CN111005365A - 一种用于压灌水泥土静压管桩的钻具及施工方法 - Google Patents

Abstract

一种用于压灌水泥土静压管桩的钻具及施工方法，属于基建地基施工机械设备及施工方法技术领域。其技术方案是：钻头套筒的前端为钻头，钻头套筒的后端焊接法兰盘，钻头套筒外壁的下部焊接有螺旋叶片，钻头套筒外壁的上部焊接有搅拌叶片，搅拌套筒的两端分别焊接法兰盘，搅拌套筒外壁上焊接搅拌叶片，螺旋套筒的两端分别焊接法兰盘，螺旋套筒外壁上焊接螺旋叶片，钻头套筒、搅拌套筒和螺旋套筒分别通过法兰盘由螺栓相连接，螺旋套筒上端的法兰盘与钻机相连接。本发明能够实现成孔搅拌一体化，有效防止塌孔和堵塞钻孔，节省了搅拌时间，还方便了施工、节约了工期、降低了成本。提高了施工效率和质量，为圧灌水泥土静压管桩施工开辟新的发展途径。

Description

一种用于压灌水泥土静压管桩的钻具及施工方法

技术领域

本发明涉及一种地基处理工程中的用于压灌水泥土静压管桩的钻具及施工方法，属于基建工程的地基施工机械设备及施工方法技术领域。

背景技术

随着城市建设的快速发展，越来越多的建筑物被迫修建在地质条件差的地基上，这些天然地基难以满足对建筑物的承载力及变形的要求，因此工程施工中必须对天然地基进行处理。

近年来，压灌水泥土静压管桩作为新的施工工艺在地基处理方面扮演着重要的角色。压灌水泥土静压管桩由水泥土搅拌桩、管桩两部分组成，压灌水泥土静压管桩是在水泥土搅拌桩初凝前将管桩压入其中，形成复合受力桩的一种新桩型。压灌水泥土静压管桩既有搅拌水泥土桩最大限度利用原土、无噪音、无污染、造价低等优点，还具备管桩耐久性好、桩身刚度大、单桩承载力高、变形小等优点。目前，压灌水泥土静压管桩的一般施工方法如下：

第一步，由长螺旋钻机成孔；

第二步，将长螺旋取出土加入水泥进行现场搅拌；

第三步，通过长螺旋钻机中心孔将搅拌好的水泥土浆液压入孔内；

第四步，在水泥土浆液初凝前将管桩压入形成复合桩。

虽然压灌水泥土静压管桩具有很多优点，但上述施工方法容易出现以下问题：首先，长螺旋预先成孔在砂层、软弱土层中容易出现塌孔，无法成孔；其次，场地内进行水泥土浆液搅拌容易造成地表污染，且不利于扬尘控制；再有，通过长螺旋钻机中心孔压灌水泥土浆液，容易出现堵管，从而耽误施工时间，使已贯入的水泥土浆液达到初凝时间无法压入管桩，影响工程质量。

因此，十分有必要设计一种新的压灌水泥土静压管桩的施工方法及相应的设备，以克服现有施工中的上述问题，提高施工效率和质量，为圧灌水泥土静压管桩施工工艺开辟新的发展途径。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于压灌水泥土静压管桩的钻具及施工方法，这种钻具和施工方法能够实现成孔搅拌一体化，有效防止塌孔，并避免堵塞长螺旋钻孔中心孔，节省搅拌时间。同时，还能够方便施工、节约工期、降低成本。

解决上述技术问题的技术方案是：

一种用于压灌水泥土静压管桩的钻具，它包括钻头杆、搅拌杆、螺旋杆，钻头杆由钻头套筒、法兰盘、搅拌叶片、螺旋叶片、钻头组成，钻头套筒的前端为钻头，钻头套筒的内孔通过钻头与外部连通，钻头套筒的后端焊接法兰盘，钻头套筒外壁的下部焊接有螺旋叶片，钻头套筒外壁的上部焊接有搅拌叶片，搅拌杆由搅拌套筒、法兰盘和搅拌叶片组成，搅拌套筒的两端分别焊接法兰盘，搅拌套筒外壁上焊接搅拌叶片，螺旋杆由螺旋套筒、法兰盘和螺旋叶片组成，螺旋套筒的两端分别焊接法兰盘，螺旋套筒外壁上焊接螺旋叶片，钻头套筒、搅拌套筒、螺旋套筒的直径相匹配，搅拌套筒两端的法兰盘分别与钻头套筒上端的法兰盘和螺旋套筒下端的法兰盘由螺栓相连接，螺旋套筒上端的法兰盘与钻机相连接。

上述用于压灌水泥土静压管桩的钻具，所述钻头杆的钻头包括钻刃和喷头挡板，钻刃为三角形钢板，钻头套筒的前端为圆锥形，钻刃的三角形钢板后端垂直焊接在钻头套筒前端的圆锥形下端，钻刃的三角形钢板的尖端垂直向下，钻刃两侧为钻头套筒的内孔，两个喷头挡板分别安装在钻刃两侧的钻头套筒的内孔端面上，喷头挡板与钻头套筒壁由转轴相连接。

上述用于压灌水泥土静压管桩的钻具，所述钻头套筒和搅拌套筒上安装的搅拌叶片形状相同，四个搅拌叶片位于钻头套筒的上部圆周上，多个搅拌叶片在搅拌套筒圆周上下均布，搅拌叶片为长方形钢板，长方形钢板的前端为圆弧形，搅拌叶片的长方形钢板的后端焊接在钻头套筒和搅拌套筒的筒壁上，长方形钢板的板面与钻头套筒和搅拌套筒的长度方向垂直，长方形钢板的板面前端向长度方向的下方倾斜。

上述用于压灌水泥土静压管桩的钻具，所述钻头套筒和螺旋套筒上安装的螺旋叶片形状相同，螺旋叶片的宽度与搅拌叶片的长度相同，钻头套筒外壁的搅拌叶片的下方安装螺旋叶片，螺旋套筒外壁自上而下环绕螺旋叶片。

一种使用上述用于压灌水泥土静压管桩的钻具的施工方法，它采用以下步骤进行：

步骤一，施工前准备

按设计图纸要求测量放线桩位，长螺旋钻机定位，根据设计桩长、水泥土配比等确定钻杆的连接方式，一般为钻头杆+搅拌杆+螺旋杆，即钻头杆用于土层钻进，中间搅拌杆用于土体搅拌，尾端螺旋杆可旋出水泥置换出的土。

步骤二，水泥浆液配置

水灰比配置在0.45-0.6范围，外加剂可根据现场和易性及施工要求添加，如微膨胀剂、缓凝减水剂、粉煤灰等。

步骤三，钻孔

钻头杆开始正向钻进，待钻头杆全部进入土层，其后续连接的搅拌杆开始搅拌土体，将土体搅拌成松散状态，待钻头杆钻至设计标高，开始灌入水泥浆液，搅拌好的水泥浆液通过钻头杆的中心孔泵送至孔底，钻头的喷头挡板在钻进过程中一直处于关闭状态，此时由于孔内水泥浆的压力作用自动张开，水泥浆液流出与土体融合，钻机停转10s后，开始反向钻进，钻机改为高转速低扭矩，此时钻头杆开始向上提升，提升过程继续泵送水泥浆液，搅拌杆持续将泵送的水泥浆与土体搅拌，根据土质情况，确定钻头杆提升速度，使土体与水泥浆液充分搅拌后提升钻杆，完成水泥土桩。

步骤四，管桩就位

在水泥土尚未凝固前，用吊机将已连接好的管桩，垂直插入水泥土中，下沉过程中如遇下沉困难，可在桩顶用振动器辅助下沉。

步骤五，桩体进行养护

养护时间不得少于21天，待桩体达到强度要求后，清理场地，进行检测试验。

本发明的有益效果是：

本发明具有以下显著优点：

(1)一体化施工：成孔与水泥土搅拌共同完成，提高桩体质量。

(2)机械简单：不需要特殊机械，用常规长螺旋钻机即可完成施工，组合式钻杆适用于不同桩身长度设计、水泥土不同配比等。

(3)施工方便：避免了成孔困难、中心孔堵塞等问题。

(4)节省工期：一体化施工，加快了施工速度，节省工期，降低成本。

(5)环保：孔内进行水泥土搅拌，避免了场地内水泥土搅拌造成的污染及扬尘。

本发明是圧灌水泥土静压管桩施工的首创，解决了现有技术中存在的砂层、软弱土层中无法成孔、容易造成地表污染且不利于扬尘控制、容易出现堵管而耽误施工时间，使已灌入的水泥土浆液达到初凝时间无法压入管桩，影响工程质量等诸多问题，提高了施工效率和质量，为圧灌水泥土静压管桩施工工艺开辟新的发展途径。

附图说明

图1是本发明的钻头杆的结构示意图；

图2是本发明的搅拌杆的结构示意图；

图3是本发明的螺旋杆的结构示意图；

图4是本发明施工流程图。

图中标记如下：钻头杆1、搅拌杆2、螺旋杆3、钻头套筒4、搅拌套筒5、螺旋套筒6、法兰盘7、搅拌叶片8、螺旋叶片9、钻头10、钻刃11、喷头挡板12。

具体实施方式

本发明的压灌水泥土静压管桩的钻具由钻头杆1、搅拌杆2、螺旋杆3组成。

图1、2、3显示，钻头杆1、搅拌杆2、螺旋杆3中分别有钻头套筒4、搅拌套筒5、螺旋套筒6，它们的直径相同。

钻头套筒4、搅拌套筒5、螺旋套筒6分别焊接有法兰盘7、搅拌叶片8、螺旋叶片9，这些法兰盘7的直径相同，法兰盘7的连接螺孔分别对应，搅拌叶片8和螺旋叶片9也分别对应相同，因此不再区别，采用统一名称和标号。

图1显示，钻头杆1由钻头套筒4、法兰盘7、搅拌叶片8、螺旋叶片9、钻头10组成。钻头套筒4的前端为钻头10，用于钻孔和向钻孔内灌注水泥浆液。钻头套筒4的后端焊接法兰盘7，用于与上面的搅拌杆2相连接。钻头套筒4外壁的下部焊接有螺旋叶片9，钻头套筒4外壁的上部焊接有搅拌叶片8，四个搅拌叶片8位于钻头套筒4的上部圆周上，用于搅拌和输送钻孔的泥土。

图1显示，钻头10由括钻刃11和喷头挡板12组成。钻刃11为三角形钢板，钻头套筒4的前端为圆锥形，钻刃11的三角形钢板后端垂直焊接在钻头套筒4前端的圆锥形下端，钻刃11的三角形钢板的尖端垂直向下，钻刃11在钻头10转动时进行钻孔。钻刃11两侧为钻头套筒4的内孔，两个喷头挡板12分别安装在钻刃11两侧的钻头套筒4的内孔端面上，喷头挡板12与钻头套筒壁由转轴相连接。在钻头10向下钻孔时，喷头挡板12受到下方泥土的阻力向上顶在钻头套筒4内孔前端，将钻头套筒4内孔封闭。钻孔完成后，需要灌注水泥浆液时，水泥浆的压力使喷头挡板12沿着转轴向下转动，打开钻头套筒4的内孔，水泥浆从钻头套筒4内孔中流出。

图2显示，搅拌杆2由搅拌套筒5、法兰盘7和搅拌叶片8组成。搅拌套筒5的两端分别焊接法兰盘7，搅拌套筒5外壁上焊接搅拌叶片8，多个搅拌叶片8在搅拌套筒5圆周上下均布。搅拌套筒5下端的法兰盘7与钻头套筒4上端的法兰盘7由螺栓相连接。搅拌套筒5外壁上焊接的搅拌叶片8用于对钻孔内的泥土进行搅拌，使泥土松散，便于向上输送。

图3显示，螺旋杆3由螺旋套筒6、法兰盘7和螺旋叶片9组成，螺旋套筒6的两端分别焊接法兰盘7，螺旋套筒6外壁上焊接螺旋叶片9。螺旋套筒6下端的法兰盘7与搅拌套筒5上端的法兰盘7由螺栓相连接，螺旋套筒6上端的法兰盘7与钻机相连接。螺旋套筒6外壁上焊接的螺旋叶片9用于向上输送泥土。

图1、2显示，钻头套筒4和搅拌套筒5上安装的搅拌叶片8形状相同。搅拌叶片8为长方形钢板，长方形钢板的前端为圆弧形，搅拌叶片8的长方形钢板的后端焊接在钻头套筒4和搅拌套筒5的筒壁上，长方形钢板的板面与钻头套筒4和搅拌套筒5的长度方向垂直，长方形钢板的板面前端向长度方向的下方倾斜。

图1、3显示，钻头套筒4和螺旋套筒6上安装的螺旋叶片9形状相同。螺旋叶片9的宽度与搅拌叶片8的长度相同，钻头套筒4外壁的搅拌叶片8的下方安装螺旋叶片9，螺旋套筒6外壁自上而下环绕螺旋叶片9。

本发明的压灌水泥土静压管桩施工方法采用以下步骤进行：

步骤一，施工前准备

按设计图纸要求测量放线桩位，长螺旋钻机定位，根据设计桩长、水泥土配比等确定钻杆的连接方式，一般为钻头杆1+搅拌杆2+螺旋杆3，即钻头杆1用于土层钻进，中间搅拌杆2用于土体搅拌，尾端螺旋杆3可旋出水泥置换出的土。

步骤二，水泥浆液配置

水灰比配置在0.45-0.6范围，外加剂可根据现场和易性及施工要求添加，如微膨胀剂、缓凝减水剂、粉煤灰等。

步骤三，钻孔

钻头杆1开始正向钻进，待钻头杆1全部进入土层，其后续连接的搅拌杆2开始搅拌土体，将土体搅拌成松散状态，待钻头杆1钻至设计标高，开始灌入水泥浆液，搅拌好的水泥浆液通过钻头杆1的中心孔泵送至孔底，钻头10的喷头挡板12在钻进过程中一直处于关闭状态，此时由于孔内水泥浆的压力作用自动张开，水泥浆液流出与土体融合，钻机停转10s后，开始反向钻进，钻机改为高转速低扭矩，此时钻头杆1开始向上提升，提升过程继续泵送水泥浆液，搅拌杆2持续将泵送的水泥浆与土体搅拌，根据土质情况，确定钻头杆1提升速度，使土体与水泥浆液充分搅拌后提升钻杆，完成水泥土桩。

步骤四，管桩就位

在水泥土尚未凝固前，用吊机将已连接好的管桩，垂直插入水泥土中，下沉过程中如遇下沉困难，可在桩顶用振动器辅助下沉。

步骤五，桩体进行养护

养护时间不得少于21天，待桩体达到强度要求后，清理场地，进行检测试验。

本发明的一个压灌水泥土静压管桩的钻具的实施例如下：

钻头杆1的钻头套筒4的长度为1000mm，钻头套筒4内径为160mm,外径为180mm,壁厚10mm，法兰盘7直径280mm，厚度50mm，可通过7个直径25mm螺丝连接，安装4个搅拌叶片8，搅拌叶片8的宽度100mm，厚度18mm。

搅拌杆2的搅拌套筒5的长度为5000mm，搅拌套筒5内径为160mm,外径为180mm,壁厚10mm，法兰盘7直径280mm，厚度50mm，可通过7个直径25mm螺丝连接。搅拌叶片8的宽度100mm，厚度18mm，间距300mm，设置17排搅拌叶片8，每排4片。

螺旋杆3的螺旋套筒6长度为1000mm，螺旋套筒6内径为160mm,外径为180mm,壁厚10mm，法兰盘7直径280mm，厚度50mm，可通过7个直径25mm螺丝连接。螺旋叶片9的宽度100mm，厚度18mm，间距300mm。

本发明的压灌水泥土静压管桩施工方法的实施例如下：

实施例1

某工程采用此方法施工，要求单桩竖向抗压承载力特征值≥1300kN，经过计算选用水泥土桩直径为800mm，管桩直径为500mm，桩长21m。

（1）施工准备，根据现场土质情况，确定水泥掺入量不少于25%，水泥浆液水灰比配置为0.45，钻杆连接为1m钻头杆1+4*5m搅拌杆2+1m螺旋杆3，测量防线，确定桩位。

（2）钻机正向开始钻进，钻进过程中搅拌杆2将土体搅拌松散，为保证成桩质量，桩长多钻进1m，待达到设定标高后，将钻杆中心孔的输料管与地泵连接，把预先拌和好的水泥土拌和料灌入孔中，停机10s后，钻机反向提升，改为高转速低扭矩，使水泥浆液与土体充分搅拌，反复提升两次后，完成水泥土成桩。

（3）预应力管桩采用PHC500AB100-10,9，选自国标图集《预应力混凝土管桩》，桩身混凝土的抗渗等级不应低于P10，并掺入防腐阻锈剂，钢筋保护层厚度不小于35mm，采用静压管桩机压装，管桩接头焊接时按相关规范执行。管桩就位，在水泥土尚未凝固前，用吊机将已连接好的管桩，垂直插入水泥土中。

实施例2

某工程采用此方法施工，要求单桩竖向抗压承载力特征值≥1800kN，经过计算选用水泥土桩直径为900mm，管桩直径为400mm，桩长13m。

（1）施工准备，根据现场土质情况，确定水泥掺入量不少于15%，并加入水泥重量1%的软土固化剂，水泥采用42.5的普通硅酸盐水泥，水泥浆液水灰比配置为0.45，钻杆连接为1m钻头杆1+2*5m搅拌杆2+2m搅拌杆2+1m螺旋杆3，测量防线，确定桩位。

（2）钻机正向开始钻进，钻进过程中搅拌杆2将土体搅拌松散，为保证成桩质量，桩长多钻进1m，待达到设定标高后，将钻杆中心孔的输料管与地泵连接，把预先拌和好的水泥土拌和料灌入孔中，停机10s后，钻机反向提升，改为高转速低扭矩，使水泥浆液与土体充分搅拌，反复提升两次后，完成水泥土成桩。

（3）预应力管桩采用PHC-400AB95-C105，选自国标图集《预应力混凝土管桩》，管桩混凝土等级C105，管桩外径400mm，管桩壁厚95mm，采用静压管桩机压装，管桩接头焊接时按相关规范执行。管桩就位，在水泥土尚未凝固前，用吊机将已连接好的管桩，垂直插入水泥土中。

Claims (5)

1.一种用于压灌水泥土静压管桩的钻具，其特征在于：它包括钻头杆（1）、搅拌杆（2）、螺旋杆（3），钻头杆（1）由钻头套筒（4）、法兰盘（7）、搅拌叶片（8）、螺旋叶片（9）、钻头（10）组成，钻头套筒（4）的前端为钻头（10），钻头套筒（4）的内孔通过钻头（10）与外部连通，钻头套筒（4）的后端焊接法兰盘（7），钻头套筒外壁的下部焊接有螺旋叶片（9），钻头套筒外壁的上部焊接有搅拌叶片（8），搅拌杆（2）由搅拌套筒（5）、法兰盘（7）和搅拌叶片（8）组成，搅拌套筒（5）的两端分别焊接法兰盘（7），搅拌套筒外壁上焊接搅拌叶片（8），螺旋杆（3）由螺旋套筒（6）、法兰盘（7）和螺旋叶片（9）组成，螺旋套筒（6）的两端分别焊接法兰盘（7），螺旋套筒外壁上焊接螺旋叶片（9），钻头套筒（4）、搅拌套筒（5）、螺旋套筒（6）的直径相同，搅拌套筒（5）两端的法兰盘（7）分别与钻头套筒（4）上端的法兰盘（7）和螺旋套筒（6）下端的法兰盘（）由螺栓相连接，螺旋套筒（6）上端的法兰盘（7）与钻机相连接。

2.根据权利要求1所述的用于压灌水泥土静压管桩的钻具，其特征在于：所述钻头杆（1）的钻头（10）包括钻刃（11）和喷头挡板（12），钻刃（11）为三角形钢板，钻头套筒（4）的前端为圆锥形，钻刃（11）的三角形钢板后端垂直焊接在钻头套筒（4）前端的圆锥形下端，钻刃（11）的三角形钢板的尖端垂直向下，钻刃（11）两侧为钻头套筒（4）的内孔，两个喷头挡板（12）分别安装在钻刃（11）两侧的钻头套筒（4）的内孔端面上，喷头挡板（12）与钻头套筒壁由转轴相连接。

3.根据权利要求1所述的用于压灌水泥土静压管桩的钻具，其特征在于：所述钻头套筒（4）和搅拌套筒（5）上安装的搅拌叶片（8）形状相同，四个搅拌叶片（8）位于钻头套筒（4）的上部圆周上，多个搅拌叶片（8）在搅拌套筒（5）圆周上下均布，搅拌叶片（8）为长方形钢板，长方形钢板的前端为圆弧形，搅拌叶片（8）的长方形钢板的后端焊接在钻头套筒（4）和搅拌套筒（5）的筒壁上，长方形钢板的板面与钻头套筒（4）和搅拌套筒（5）的长度方向垂直，长方形钢板的板面前端向长度方向的下方倾斜。

4.根据权利要求1所述的用于压灌水泥土静压管桩的钻具，其特征在于：所述钻头套筒（4）和螺旋套筒（6）上安装的螺旋叶片（9）形状相同，螺旋叶片（9）的宽度与搅拌叶片（8）的长度相同，钻头套筒外壁的搅拌叶片（8）的下方安装螺旋叶片（9），螺旋套筒外壁自上而下环绕螺旋叶片（9）。

5.一种使用上述用于压灌水泥土静压管桩的钻具的施工方法，其特征在于：它采用以下步骤进行：

步骤一，施工前准备

按设计图纸要求测量放线桩位，长螺旋钻机定位，根据设计桩长、水泥土配比等确定钻杆的连接方式，一般为钻头杆（1）+搅拌杆（2）+螺旋杆（3），即钻头杆（1）用于土层钻进，中间搅拌杆（2）用于土体搅拌，尾端螺旋杆（3）可旋出水泥置换出的土；

步骤二，水泥浆液配置

水灰比配置在0.45-0.6范围，外加剂可根据现场和易性及施工要求添加，如微膨胀剂、缓凝减水剂、粉煤灰等；

步骤三，钻孔

钻头杆（1）开始正向钻进，待钻头杆（1）全部进入土层，其后续连接的搅拌杆（2）开始搅拌土体，将土体搅拌成松散状态，待钻头杆（1）钻至设计标高，开始灌入水泥浆液，搅拌好的水泥浆液通过钻头杆（1）的中心孔泵送至孔底，钻头（10）的喷头挡板（12）在钻进过程中一直处于关闭状态，此时由于孔内水泥浆的压力作用自动张开，水泥浆液流出与土体融合，钻机停转10s后，开始反向钻进，钻机改为高转速低扭矩，此时钻头杆（1）开始向上提升，提升过程继续泵送水泥浆液，搅拌杆（2）持续将泵送的水泥浆与土体搅拌，根据土质情况，确定钻头杆（1）提升速度，使土体与水泥浆液充分搅拌后提升钻杆，完成水泥土桩；

步骤四，管桩就位

在水泥土尚未凝固前，用吊机将已连接好的管桩，垂直插入水泥土中，下沉过程中如遇下沉困难，可在桩顶用振动器辅助下沉；

步骤五，桩体进行养护

养护时间不得少于21天，待桩体达到强度要求后，清理场地，进行检测试验。

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