土塑料管另一端通向地面的钻土收集处。
作为优选：变形钻牙下表面与桩尖表面均设置棘齿，当复合钻头为张开状态时，变形钻牙与桩尖表面大致成同一平面，形成一个更大的带棘齿掘削面，复合钻头张开状态的直径略大于塑料套管。
作为优选：联动固定环a、联动固定环b、联动固定环c和联动传力杆组成联动装置，可以通过桩顶对其进行机械拉推以实现滑动装置的上下移动。
作为优选：螺旋叶片的宽度与塑料套管和钻杆之间的空隙相匹配，螺旋叶片基本能够嵌固在塑料套管与钻杆之间的空隙内，起辅助固定作用。
作为优选：钻杆顶部设置限位卡a和限位卡b，限位卡a位于限位卡b上方(限位卡a在靠上位置，限位卡b在靠下位置)，并且塑料套管顶部对应位置设置卡槽。两个限位卡之间的间距等于钻杆底部的滑动装置的滑动距离。
作为优选：塑料套管表面每隔一定的间距沿环向设置若干个注浆小孔。
作为优选：复合钻头由钻杆支撑，钻杆内部的联动传力杆仅调节联动固定环c和滑动装置的上下滑动。
作为优选：变形钻牙与桩尖之间的连接点设置转动轴c，变形钻牙与承压杆之间的连接点设置转动轴b，承压杆与滑动装置之间的连接点设置转动轴a。
作为优选：钻杆底部对应滑动装置设置供其滑动的滑动槽。
这种可消除挤土效应的塑料套管混凝土桩结构的施工方法，包括以下步骤：
1)施工准备：首先平整场地，铺设砂、砂砾或碎石垫层，提前准备塑料套管，如有加长需要，则提前将塑料套管进行连接处理，施工现场放线布置好桩位；
2)塑料套管的组装：根据实际情况，选择若干个变形钻牙，与相应位置的承压杆、转动轴a、转动轴b、转动轴c及滑动装置进行组装，并将滑动装置固定在联动固定环c上，之后将组装完毕的钻杆从塑料套管底部塞入，固定到位；
3)复合钻头扩张及掘进：将钻杆顶部的限位卡a固定在卡槽内，此时钻杆处于下推状态，滑动装置向下移动，使得复合钻头处于张开状态，通过钻杆的旋转带动螺旋叶片、变形钻牙以及桩尖旋转，并逐渐向下掘进；
4)螺旋叶片排送渣土：掘进过程中，螺旋叶片不断旋转并将桩孔内的渣土排送至塑料套管顶部，之后渣土通过钻土收集环进行收集，通过排土塑料管排送至地面专设的渣土收集处，进行集中处理，防止高空落土，确保施工安全及施工现场的整洁；
5)复合钻头收拢：掘进至指定深度后，通过上拔联动装置，使限位卡b固定在卡槽内，此时通过联动传力杆使滑动装置上滑，复合钻头调整为收拢状态；
6)截桩和检查套管的深度：解除钻杆顶端塑料套管的固定，利用塑料套管自身重力，令其底部落至桩洞底部，再将顶部多余塑料套管截断，整理后检查塑料套管的深度，并做好其内部的清洁，避免杂物入内；
7)混凝土的浇筑：检查并调整塑料套管的位置以免复合钻头上升时与其发生碰撞，缓慢提起钻杆，同时利用输砼管和出砼口进行混凝土的浇筑，利用旋转的钻杆及钻头进行搅动振捣，部分注入塑料套管内部的混凝土将通过环向预留的小孔渗透到塑料套管外壁，填充外壁与周围土体之间可能存在的空隙，待钻杆完全提出塑料套管后，塑料套管内部混凝土浇筑同步完成；
8)回收钻杆及复合钻头：待混凝土浇筑完毕后，完成相应的桩头处理，并重复上述施工步骤，完成其他塑料套管桩的施工，待全部桩施工完成后，回收钻杆及复合钻头，及时将变形钻牙拆下，并对钻杆、螺旋叶片和桩尖等部件进行冲洗清理，以便下次施工再次使用；
9)桩体检测：待桩体强度达到要求后对成桩进行检测。
本发明的有益效果是：
1)高效挖掘，适应性强
通过桩尖和变形钻牙表面棘齿以及更大的掘削面设计可以使桩机的掘进效率大幅度增强，使其能适用于更多不同的地层。
2)掘削运土一体化，避免挤土效应
变形钻牙与桩尖形成一个带棘齿掘削面，钻头掘削土体使土体变得松散，有效减小了钻杆进入地层时的阻力，大大减小了由于静压导致的土层密实对打桩工作的不良影响。螺旋叶片及时将渣土送出，避免了挤土效应的产生，消除了打桩时对附近道路及其他建筑的不良影响。
3)提钻注砼振捣同时进行，高效经济
通过输砼管、出砼口、钻杆、复合钻头等进行组合，掘进至指定位置之后，由底部的出砼口直接进行混凝土的浇筑，同时能利用钻杆及附属装置进行振捣，大大提高了成桩效率，缩短了工期。
4)部件可拆卸可回收利用，节约成本
变形钻牙、桩尖、钻杆都可进行拆卸更换，如果装置无法正常工作或效率降低，只需查明原因并更换相应部件即可，避免不必要的浪费。同时在工程结束之后可用部件仍可回收再利用，大大节约成本。
附图说明
图1为本发明的复合钻头张开状态下示意图；
图2为本发明的复合钻头收拢状态下示意图；
图3为本发明钻杆内部联动装置控制复合钻头张开示意图；
图4为本发明钻杆内部联动装置控制复合钻头收拢示意图；
图5为本发明的复合钻头细部结构示意图；
图6至图9为本发明施工流程图。
附图标记说明：塑料套管1、输砼管2、钻杆3、螺旋叶片4、出砼口5、联动固定环a6、联动固定环b7、联动固定环c8、联动传力杆9、滑动装置10、承压杆11、转动轴a12、转动轴b13、转动轴c14、变形钻牙15、桩尖16、限位卡a17、限位卡b18、钻土收集环19、排土塑料管20、复合钻头21。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
如图1所示，复合钻头21处于张开状态，底部弧形的变形钻牙15与桩尖16共同形成一个切削面，钻进形成直径略大于塑料套管1的孔洞。钻杆3表面设置螺旋叶片4，随着钻杆3的旋转及复合钻头21的钻进切削，土体随着塑料套管1及螺旋叶片4之间的空隙向上运送直至最终排出地面。钻杆3内部设置输砼管2，可通过地面注入浆液，并在出砼口5喷出，加固土体，钻杆3顶部设置限位卡a17、限位卡b18，可固定在塑料套管1内壁的卡槽内，方便上下调节内部联动装置的高度，当偏上位置的限位卡a17固定在卡槽内时，联动装置向下推动滑动装置10，复合钻头21处于张开状态；塑料套管1顶部设置钻土收集环19，用于渣土的收集。
如图2所示，复合钻头21处于收拢状态，通过上拔钻杆3内部的联动装置，使偏下位置的限位卡b18固定在卡槽内，滑动装置10向上滑动，变形钻牙15收拢，此时若向上提升钻杆3，复合钻头21可以顺利通过塑料套管1内部。
如图3所示：联动装置由联动固定环a6、联动固定环b7、联动固定环c8、联动传力杆9组成，联动传力杆9环向布置于钻杆3内部，并通过联动固定环a6、联动固定环b7、联动固定环c8进行固定，联动固定环c8再与滑动装置10连接固定。当联动装置向下推动滑动装置10时，控制复合钻头21张开。
如图4所示，通过拉动联动固定环a6使联动装置带动滑动装置10向上移动，配合承压杆11、转动轴a12、转动轴b13、转动轴c14使变形钻牙15向上缩回，复合钻头21收拢。
如图5所示，钻杆3与复合钻头21的外壁连接，复合钻头21的下钻和提拉均通过钻杆3施加对应的力；钻杆3内部的联动传力杆9仅仅只是提供调节作用，控制联动固定环c8和滑动装置10的滑动。
如图6所示，在地面上拼装好复合钻头21，并将其从底部穿入到塑料套管1内部，塑料套管1顶部设置一个钻土收集环19，钻土收集环19将内部旋转运出的渣土收集，防止渣土从高空直接掉落；排土塑料管20一端连接钻土收集环19，另一端连接地面指定的渣土收集处，起到运输高空渣土的作用。
如图7所示，复合钻头21处于张开状态，在控制好垂直度的情况下，缓缓将塑料套管1钻入到土层中，底部的复合钻头21不断切削土体，渣土从塑料套管1内部通过螺旋叶片4运输至顶部的钻土收集环19内，再通过排土塑料管20运输到指定地点。
如图8所示，当塑料套管1桩钻到指定深度后，拆除塑料套管1顶部的钻土收集环19和排土塑料管20，在钻杆3内部已有输砼管2的基础之上额外接上一段足够长的输砼管2，便于在地面上进行混凝土压注；通过联动装置的控制使复合钻头21收拢，然后上提钻杆3和复合钻头21，在上提的过程中同时通过输砼管2向钻杆3内部注混凝土，混凝土从钻杆3底部的出砼口5流出，浇筑塑料套管1内部；由于塑料套管1环向每隔一定间距预留了一些小孔，部分混凝土会渗入到塑料套管1壁后的土体空隙中，起到加固和稳定作用。
如图9所示，当钻杆3和复合钻头21完全拔出塑料套管1后，停止灌入混凝土，塑料套管桩桩身浇筑完成。
所述可消除挤土效应的塑料套管混凝土桩结构的施工方法，包括以下步骤：
1)施工准备：首先平整场地，铺设砂、砂砾或碎石垫层，提前准备塑料套管1，如有加长需要，则提前将塑料套管1进行连接处理，施工现场放线布置好桩位；
2)塑料套管1的组装：根据实际情况，选择两个或四个变形钻牙15，与相应位置的承压杆11、转动轴a12、转动轴b13、转动轴c14及滑动装置10进行组装，并将滑动装置10固定在联动固定环c8上，之后将组装完毕的钻杆3从塑料套管1底部塞入，固定到位；
3)钻头扩张及掘进：将钻杆3顶部的限位卡a17固定在卡槽内，此时钻杆3处于下推状态，滑动装置10向下移动，使得复合钻头21处于张开状态，通过钻杆3的旋转带动螺旋叶片4、变形钻牙15以及桩尖16旋转，并逐渐向下掘进；
4)螺旋叶片4排送渣土：掘进过程中，螺旋叶片4不断旋转并将桩孔内的渣土排送至塑料套管1顶部，之后渣土通过钻土收集环19进行收集，通过排土塑料管20排送至地面专设的渣土收集处，进行集中处理，防止高空落土，确保施工安全及施工现场的整洁；
5)复合钻头21收缩：掘进至指定深度后，通过上拔联动装置，使限位卡b18固定在卡槽内，此时通过联动传力杆9使滑动装置10上滑，复合钻头21调整为收拢状态；
6)截桩和检查套管的深度：解除钻杆顶端塑料套管1的固定，利用塑料套管1自身重力，令其底部落至桩洞底部，再将顶部多余的塑料套管1截断，整理后检查塑料套管1的深度，并做好其内部的清洁，避免杂物入内；
7)混凝土的浇筑：检查并调整塑料套管1的位置以免复合钻头21上升时与其发生碰撞，缓慢提起钻杆3，同时利用输砼管2、出砼口5进行混凝土的浇筑，利用旋转的钻杆3及钻头进行搅动振捣，部分注入塑料套管1内部的混凝土将通过环向预留的小孔渗透到塑料套管1外壁，填充外壁与周围土体之间可能存在的空隙，待钻杆3完全提出塑料套管1后，塑料套管1内部混凝土浇筑同步完成；
8)回收钻杆3及复合钻头21：待混凝土浇筑完毕后，完成相应的桩头处理，并重复上述施工步骤，完成其他塑料套管桩的施工，待全部桩施工完成后，回收钻杆3及复合钻头21，及时将变形钻牙15拆下，并对钻杆3、螺旋叶片4、桩尖16等部件进行冲洗清理，以便下次施工再次使用；
9)桩体检测：待桩体强度到要求后对成桩进行检测。
Claims (10)
1.一种可消除挤土效应的塑料套管混凝土桩结构，其特征在于：包括塑料套管(1)、输砼管(2)、钻杆(3)、螺旋叶片(4)、出砼口(5)、联动固定环a(6)、联动固定环b(7)、联动固定环c(8)、联动传力杆(9)、滑动装置(10)、承压杆(11)、变形钻牙(15)、桩尖(16)、钻土收集环(19)、排土塑料管(20)和复合钻头(21)；塑料套管(1)内部设置等高的钻杆(3)，钻杆(3)表面全长设置螺旋叶片(4)，钻杆(3)内部设置输砼管(2)，输砼管(2)上部为浆液输送端，输砼管(2)下部设有出砼口(5)；钻杆(3)底端为复合钻头(21)，复合钻头(21)底部为桩尖(16)，桩尖(16)四周环向设置变形钻牙(15)，变形钻牙(15)为圆弧状结构，每一个变形钻牙(15)上部均设置承压杆(11)及滑动装置(10)，同一组的变形钻牙(15)、承压杆(11)和滑动装置(10)之间的连接点均设置转动轴；钻杆(3)内部四周环向布置联动传力杆(9)，联动传力杆(9)通过联动固定环a(6)、联动固定环b(7)和联动固定环c(8)固定，滑动装置(10)固定连接在联动固定环c(8)上；塑料套管(1)顶部设置钻土收集环(19)和排土塑料管(20)，排土塑料管(20)一端连接钻土收集环(19)，排土塑料管(20)另一端通向地面的钻土收集处。
2.根据权利要求1所述的可消除挤土效应的塑料套管混凝土桩结构，其特征在于：变形钻牙(15)下表面与桩尖(16)表面均设置棘齿，当复合钻头(21)为张开状态时，变形钻牙(15)与桩尖(16)表面成同一平面，复合钻头(21)张开状态的直径大于塑料套管(1)。
3.根据权利要求1所述的可消除挤土效应的塑料套管混凝土桩结构，其特征在于：联动固定环a(6)、联动固定环b(7)、联动固定环c(8)和联动传力杆(9)组成联动装置。
4.根据权利要求1所述的可消除挤土效应的塑料套管混凝土桩结构，其特征在于：螺旋叶片(4)的宽度与塑料套管(1)和钻杆(3)之间的空隙相匹配。
5.根据权利要求1所述的可消除挤土效应的塑料套管混凝土桩结构，其特征在于：钻杆(3)顶部设置限位卡a(17)和限位卡b(18)，限位卡a(17)位于限位卡b(18)上方，并且塑料套管(1)顶部对应位置设置卡槽；两个限位卡之间的间距等于滑动装置(10)的滑动距离。
6.根据权利要求1所述的可消除挤土效应的塑料套管混凝土桩结构，其特征在于：塑料套管(1)表面每隔一定的间距沿环向设置若干个注浆小孔。
7.根据权利要求1所述的可消除挤土效应的塑料套管混凝土桩结构，其特征在于：复合钻头(21)由钻杆(3)支撑。
8.根据权利要求1所述的可消除挤土效应的塑料套管混凝土桩结构，其特征在于：变形钻牙(15)与桩尖(16)之间的连接点设置转动轴c(14)，变形钻牙(15)与承压杆(11)之间的连接点设置转动轴b(13)，承压杆(11)与滑动装置(10)之间的连接点设置转动轴a(12)。
9.根据权利要求1所述的可消除挤土效应的塑料套管混凝土桩结构，其特征在于：钻杆(3)底部对应滑动装置(10)设置滑动槽。
10.一种如权利要求1所述的可消除挤土效应的塑料套管混凝土桩结构的施工方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)施工准备：首先平整场地，铺设砂、砂砾或碎石垫层，提前准备塑料套管(1)，施工现场放线布置好桩位；
2)塑料套管(1)的组装：根据实际情况，选择若干个变形钻牙(15)，与相应位置的承压杆(11)、转动轴a(12)、转动轴b(13)、转动轴c(14)及滑动装置(10)进行组装，并将滑动装置(10)固定在联动固定环c(8)上，之后将组装完毕的钻杆(3)从塑料套管(1)底部塞入，固定到位；
3)复合钻头(21)扩张及掘进：将钻杆(3)顶部的限位卡a(17)固定在卡槽内，此时钻杆(3)处于下推状态，滑动装置(10)向下移动，使得复合钻头(21)处于张开状态，通过钻杆(3)的旋转带动螺旋叶片(4)、变形钻牙(15)以及桩尖(16)旋转，并逐渐向下掘进；
4)螺旋叶片(4)排送渣土：掘进过程中，螺旋叶片(4)不断旋转并将桩孔内的渣土排送至塑料套管(1)顶部，之后渣土通过钻土收集环(19)进行收集，通过排土塑料管(20)排送至地面专设的渣土收集处，进行集中处理；
5)复合钻头(21)收拢：掘进至指定深度后，通过上拔联动装置，使限位卡b(18)固定在卡槽内，此时通过联动传力杆(9)使滑动装置(10)上滑，复合钻头(21)调整为收拢状态；
6)截桩和检查套管的深度：解除钻杆顶端塑料套管(1)的固定，利用塑料套管(1)自身重力，令其底部落至桩洞底部，再将顶部多余塑料套管(1)截断，整理后检查塑料套管(1)的深度，并做好其内部的清洁；
7)混凝土的浇筑：检查并调整塑料套管(1)的位置，提起钻杆(3)，同时利用输砼管(2)和出砼口(5)进行混凝土的浇筑，利用旋转的钻杆(3)及钻头进行搅动振捣，部分注入塑料套管(1)内部的混凝土将通过环向预留的小孔渗透到塑料套管(1)外壁，填充外壁与周围土体之间存在的空隙，待钻杆(3)完全提出塑料套管(1)后，塑料套管(1)内部混凝土浇筑同步完成；
8)回收钻杆(3)及复合钻头(21)：待混凝土浇筑完毕后，完成相应的桩头处理，并重复上述施工步骤，完成其他塑料套管桩的施工，待全部桩施工完成后，回收钻杆(3)及复合钻头(21)，将变形钻牙(15)拆下，并对钻杆(3)、螺旋叶片(4)和桩尖(16)进行冲洗清理；
9)桩体检测：待桩体强度达到要求后对成桩进行检测。
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|---|---|---|---|---|
| CN111005678A (zh) * | 2020-01-06 | 2020-04-14 | 宁波希澈机械科技有限公司 | 一种具有土壤收集功能的土层钻孔装置 |
| CN112302026A (zh) * | 2020-10-20 | 2021-02-02 | 山东省机械施工有限公司 | 非挤土超大直径现浇混凝土筒桩施工装置及施工方法 |
| CN118273315A (zh) * | 2024-05-31 | 2024-07-02 | 广东交科检测有限公司 | 一种针对富水软弱淤泥质土的高压旋喷桩辅助施工装置 |
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2019
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