CN111593727A - 一种变截面水泥土插芯组合桩、施工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变截面水泥土插芯组合桩、施工装置及方法，属于土木工程领域，能节约材料，根据不同的地层及上部结构承载要求进行芯桩的选择，承载力高，包括主桩体和位于主桩体内的芯桩，芯桩长度不大于主桩体长度，主桩体具有第一端面和第二端面，第一端面直径D₁大于第二端面直径D₂，且第二端面直径D₂大于芯桩直径d且大于0.8D₁；主桩体的端部还能够连接扩大头。

Description

一种变截面水泥土插芯组合桩、施工装置及方法

技术领域

本发明属于土木工程领域，具体的，涉及一种变截面水泥土插芯组合桩、施工装置及方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

水泥土复合管桩是由高喷搅拌法形成的水泥土桩与同心植入的预应力高强混凝土管桩复合而形成的基桩。根据《水泥土复合管桩基础技术规程》JGJ/T 330-2014中的相关数据表明，水泥土复合管桩极限侧阻力标准值是泥浆护壁钻孔桩相应数值的1.5～1.6倍，水泥土复合管桩具有一个较高的侧摩阻力，因此为了使水泥土复合管桩发挥更高的承载力，加大桩径往往是一个性价比较高的方案。另一方面，根据工程经验及现场实测数据，在竖向极限荷载作用下，桩身轴力沿深度方向逐步衰减，因此，沿桩身轴向方向，由浅到深所需的桩身承载力逐渐减小。

发明人发现，现有的水泥土复合管桩是等截面桩，为了获得一个较高的承载力，往往设计的桩径较大，由桩身轴力传递规律可知，在竖向荷载作用下，桩基下半段桩身材料强度富裕较大，导致材料浪费，而且根据水泥土复合管桩的结构构成可知，水泥土复合管桩的芯桩仅包含了预应力高强混凝土管桩一种桩型，不能根据不同的地层及上部结构承载要求，进行芯桩的选择，具有一定的局限性，阻碍了该技术的进步与发展。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种变截面水泥土插芯组合桩、施工装置及方法，组合桩能节约材料，根据不同的地层及上部结构承载要求进行芯桩的选择，承载力高。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明提供了一种变截面水泥土插芯组合桩，包括主桩体和位于主桩体内的芯桩，主桩体具有第一端面和第二端面，第一端面直径D1大于第二端面直径D2，且第二端面直径D2大于芯桩直径d；主桩体的端部还能够连接扩大头。

作为进一步的技术方案，所述扩大头直径

式中：

d为芯桩桩径；

Q_uk为单桩竖向抗压极限承载力标准值；

q_pk为极限端阻力标准值。

作为进一步的技术方案，若芯桩长范围内的土层主要为粉土层和 /或砂层，或单桩竖向抗压极限承载力标准值小于等于8000kN时，芯桩选用混凝土预制桩；若芯桩长范围内的土层主要为淤泥质土层和/ 或黏土层，或单桩竖向抗压极限承载力标准值大于8000kN时，芯桩选用钢桩或型钢桩。

第二方面，本发明还提供了一种变截面水泥土插芯组合桩施工装置，用于对如第一方面任意一个技术方案所述的变截面水泥土插芯组合桩的开挖，包括钻杆、变径搅拌翅和变径钻头，所述变径搅拌翅固定连接于钻杆，变径钻头连接钻杆的端部；所述变径搅拌翅沿钻杆轴向方向呈螺旋状布置，变径搅拌翅的长度沿钻杆轴向方向由上到下线性减小，变径搅拌翅的最外侧焊接有耐磨合金。

第三方面，本发明还提供了一种变截面水泥土插芯组合桩的施工方法，使用如第二方面所述的变截面水泥土插芯组合桩施工装置，包括以下步骤：

变径钻头对缩扩机构运动至限位板处，钻具在桩位处对中就位，供浆系统向上出浆孔、下出浆孔处输送水泥浆液；

钻具下沉旋进，在土层中形成倒圆台型钻孔；

根据计算结果确定是否设置桩底扩大头，若不设置扩大头，则提出钻具；若设置扩大头，施工至变截面水泥土桩桩底后，反向旋转钻具，然后提出钻具；

植入芯桩，完成施工。

在某一固定荷载作用下，桩身轴力沿深度方向逐渐减小，变截面水泥土插芯组合桩的桩径沿深度方向也逐渐减小，相比于同承载力、同桩长的水泥土复合管桩，节约材料用量，节省成本；具体的，根据山东省建筑科学研究院有限公司对水泥土复合管桩、水泥土插芯组合桩的研究，芯桩底端处轴力与桩顶处轴力的比值在0.32～0.57之间，水泥土桩底端处轴力与桩顶处轴力的比值在0.04～0.14之间，保守的，取芯桩底端处轴力值为桩顶处轴力值的0.6倍，既芯桩底端处桩身的承载能力为桩顶处桩身承载能力的0.6倍时，桩身强度即能满足承载要求，根据《水泥土复合管桩基础技术规程》JGJ/T 330-2014中的公式4.3.5-1表明，当芯桩底端处桩身直径为0.8D1时，桩身是偏于安全的，更进一步的，取D2≥0.8D1，变截面水泥土插芯组合桩是更加趋于安全的。在此基础上，通过一个试算案例来比较变截面水泥土插芯组合桩与水泥土复合管桩的经济效益。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

1)本发明中，变截面水泥土复合管桩为倒圆台型结构，桩侧阻力由主要依靠桩侧摩擦力变为依靠土体对桩身的支撑力，相比于水泥土复合管桩必须由高喷搅拌法获得的高摩擦力，变截面水泥土复合管桩无需高压浆液，施工更加简单快速。

2)本发明中可供选择的芯桩类型丰富，不局限于预应力高强混凝土管桩，可以根据不同的地层及上部结构承载要求，进行芯桩的选择。若桩长范围内的土层主要为粉土层、砂层，或桩顶荷载较小时，可选用混凝土预制桩；若桩长范围内的土层主要为淤泥质土层、黏土层，或桩顶荷载较大时，可选用钢桩、型钢桩。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1a为本发明一个或多个实施例中的带扩大头示意图，

图1b为本发明一个或多个实施例中的不带扩大头示意图，

图2a为本发明一个或多个实施例中的粉土、砂层用钻具示意图，

图2b为本发明一个或多个实施例中的淤泥质土层、黏土层用钻具示意图，

图3为本发明一个或多个实施例中的变径搅拌翅在钻杆上的布置形式示意图，

图4为本发明一个或多个实施例中的变径钻头结构示意图，

图5a为本发明一个或多个实施例中的缩扩机构结构在收缩状态下的示意图，

图5b为本发明一个或多个实施例中的缩扩机构结构在扩张状态下的示意图，

图6a为变截面水泥土插芯组合桩专用钻具工作方法第一步示意图，

图6b为变截面水泥土插芯组合桩专用钻具工作方法第二步示意图，

图6c为变截面水泥土插芯组合桩专用钻具工作方法第三步示意图，

图6d为变截面水泥土插芯组合桩专用钻具工作方法第四步示意图，

图6e为变截面水泥土插芯组合桩专用钻具工作方法第五步示意图，

图6f为变截面水泥土插芯组合桩专用钻具工作方法第六步示意图。

图中：1.主桩体，2.芯桩，3.扩大头，4.钻杆，5.变径搅拌翅，6. 变径钻头，7.耐磨合金，8.固定销，9.上出浆孔，10.下出浆孔，11.缩扩机构，12.上臂，13.下臂，14.外螺纹，15.内螺纹，16.固定销底座， 17.滑杆，18.转环，19.限位板，20.钻尖。

为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅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设备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。

术语解释部分：本发明中的术语“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，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者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的具体含义。

实施例1

本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，其公开了一种变截面水泥土插芯组合桩，包括主桩体1和位于主桩体内的芯桩2，主桩体1的直径D₁≥D₂≥0.8D₁，且D₂≥d；所述芯桩2是各种等截面混凝土预制桩、钢桩、型钢桩等，芯桩2长度不大于主桩体1长度；主桩体1的端部还能够连接扩大头。

所述扩大头直径

式中：

D₁—主桩体第一端面直径，等效于变截面水泥土桩的最大桩径 (m)，

D₂—主桩体第二端面直径，等效于变截面水泥土桩的最小桩径 (m)，

d为芯桩桩径(m)，

Q_uk为单桩竖向抗压极限承载力标准值(kN)，

q_pk为极限端阻力标准值(kPa)。

如图1所示，为了避免主桩体1截面变化处应力集中现象，主桩体1的最大桩径D₁呈线性变化过渡到最小桩径D₂，主桩体1整体呈倒圆台型。

所述芯桩2根据土层类型及由上部结构确定的Q_uk选用，若桩长范围内的土层主要为粉土层、砂层，或Q_uk≤8000kN时，可选用混凝土预制桩；若桩长范围内的土层主要为淤泥质土层、黏土层，或Q_uk＞8000kN时，可选用钢桩、型钢桩。

所述扩大头3根据计算结果确定是否设置，若

变截面水泥土插芯组合桩设置桩底扩大头，桩底扩大头直径为D₃，桩底扩大头的高度为0.5～0.8m；若

变截面水泥土插芯组合桩不设置桩底扩大头，桩底扩大头直径为D₂。

实施例2

本发明的一种典型的实施方式中，如图2所示，一种变截面水泥土插芯组合桩施工装置，包括钻杆4、变径搅拌翅5和变径钻头6，所述变径搅拌翅5焊接在钻杆4上，变径钻头6采用螺栓连接在钻杆 4的一端。

如图3所示，所述变径搅拌翅5沿钻杆4轴向方向呈螺旋状布置，层间距为0.4m～0.8m，变径搅拌翅5的长度沿钻杆4轴向方向由上到下线性减小，变径搅拌翅5的最外侧焊接有耐磨合金7。

如图4、5所示，所述变径钻头6包括固定销8、上出浆孔9、下出浆孔10、缩扩机构11、滑杆17、限位板19，其中上出浆孔9、下出浆孔10位于滑杆17上，上出浆孔9靠近滑杆17上部，垂直伸出滑杆外壁0.1m～0.3m，共设置2个，对称布置，下出浆孔10位于滑杆17底部中央，设置1个；滑杆17上部有固定销底座16，下部设置外螺纹14；缩扩机构11包括上臂12、下臂13、转环18，上臂12 通过固定销8固定在滑杆17上部的固定销底座16上，下臂13通过转环18固定在滑杆17下部，转环18内部设置有与滑杆17下部外螺纹14相匹配的内螺纹15；限位板19焊接在滑杆17底部，用于限制缩扩机构11的收缩极限，限位板19下部设置有钻尖20；上臂12、下臂13、钻尖20在钻头钻进时主动切削土体的部位镶嵌有耐磨合金 7。

在更多实施例中，通过调整变截面水泥土插芯组合桩专用钻具变径搅拌翅的数量、布置方式，变截面水泥土插芯组合桩可适用于各种软弱地层。若桩长范围内的土层主要为粉土层、砂层等良好地层时，可采用如图2所示的变径搅拌翅布置形式，单层布置单个变径搅拌翅；若桩长范围内的土层主要为淤泥质土层、黏土层等不良地层时，为了增加土层与水泥浆液的搅拌次数和搅拌均匀程度，可采用图2所示的变径搅拌翅布置形式，单层布置两个变径搅拌翅，同一层的变径搅拌翅对称设置。

实施例3

本发明的一种典型的实施方式中，提供了一种变截面水泥土插芯组合桩的施工方法，使用如实施例2所述的所述变截面水泥土插芯组合桩施工装置开设钻孔，钻孔内能够形成如实施例1所述的一种变截面水泥土插芯组合桩，包括如下步骤：

(1)变径钻头6缩扩机构11的转环18沿滑杆17外螺纹14旋转至限位板19处，此时变径钻头6的等效外径为D2；

(2)施工装置在桩位处对中就位，供浆系统向上出浆孔9、下出浆孔10处输送水泥浆液；

(3)施工装置沿转环18旋转至限位板19处相反旋转方向钻进下沉，由于限位板19的限制作用，在土层钻进反力的作用下，变径钻头6不再收缩，变径钻头6钻孔尺寸保持D2不变；

(4)随着施工装置的钻进下沉，上部钻孔接触的变径搅拌翅5 尺寸逐步增大，上部钻孔在其作用下逐渐增大，直至形成一个倒锥子型钻孔；

(5)根据计算结果确定是否设置扩大头3，若不设置桩底扩大头，施工至步骤(4)既完成变截面水泥土桩的施工，若设置桩底扩大头，施工至变截面水泥土桩桩底后，反向旋转施工装置，变径钻头 6的缩扩机构11在土层反作用力作用下，转环18沿滑杆17外螺纹 14向上旋转，旋转完的变径钻头6等效外径为D3，此时施工的桩底扩大头直径为D3；

(6)提出施工装置并移走，采用植桩设备植入芯桩，完成变截面水泥土插芯组合桩的施工。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种变截面水泥土插芯组合桩，其特征在于，包括主桩体和位于主桩体内的芯桩，芯桩长度不大于主桩体长度，主桩体具有第一端面和第二端面，第一端面直径D₁大于第二端面直径D₂，且第二端面直径D₂大于芯桩直径d且大于0.8D₁；主桩体的端部还能够连接扩大头。

2.如权利要求1所述的便接面水泥土插芯组合桩，其特征在于，所述扩大头直径

式中：

d为芯桩桩径；

Q_uk为单桩竖向抗压极限承载力标准值；

q_pk为极限端阻力标准值。

3.如权利要求1所述的变截面水泥土插芯组合桩，其特征在于，主桩体呈倒圆台型。

4.如权利要求1所述的变截面水泥土插芯组合桩，其特征在于，若芯桩长范围内的土层主要为粉土层和/或砂层，或单桩竖向抗压极限承载力标准值小于等于8000kN时，芯桩选用混凝土预制桩；若芯桩长范围内的土层主要为淤泥质土层和/或黏土层，或单桩竖向抗压极限承载力标准值大于8000kN时，芯桩选用钢桩或型钢桩。

5.如权利要求1所述的变截面水泥土插芯组合桩，其特征在于，若D2≤0.62时，主桩体连接扩大头。

6.如权利要求1或2或5所述的变截面水泥土插芯组合桩，其特征在于，扩大头的高度为0.5～0.8m。

7.一种变截面水泥土插芯组合桩施工装置，用于对如权利要求1～6中任意一项所述的变截面水泥土插芯组合桩的开挖，其特征在于，包括钻杆、变径搅拌翅和变径钻头，所述变径搅拌翅固定连接于钻杆，变径钻头连接钻杆的端部；所述变径搅拌翅沿钻杆轴向方向呈螺旋状布置，变径搅拌翅的长度沿钻杆轴向方向由上到下线性减小，变径搅拌翅的最外侧焊接有耐磨合金。

8.如权利要求7所述的变截面水泥土插芯组合桩施工装置，所述变径钻头包括上出浆孔、下出浆孔、滑杆、缩扩机构、固定销和限位板，上出浆孔和下出浆孔开设于滑杆，上出浆孔靠近滑杆上部，下出浆孔位于滑杆底部中央；缩扩机构通过固定销连接于滑杆的上部；限位板连接于滑杆的底部，用于限制缩扩机构的收缩极限。

9.如权利要求7所述的变截面水泥土插芯组合桩施工装置，变径搅拌翅的层间距为0.4m～0.8m。

10.一种变截面水泥土插芯组合桩的施工方法，其特征在于，使用如权利要求7～9任意一项所述的变截面水泥土插芯组合桩施工装置，包括以下步骤：

变径钻头对缩扩机构运动至限位板处，钻具在桩位处对中就位，供浆系统向上出浆孔、下出浆孔处输送水泥浆液；

钻具下沉旋进，在土层中形成倒圆台型钻孔；

根据计算结果确定是否设置桩底扩大头，若不设置扩大头，则提出钻具；若设置扩大头，施工至变截面水泥土桩桩底后，反向旋转钻具，然后提出钻具；

植入芯桩，完成施工。

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