CN113529725A - 硬土层地基中高压水射流破岩水泥土桩施工系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硬土层地基中高压水射流破岩水泥土桩施工系统及其方法，其包括钻机；钻机包括钻杆和固定于钻杆底部的钻头；钻杆通过旋转装置可活动的安装于升降杆上，并沿升降杆垂直上下移动；升降杆安装于移动设备上，且在移动设备上设有稳固钻机的固定设备；钻头内设置有用于高压水平注浆的水平高压喷射注浆装置和用于高压水射流竖向钻孔的竖向高压水装置。本发明便于操作，成本低廉，竖向高压水射流可有效提高对硬土层中的大块石破碎作用，噪音较小，减少环境污染，水平高压注浆装置使桩体翻拌均匀，提高桩身强度和均匀性，通过伸缩装置扩大孔径和改变桩体浇筑直径，实现变径桩的浇筑，提高桩体承载力，提升桩的经济适用性。

Description

硬土层地基中高压水射流破岩水泥土桩施工系统及其方法

技术领域

本发明属于桩基施工的技术领域，具体涉及一种硬土层地基中高压水射流破岩水泥土桩施工系统及其方法。

背景技术

硬土层包含普硬土和坚硬土，一般指土含碎石重粘土，其中包括侏罗纪和石炭纪的硬粘土、含有碎石、卵石、建筑碎料和重达25kg的顽石、(总体积10％以内)等杂质的肥粘土和重粘土冰碛粘土，含有重量在50kg以内的巨砾。

桩基是由桩和连接桩顶的桩承台组成的深基础或由柱与桩基连接的单桩基础。桩基础按施工方法分为灌注桩和预制桩。预制桩是在施工现场或工厂进行预制，再运送到施工现场，利用沉桩设备在设计位置上将其沉入土中。灌注桩是指直接在施工现场开挖桩孔，按设计要求在桩孔内部放置钢筋笼或不放钢筋，灌注混凝土而成桩。

水泥土桩是一种灌注桩，其是在开挖桩孔后不清理桩孔中的孔渣，直接注入水泥浆，并利用搅拌机械将水泥浆和软土搅拌均匀，利用水泥的固化特性，使其成为防渗、高强度的桩基。

然而在硬土层中开挖水泥土桩桩孔时，由于硬土层中顽石、砾石、卵石含量较大，质地坚硬，会导致在成孔过程中出现开挖困难，并且成孔过程中粉尘较大，会对环境造成较大影响。在送浆过程中，容易出现水泥浆和碎土搅拌不均匀，从而导致成孔、成桩时间长、桩体强度差等情况发生。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种硬土层地基中高压水射流破岩水泥土桩施工系统及其方法，以解决或改善上述的问题。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一方面，一种硬土层地基中高压水射流破岩水泥土桩施工系统，其包括钻机；钻机包括钻杆和固定于钻杆底部的钻头；钻杆通过旋转装置可活动的安装于升降杆上，并沿升降杆垂直上下移动；升降杆安装于移动设备上，且在移动设备上设有稳固钻机的固定设备。

本方案将高压水射流技术应用到水泥土桩施工过程中，能提高成孔效率，减少粉尘污染，并使水泥浆和破碎土体更加均匀，取得较好效果。

进一步地，钻头内设置有用于高压水平注浆的水平高压喷射注浆装置和用于高压水射流竖向钻孔的竖向高压水装置。

水平高压喷射注浆装置用于实现高压水平注浆，竖向高压水装置用于实现高压水射流竖向钻孔。

进一步地，竖向高压水装置包括若干个分布于钻头底面的高压水喷嘴；高压水喷嘴表面设有保护盖，且高压水喷嘴通过高压水输送管道与水流二次增压装置和高压水增压装置连通；水流二次增压装置和高压水增压装置之间通过高压水管道连通；高压水增压装置通过连接管道与储水箱连通。

增压后的水流通过中心的高压输送管道被输送到钻头底部的高压水喷嘴，水流二次增压装置用于弥补水流在运输过程中的水压损失。

进一步地，水平高压喷射注浆装置中部与高压水泥浆管道连通，上下两端分别与伸缩装置相连；水平高压喷射注浆装置包括开设于钻头侧面的若干个高压水泥浆喷嘴，高压水泥浆喷嘴外设置水平高压注浆口保护盖；高压水泥浆喷嘴依次与通过高压水泥浆管道、水泥浆管道与水泥浆增压装置连通。

水平高压喷射注浆装置喷射强度高，能够更好的翻搅碎石，形成强度均匀的水泥土桩。

进一步地，位于水平高压喷射注浆装置下方设有与伸缩装置连接的搅拌棒，搅拌棒随伸缩装置伸缩而伸缩作业。

伸缩装置和搅拌棒配合使用，可扩大水平高压注浆喷射半径，浇筑大直径水泥土桩。

进一步地，高压输送水管道固定于钻杆内，且高压水管道的外层为钢套，中间为空心塑胶管；钢套外部设有用于调节高压水泥浆喷嘴和搅拌棒伸缩长度的伸缩装置。

一方面，一种硬土层地基中高压水射流破岩水泥土桩施工系统的施工方法，包括以下步骤：

S1、勘探施工场地地层，根据地层确定水泥土桩位置、尺寸和水泥浆水泥掺量，并选取确定钻杆直径与增压装置；

S2、钻孔定位及装置测试，定位钻孔位置，移动设备将钻机移动至钻孔上方，钻机中心与桩位中心重合，固定设备稳固钻机；对钻机进行测试，确定钻杆垂直度、竖向高压水射流破岩装置和水平高压喷射注浆装置的运转，以及测试水平高压喷射注浆装置和搅拌杆的伸缩；

S3、高压水射流竖向钻孔，启动竖向高压水装置，关闭水平高压喷射注浆装置的保护盖，钻头沿升降杆开始向下作业；水流通过增压装置和二次增压装置，形成高压水，从竖向高压水装置中的高压水喷嘴射出，将竖向硬土层切割破碎；且在下降的同时，基于钻头的旋转装置，竖向高压水均匀地切割钻机范围内的竖向硬土层，钻头匀速缓慢下降，直至到达桩体预设深度；

S4、高压水平注浆；

S5、成桩，待水泥浆固化，形成均匀且高强度的大直径水泥土桩。

进一步地，步骤S4高压水平注浆，包括：

达到桩体预设深度后，关闭竖向高压水装置，提升钻杆，打开水平高压喷射注浆口保护盖，开启水平高压喷射注浆装置，关闭竖向高压水装置保护盖，控制伸缩装置将高压水泥浆喷嘴和搅拌棒伸出，钻头旋转提升，基于高压水泥浆形成的冲击力切割土体、扩大孔径，搅拌棒将土体和水泥浆强制搅拌，直至提升到地面，关闭水平高压喷射注浆装置。

进一步地，步骤S4高压水平注浆，包括：

达到桩体预设深度后，关闭竖向高压水装置，提升钻杆，打开水平高压喷射注浆口保护盖，开启水平高压喷射注浆装置，控制伸缩装置将高压水泥浆喷嘴和搅拌棒伸出，钻头旋转提升，基于高压水泥浆形成的冲击力切割土体、扩大孔径，搅拌棒将土体和水泥浆强制搅拌，直至提升到下段扩径桩体的预设深度，形成下段扩径桩体；

控制伸缩装置将高压水泥浆喷嘴和搅拌棒缩回，继续提升钻头，基于高压水泥浆形成的冲击力切割土体、扩大孔径，搅拌棒将土体和水泥浆强制搅拌，提升至中段桩体预设深度，形成中段桩体；

控制伸缩装置将高压水泥浆喷嘴和搅拌棒伸出，继续提升钻头，基于高压水泥浆形成的冲击力切割土体、扩大孔径，搅拌棒将土体和水泥浆强制搅拌，将钻头提升至地面，形成上段扩径桩体，关闭水平高压喷射注浆装置。

本发明提供的硬土层地基中高压水射流破岩水泥土桩施工系统及其方法，具有以下有益效果：

本发明利用高压水射流装置代替传统施工方法中成本高、磨损大的金刚石钻头，使切割速度提高，减少环境污染，并且使硬土层中的大块石切割破碎效果更加好，易于在成桩过程与水泥浆均匀搅拌混合。

利用水平高压喷射注浆装置代替原泵管喷头进行注浆，由于水平高压水泥浆喷射强度高，能够更好的翻搅碎石，形成强度均匀的水泥土桩。

利用伸缩装置和搅拌棒，可扩大水平高压注浆喷射半径，浇筑大直径水泥土桩。且浇筑水泥浆时可改变浇筑桩段直径，设计人员可根据不同的土层情况设计变直径桩，有效提高桩体承载力，节省材料，提升水泥土桩的经济适用性。

本施工方法原理易于理解，便于操作，成本低廉，竖向高压水射流可有效提高对硬土层中的大块石破碎作用，噪音较小，减少环境污染，水平高压注浆装置使桩体翻拌均匀，提高桩身强度和均匀性，通过伸缩装置扩大孔径和改变桩体浇筑直径，实现变直径桩的浇筑，提高桩体承载力，提升桩的经济适用性，是一种有效的硬土层中水泥土桩施工方法。

附图说明

图1-图4依次为实施例二的施工流程图。

图5-图9依次为实施例三的施工流程图。

图10为钻头底面高压水喷射口布置示意图。

图11为钻头正立面示意图。

图12为钻头侧立面示意图。

图13为水平高压喷射注浆装置和搅拌棒伸出后钻头正立面示意图。

其中，1、水平高压喷射注浆装置；2、竖向高压水装置；3、旋转装置；4、水泥浆增压装置；5、高压水增压装置；6、大直径水泥土桩；7、钻杆；8、水平高压注浆口保护盖；9、保护盖；10、高压水输送管道；11、高压水泥浆管道；12、移动设备；13、储水箱；14、高压水管道；15、水泥浆管道；16、水流二次增压装置；17、连接管道；18、高压水喷嘴；19、高压水泥浆喷嘴；20、碎石；21、大块石；22、升降杆；23、固定设备；24、伸缩装置；25、搅拌棒；26、下段扩径桩体；27、中段桩体；28、上段扩径桩体；29、变直径水泥土桩。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

根据本申请的实施例一，参考图11-图13本方案的硬土层地基中高压水射流破岩水泥土桩施工系统，包括钻机，钻机包括钻杆7和固定于钻杆7底部的钻头。

其中，钻杆7通过旋转装置3可活动的安装于升降杆22上，并沿升降杆22垂直上下移动，进而带动钻头上下移动。

升降杆22安装于移动设备12上，且在移动设备12上设有稳固钻机的固定设备23，移动设备12用于运输钻机到达指定位置，固定设备23用于稳固钻机。

钻头内设置有用于高压水平注浆的水平高压喷射注浆装置1和高压水射流竖向钻孔的竖向高压水装置2。

以下将对水平高压喷射注浆装置1和竖向高压水装置2进行具体描述。

竖向高压水装置2具体如下：

参考图10，竖向高压水装置2包括若干个分布于钻头底面的高压水喷嘴18，高压水喷嘴18表面设有保护盖9，以防止泥沙涌入。

高压水射流喷射压力根据破碎土体的强度不同，可调节范围为80MPa～400MPa，高压水喷嘴18直径为1～2mm，可对竖向硬土层进行均匀破碎。

高压水喷嘴18通过高压水输送管道10与水流二次增压装置16和高压水增压装置5连通，水流二次增压装置16和高压水增压装置5之间通过高压水管道14连通，高压水增压装置5通过连接管道17与储水箱13连通，用于提供水源。

通过高压水增压装置5增压后的水流通过中心的高压水输送管道10被输送到钻头底部的高压水喷嘴18，在水泥浆增压装置4与桩机的连接管末端设有水流二次增压装置16，用于弥补水流在运输过程中的水压损失。

水平高压喷射注浆装置1具体如下：

水平高压喷射注浆装置1中部与高压水泥浆管道11连通，上下两端分别与伸缩装置24相连，水平高压喷射注浆装置1包括开设于钻头侧面的若干个高压水泥浆喷嘴19，高压水泥浆喷嘴19外设置水平高压注浆口保护盖8；高压水泥浆喷嘴19依次与通过高压水泥浆管道11、水泥浆管道15与水泥浆增压装置4连通。

高压水输送管道10外层为一定厚度的钢套，中间为空心塑胶管，钢套上固定有伸缩装置24。经过水泥浆增压装置4后增压的水泥浆通过两侧的高压水泥浆管道11被输送到水平方向的高压水泥浆喷嘴19射出。

高压水泥浆管道11为塑胶软管，留有一定长度余量，可供高压水泥浆喷嘴19伸出。水平高压喷射注浆装置1为钢制，其中部与高压水泥浆管道11相连，上下两端与伸缩装置24相连。在高压水泥浆喷射装置下部安装有搅拌棒25，其尾部与伸缩装置24连接，在注浆时可伸出。

高压水泥浆喷嘴19直径为2～3mm，其表面也设有水平高压注浆口保护盖8。

根据本申请的实施例二，参考图1-图4，一种硬土层地基中高压水射流破岩水泥土桩施工系统的施工方法，包括：

步骤S1、地层勘探与设计：

勘探施工场地地层情况，根据地层情况设计水泥土桩位置、尺寸和水泥浆水泥掺量，并选取合适的钻杆7直径与增压装置。

步骤S2、钻孔定位及装置测试：

按照设计要求利用测量设备对钻孔进行精确定位，随后利用移动设备12将钻机移动至钻孔上方，确保钻机中心与桩位中心重合，且误差不超过20mm，并采取固定设备23使钻机稳固；对钻机进行测试，保证钻杆7垂直度，竖向高压水装置2和水平高压喷射注浆装置1的正常运转，水平高压喷射注浆装置1和搅拌杆能够正常伸缩。

其中，高压水射流喷射压力根据破碎土体的强度不同，可调节范围为80MPa～400MPa，高压水喷嘴18直径为1～2mm，可对竖向硬土层进行均匀破碎。

步骤S3、高压水射流竖向钻孔：

启动竖向高压水装置2，关闭水平高压注浆口保护盖8，钻头沿升降杆22开始向下作业。

水流可通过高压水增压装置5和水流二次增压装置16，形成高压水，从竖向高压水装置2中射出，其最大强度可达到400MPa，将竖向硬土层切割破碎。在下降的同时，基于钻头的旋转装置3，使竖向高压水能均匀地切割钻机范围内的竖向硬土层，将钻头以匀速缓慢下降，直至到达桩体设计深度。

步骤S4、高压水平注浆：

达到设计深度后，关闭竖向高压水装置2，提升钻杆7，打开水平高压注浆装置保护盖9，开启水平高压喷射注浆装置1，并且关闭保护盖9，同时通过固定在高压水管道14上的伸缩装置24，将高压水泥浆喷嘴19和搅拌棒25伸出，伸出长度依据桩体设计直径而定。

钻头旋转提升，基于高压水泥浆形成的冲击力可切割土体、扩大孔径，搅拌棒25可将土体和水泥浆强制搅拌，直至提升到地面，关闭水平高压喷射注浆装置1。

步骤S5、成桩：

待水泥浆固化，形成均匀且高强度的大直径水泥土桩6。

根据本申请的实施例三，参考图5-图9，一种硬土层地基中高压水射流破岩水泥土桩施工系统的施工方法，包括：

步骤S1、地层勘探与设计：

勘探施工场地地层情况，根据地层情况设计水泥土桩位置、尺寸和水泥浆水泥掺量，并选取合适的钻杆7直径与增压装置。

步骤S2、钻孔定位及装置测试：

按照设计要求利用测量设备对钻孔进行精确定位，随后利用移动设备12将钻机移动至钻孔上方，确保钻机中心与桩位中心重合，且误差不超过20mm，并采取固定设备23使钻机稳固；对钻机进行测试，保证钻杆7垂直度，竖向高压水装置2和水平高压喷射注浆装置1的正常运转，水平高压喷射注浆装置1和搅拌杆能够正常伸缩。

其中，高压水射流喷射压力根据破碎土体的强度不同，可调节范围为80MPa～400MPa，高压水喷嘴18直径为1～2mm，可对竖向硬土层进行均匀破碎。

步骤S3、高压水射流竖向钻孔：

启动竖向高压水装置2，关闭水平高压注浆口保护盖8，钻头沿升降杆22开始向下作业。

水流可通过高压水增压装置5和水流二次增压装置16，形成高压水，从竖向高压水装置2中射出，其最大强度可达到400MPa，将竖向硬土层切割破碎。在下降的同时，基于钻头的旋转装置3，使竖向高压水能均匀地切割钻机范围内的竖向硬土层，将钻头以匀速缓慢下降，直至到达桩体设计深度。

步骤S4、高压水平注浆：

达到设计深度后，关闭竖向高压水装置2，提升钻杆7，打开水平高压注浆装置保护盖9，开启水平高压喷射注浆装置1，并且关闭保护盖9，同时通过固定在高压水管道14上的伸缩装置24，将高压水泥浆喷嘴19和搅拌棒25伸出，伸出长度依据桩体设计直径而定。

钻头旋转提升，基于高压水泥浆形成的冲击力可切割土体、扩大孔径，搅拌棒25可将土体和水泥浆强制搅拌，直至提升到下段扩径桩体26的设计深度，形成下段扩径桩体26。

通过控制伸缩装置24将高压水泥浆喷嘴19和搅拌棒25缩回，随后继续提升钻头，依靠高压水泥浆形成的冲击力可切割土体、扩大孔径，搅拌棒25可将土体和水泥浆强制搅拌，提升至中段桩体27设计深度，形成中段桩体27；

通过控制伸缩装置24，将高压水泥浆喷嘴19和搅拌棒25伸出，随后继续提升钻头，依靠高压水泥浆形成的冲击力可切割土体、扩大孔径，搅拌棒25可将土体和水泥浆强制搅拌，将钻头提升至地面，形成上段扩径桩体28，随后关闭水平高压喷射注浆装置1。

步骤S5成桩：

等待水泥浆固化，形成均匀且高强度的变直径水泥土桩29。

本发明将高压水射流技术应用到水泥土桩施工过程中，能提高成孔效率，减少粉尘污染，并使水泥浆和破碎土体更加均匀，取得较好效果。

虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (9)

1.一种硬土层地基中高压水射流破岩水泥土桩施工系统，其特征在于：包括钻机；所述钻机包括钻杆和固定于钻杆底部的钻头；所述钻杆通过旋转装置可活动的安装于升降杆上，并沿升降杆垂直上下移动；所述升降杆安装于移动设备上，且在所述移动设备上设有稳固钻机的固定设备。

2.根据权利要求1所述的硬土层地基中高压水射流破岩水泥土桩施工系统，其特征在于：所述钻头内设置有用于高压水平注浆的水平高压喷射注浆装置和用于高压水射流竖向钻孔的竖向高压水装置。

3.根据权利要求2所述的硬土层地基中高压水射流破岩水泥土桩施工系统，其特征在于：所述竖向高压水装置包括若干个分布于钻头底面的高压水喷嘴；所述高压水喷嘴表面设有保护盖，且高压水喷嘴通过高压水输送管道与水流二次增压装置和高压水增压装置连通；所述水流二次增压装置和高压水增压装置之间通过高压水管道连通；所述高压水增压装置通过连接管道与储水箱连通。

4.根据权利要求2所述的硬土层地基中高压水射流破岩水泥土桩施工系统，其特征在于：所述水平高压喷射注浆装置中部与高压水泥浆管道连通，上下两端分别与伸缩装置相连；所述水平高压喷射注浆装置包括开设于钻头侧面的若干个高压水泥浆喷嘴，高压水泥浆喷嘴外设置水平高压注浆口保护盖；所述高压水泥浆喷嘴依次通过高压水泥浆管道、水泥浆管道与水泥浆增压装置连通。

5.根据权利要求4所述的硬土层地基中高压水射流破岩水泥土桩施工系统，其特征在于：位于所述水平高压喷射注浆装置下方设有与伸缩装置连接的搅拌棒，搅拌棒随伸缩装置伸缩而伸缩作业。

6.根据权利要求3所述的硬土层地基中高压水射流破岩水泥土桩施工系统，其特征在于：所述高压输送水管道固定于钻杆内，且高压水管道的外层为钢套，中间为空心塑胶管；所述钢套外部设有用于调节高压水泥浆喷嘴和搅拌棒伸缩长度的伸缩装置。

7.一种根据权利要求1-6任一所述的硬土层地基中高压水射流破岩水泥土桩施工系统的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、勘探施工场地地层，根据地层确定水泥土桩位置、尺寸和水泥浆水泥掺量，并选取确定钻杆直径与增压装置；

S2、钻孔定位及装置测试：定位钻孔位置，移动设备将钻机移动至钻孔上方，钻机中心与桩位中心重合，固定设备稳固钻机；对钻机进行测试，确定钻杆垂直度、竖向高压水射流破岩装置和水平高压喷射注浆装置的运转，以及测试水平高压喷射注浆装置和搅拌杆的伸缩；

S3、高压水射流竖向钻孔：启动竖向高压水装置，关闭水平高压喷射注浆装置的保护盖，钻头沿升降杆开始向下作业；水流通过增压装置和二次增压装置，形成高压水，从竖向高压水装置中的高压水喷嘴射出，将竖向硬土层切割破碎；且在下降的同时，基于钻头的旋转装置，竖向高压水均匀地切割钻机范围内的竖向硬土层，钻头匀速缓慢下降，直至到达桩体预设深度；

S4、高压水平注浆；

S5、成桩：待水泥浆固化，形成均匀且高强度的大直径水泥土桩。

8.根据权利要求7所述的硬土层地基中高压水射流破岩水泥土桩施工系统的施工方法，其特征在于，所述步骤S4高压水平注浆，包括：

达到桩体预设深度后，关闭竖向高压水装置，提升钻杆，打开水平高压喷射注浆口保护盖，开启水平高压喷射注浆装置，关闭竖向高压水装置保护盖，控制伸缩装置将高压水泥浆喷嘴和搅拌棒伸出，钻头旋转提升，基于高压水泥浆形成的冲击力切割土体、扩大孔径，搅拌棒将土体和水泥浆强制搅拌，直至提升到地面，关闭水平高压喷射注浆装置。

9.根据权利要求7所述的硬土层地基中高压水射流破岩水泥土桩施工系统的施工方法，其特征在于，所述步骤S4高压水平注浆，包括：

达到桩体预设深度后，关闭竖向高压水装置，提升钻杆，打开水平高压喷射注浆口保护盖，开启水平高压喷射注浆装置，控制伸缩装置将高压水泥浆喷嘴和搅拌棒伸出，钻头旋转提升，基于高压水泥浆形成的冲击力切割土体、扩大孔径，搅拌棒将土体和水泥浆强制搅拌，直至提升到下段扩径桩体的预设深度，形成下段扩径桩体；

控制伸缩装置将高压水泥浆喷嘴和搅拌棒缩回，继续提升钻头，基于高压水泥浆形成的冲击力切割土体、扩大孔径，搅拌棒将土体和水泥浆强制搅拌，提升至中段桩体预设深度，形成中段桩体；

控制伸缩装置将高压水泥浆喷嘴和搅拌棒伸出，继续提升钻头，基于高压水泥浆形成的冲击力切割土体、扩大孔径，搅拌棒将土体和水泥浆强制搅拌，将钻头提升至地面，形成上段扩径桩体，关闭水平高压喷射注浆装置。

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