CN114908741A - 一种施工装置及斜坡软土地基处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种斜坡软土地基处理方法及施工装置，装置包括：长螺旋钻杆和螺旋叶片，螺旋叶片固定在长螺旋钻杆的外侧，长螺旋钻杆具有中空部分；内钻杆和钻头，内钻杆同心设置在长螺旋钻杆的中空部分，且钻头固定在内钻杆的底端；长螺旋钻杆驱动轴，用于带动驱动长螺旋钻杆旋转下移形成第一直径的钻孔，还用于带动内钻杆旋转下移形成第二直径的钻孔，且第二直径的钻孔低于第一直径的钻孔。本发明通过采用内螺旋微型钻头成孔，保证一定的嵌岩深度要求的同时，突破现有复合地基加固桩及管桩等非钻孔桩在嵌岩能力上欠缺的瓶颈，有效解决了斜坡软土尤其是基底为岩质情况的山前斜坡软土地基加固的技术难题。
Description
技术领域
本发明涉及道路工程技术领域，具体涉及一种施工装置及斜坡软土地基处理方法。
背景技术
软土地基处理方法一般包括置换、挤密、固结和基桩四大机理，除固结机理外其余地基处理方法多以桩的形式体现，根据桩体材料性质不同及桩间土发挥作用的大小，桩基础又分为柔性柱，如搅拌桩、旋喷桩、碎石桩等；半刚性桩，如水泥粉煤灰碎石桩，简称CFG桩；刚性桩，如管桩、钻孔灌注桩等，其中柔性桩及半刚性桩桩间土发挥作用较大，一般统称复合地基。
由于地层性质、厚度及产状等差异，软土地基处理一般分深厚软土、松软土及斜坡软土几种情况。其中斜坡软土成分复杂，具有顺坡性、膨胀性和流滑性。斜坡软土和下覆岩层均倾斜分布，填筑上部土方工程时易产生不均匀的沉降变形，且容易在软土和下覆地层的分界面上形成滑动面，使斜坡地基土在下方侧产生较大的水平变形，导致边坡整体下滑，影响施工安全。
采用传统地基处理方法对斜坡软土地基处理时，受成桩工艺及施工机械限制，除钻孔灌注桩外其余桩型均无法满足桩底嵌岩条件；除钻孔灌注桩、预制混凝土管桩等刚性桩外，其余复合地基柔性桩及半刚性桩桩身材料均无配筋，主要承担轴向垂直荷载，水平抗剪强度低；除钻孔灌注桩外，受嵌岩能力及桩身抗剪强度限制，其余桩型地基处理均存在沿斜坡土石交界面整体剪切滑动可能，斜坡软土地段适用性差。
目前在斜坡软土地段地基处理方法中仅钻孔灌注桩可满足嵌岩深度及抗剪强度要求，但钻孔灌注桩相比其他地基处理方法成本高施工难度大。
发明内容
为了解决上述技术缺陷之一，本发明实施例中提供了一种施工装置及斜坡软土地基处理方法。
根据本发明实施例的第一个方面，提供了一种施工装置，包括：
长螺旋钻杆和螺旋叶片，螺旋叶片固定在长螺旋钻杆的外侧，长螺旋钻杆具有中空部分；
内钻杆和钻头，内钻杆同心设置在长螺旋钻杆的中空部分，且钻头固定在内钻杆的底端；
长螺旋钻杆驱动轴，用于带动驱动长螺旋钻杆(12)旋转下移形成第一直径的钻孔，还用于带动所述内钻杆(14)旋转下移形成第二直径的钻孔，且所述第二直径的钻孔低于所述第一直径的钻孔。
根据本发明实施例的第二个方面，提供了一种斜坡软土地基处理方法，包括：
步骤S1：根据路面信息，确定桩的类型、参数和布置方式并平整场地；
步骤S2：将T型钢竖向连接在活动挡板之下，且将T型钢、活动挡板和活动杆自下而上放置到内钻杆的中空部分；
步骤S3：长螺旋钻杆旋转下移带动螺旋叶片钻进土层，并钻至强风化层内第一深度停止钻进，形成第一直径的钻孔；其中，长螺旋钻杆旋转下移形成的挖孔土由螺旋叶片反向旋转带出；
步骤S4：内钻杆旋转下移带动钻头继续钻进，并钻至强风化岩层内第二深度停止钻进，形成第二直径的钻孔；其中，内钻杆旋转下移破碎的岩石通过内钻杆的内钻杆螺纹反向旋转带至螺旋叶片处，由螺旋叶片反向旋转带出。
步骤S5：将活动杆、活动挡板和T型钢向下推送，直至T型钢的底端达到内钻杆的底端；
步骤S6：将作为注浆管的内钻杆与外部的水泥砂浆泵连接，通过注浆管将水泥砂浆自钻头处灌注至CFG桩设计标高处，之后，同步提升内钻杆及钻头至初始位置，并使活动挡板与T型钢分离；
步骤S7：继续提升活动杆及活动挡板并取出，将注浆管与外部水泥、碎石、粉煤灰搅拌机下料管连接，通过注浆管将CFG桩桩身材料下放至长螺旋钻杆底端的外螺旋叶片处；
步骤S8：提升长螺旋钻杆直至离开地面，自下往上形成桩体；
步骤S9：施作桩帽并铺设垫层。
采用本发明实施例中提供的一种斜坡软土地基处理方法及施工装置，具有以下优点：
1、采用内螺旋微型钻头成孔，保证一定的嵌岩深度要求的同时，突破现有复合地基加固桩及管桩等非钻孔桩在嵌岩能力上欠缺的瓶颈，有效解决了斜坡软土尤其是基底为岩质情况的山前斜坡软土地基加固的技术难题。
2、通过预置T型钢，充分利用T型钢的材料及结构特性，充分发挥其抗剪抗弯能力，改善传统复合地基加固桩体主要承担竖向荷载的受力体系，同时土层部分仍采用CFG桩桩身，主要承担上部竖向荷载，充分发挥其各自在相应位置最大的材料利用价值，扩大复合地基适用范围，减少了材料浪费。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，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。在附图中：
图1为本发明实施例提供的一种施工装置整体结构示意图；
图2为本发明提供的一种施工装置中T型钢安装结构示意图；
图3为本发明提供的一种斜坡软土地基处理方法施工横断面示意图。
附图标记：CFG桩1；微型根植钻孔桩2；T型钢3；垫层4；填筑体5；地面线6；土层7；全风化岩层8；强风化岩层9；弱风化岩层10；差速驱动轴11；长螺旋钻杆12；螺旋叶片13；内钻杆14；活动杆15；活动挡板16；内钻杆螺纹17；钻头18。
具体实施方式
为了使本发明中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在实现本发明的过程中，发明人发现，采用传统地基处理方法对斜坡软土地基处理时，受成桩工艺及施工机械限制，除钻孔灌注桩外其余桩型均无法满足桩底嵌岩条件；除钻孔灌注桩、预制混凝土管桩等刚性桩外，其余复合地基柔性桩及半刚性桩桩身材料均无配筋，主要承担轴向垂直荷载，水平抗剪强度低；除钻孔灌注桩外，受嵌岩能力及桩身抗剪强度限制，其余桩型地基处理均存在沿斜坡土石交界面整体剪切滑动可能，斜坡软土地段适用性差；在斜坡软土地段地基处理方法中仅钻孔灌注桩可满足嵌岩深度及抗剪强度要求，但钻孔灌注桩相比其他地基处理方法成本高施工难度大。
针对上述问题，本发明实施例提供了一种斜坡软土地基处理方法及施工装置。
如图1-2所示，根据本发明实施例的第一个方面，提供了一种施工装置，包括：
长螺旋钻杆12和螺旋叶片13，螺旋叶片13固定在长螺旋钻杆12的外侧，长螺旋钻杆12具有中空部分；
内钻杆14和钻头18，内钻杆14同心设置在长螺旋钻杆12的中空部分，且钻头18固定在内钻杆14的底端；
长螺旋钻杆驱动轴，用于带动驱动长螺旋钻杆12旋转下移形成第一直径的钻孔，还用于带动内钻杆14旋转下移形成第二直径的钻孔，且第二直径的钻孔低于第一直径的钻孔。
实施中，所述长螺旋钻杆驱动轴为差速驱动轴11。
在具体实施过程中，该施工装置包括长螺旋钻杆12、螺旋叶片13、内钻杆14、钻头18以及差速驱动轴11。长螺旋钻杆12为内部中空的钻杆，外侧焊接有螺旋叶片13；长螺旋钻杆12内部中空的部分同心设有内钻杆14，内钻杆14的底部设有钻头18，钻头18为合金材质钻头；利用差速驱动轴11根据转速扭矩分别驱动长螺旋钻杆12和内钻杆14旋转下移至钻入土层7内穿过全风化岩层8延伸至强风化层9内形成第一直径钻孔和第二直径的钻孔，第二直径孔的钻孔位置低于第一直径的钻孔位置。通过采用内螺旋微型钻头成孔，保证一定的嵌岩深度要求，突破现有复合地基加固桩及管桩等非钻孔桩在嵌岩能力上欠缺的瓶颈，有效解决了斜坡软土尤其是基底为岩质情况的山前斜坡软土地基加固的技术难题。
在本发明实施例中，内钻杆14具有中空部分且内钻杆14复用为注浆管；施工装置还包括：
活动杆15和活动挡板16，活动挡板16固定在活动杆15的底端；
T型钢3，竖向连接在活动挡板16之下；
其中，T型钢3、活动挡板16和活动杆15自下而上放置到所述内钻杆14的中空部分，活动杆15还用于在内钻杆14旋转下移到预设位置后被向下推动将活动挡板16和T型钢3的底端带到内钻杆14的底部。
在具体实施过程中，内钻杆14也为内部中空的钻杆，同时作为注浆管使用。施工装置还包括T型钢3、活动杆15以及活动挡板16；T型钢3为预置，T型钢3上设有应力应变传感器，内钻杆14的外壁具有内钻杆螺纹17，活动挡板16固定安装在活动杆15的底端，T型钢3竖向连接在，活动挡板16的下方。将T型钢3、活动挡板16以及活动杆15自下而上依次放置到内钻杆14内部中空的部分；当内钻杆14旋转钻入到土层7内的预设位置后，将活动杆15向下推动的同时带动活动挡板16和T型钢3的底端移至内钻杆14的底部，使T型钢3的放置方向与土石交界面倾向保持一致，T型钢3上的应力应变传感器通过保护性细钢管将引线引至地面线6上的填筑体5外，进行施工及运营期地基受力特性及位移变形实时监测。
如图3所示，根据本发明实施例的第二个方面，提供了一种斜坡软土地基处理方法，包括：
步骤1：根据路面信息，确定桩的类型、参数和布置方式并平整场地；
示例性地，在本发明实施例中，路面信息包括路基面宽度、填土高度、车辆荷载、地面横坡以及地层信息等；桩的类型包括CFG桩1和微型根植钻孔桩2。根据路基面宽度、填土高度、地面横坡、地层信息及列车荷载计算复合地基承载力、沉降及土石交界面处抗剪强度要求来确定CFG桩1的桩径、桩长、桩间距、布置方式以及微型根植钻孔桩2的嵌入深度、配筋率，路面斜坡底端采用挖台阶形式施作施工平台，台阶宽度大于等于2m，并保证施工装置稳定，防止倾斜歪倒，CFG桩1结合微型根植钻孔桩2的地基加固方法充分利用了CFG桩1的广泛适用性及微型根植钻孔桩2对重点部位加强的针对性，很好的解决了山区及丘陵区斜坡软土这一大类工程问题，适用于铁路、公路、市政工程等多领域地基处理工程。
步骤2：将T型钢3竖向连接在活动挡板16之下，且将T型钢3、活动挡板16和活动杆15自下而上放置到内钻杆14的中空部分；
示例性地，在本发明实施例中，内钻杆14为内部中空的钻杆，T型钢3为预置T型钢；将T型钢3竖向连接在活动挡板16之下，将T型钢3、活动挡板16和活动杆15自下而上放置到内钻杆14的中空部分，利用差速驱动轴11的驱动实现T型钢3、活动挡板16和活动杆15在内钻杆14的中空部分升降作业。
步骤S3：长螺旋钻杆12旋转下移带动螺旋叶片13钻进土层7，并钻至强风化层9内第一深度停止钻进，形成第一直径的钻孔；其中，长螺旋钻杆12旋转下移形成的挖孔土由螺旋叶片13反向旋转带出；
示例性地，在本发明实施例中，差速驱动轴11驱动长螺旋钻杆12旋转下移带动螺旋叶片13钻进土层7内的强风化层9内0.4～0.6m第一深度处后停止钻进，螺旋叶片13反向旋转将钻孔过程中的挖孔土带出，形成第一直径的钻孔。
步骤S4：内钻杆14旋转下移带动钻头18继续钻进，并钻至强风化岩层9内第二深度停止钻进，形成第二直径的钻孔；其中，内钻杆14旋转下移破碎的岩石通过内钻杆14的内钻杆螺纹17反向旋转带至螺旋叶片13处，由螺旋叶片13反向旋转带出。
示例性地，在本发明实施例中，差速驱动轴11驱动内钻杆14旋转下移带动钻头18继续钻进，并钻至土层7内的强风化岩层9内1～2m第二深度停止钻进，内钻杆14旋转下移破碎的岩石通过内钻杆14的内钻杆螺纹17反向旋转带至螺旋叶片13处，由螺旋叶片13反向旋转带出形成第二直径的钻孔。
步骤S5：将活动杆15、活动挡板16和T型钢3向下推送，直至T型钢3的底端达到内钻杆14的底端；
示例性地，在本发明实施例中，将活动杆15、活动挡板16和T型钢3向下推送，直至T型钢3的底端达到内钻杆14的底端，使T型钢3的放置方向与土石交界面倾向保持一致，T型钢3上的应力应变传感器通过保护性细钢管将引线引至地面线6上的填筑体5外，进行施工及运营期地基受力特性及位移变形实时监测，避免了常规沉降变形监测的人为误差，提高了监测精度，并可以在运营期作为变形监测预警的可靠数据，保证整个结构受力体系有效可控。
步骤S6：将作为注浆管的内钻杆14与外部的水泥砂浆泵连接，通过注浆管将水泥砂浆自钻头18处灌注至CFG桩1设计标高处，之后，同步提升内钻杆14及钻头18至初始位置，并使活动挡板16与T型钢3分离；
示例性地，在本发明的实施例中，内钻杆14内部中空同时作为注浆管，将作为注浆管的内钻杆14与外部的水泥砂浆泵连接，通过注浆管将水泥砂浆自钻头18处灌注至CFG桩1设计标高处，之后，同步提升内钻杆14及钻头18至初始位置，并使活动挡板16与T型钢3分离。
步骤S7：继续提升活动杆15及活动挡板16并取出，将注浆管与外部水泥、碎石、粉煤灰搅拌机下料管连接，通过注浆管将CFG桩1桩身材料下放至长螺旋钻杆12底端的外螺旋叶片13处；
示例性地，在本发明实施例中，活动挡板16与T型钢3分离后，继续提升活动杆15及活动挡板16并取出，将注浆管与外部水泥、碎石、粉煤灰搅拌机下料管连接，通过注浆管将CFG桩桩身材料下放至外螺旋叶片13处，再次调整差速驱动轴11同步驱动外螺旋叶片13提升长螺旋钻杆12。
步骤S8：提升长螺旋钻杆12直至离开地面，自下往上形成桩体。
示例性地，在本发明实施例中，将长螺旋钻杆12提升并离开地面后，外部水泥、碎石、粉煤灰流入钻孔内形成柱体，微型根植钻孔桩2位于弱风化岩层10的顶部，重新安装活动杆15、活动挡板16并内置T型钢3，桩机移位进行下一根桩的施工作业，
步骤S9：施作桩帽并铺设垫层。
示例性地，在本发明实施例中，施工作业完成后，在每个一桩柱上施作桩帽并铺设垫层4，填土压力及列车荷载通过垫层传至CFG桩1及桩间土，CFG桩1利用桩周土侧摩阻力及桩底强风化岩端阻力主要承担其上部竖向荷载，地基处理中上部土层7受填筑体5竖向荷载作用，沿倾斜的土石交界面产生侧向滑动趋势，土石交界面处受力状态可分解为沿土石交界面的切向力和垂直土石交界面的法向力，其稳定性受切向力控制，微型根植钻孔桩2部分利用内置T型钢3作为主要受力体系承担土石交界面处切向力及弯矩，施工中根据螺旋钻机钻进速度及扭矩大小判断入岩深度，并根据实际土石截面确定CFG桩1桩长，保证微型根植钻孔桩2准确位于土石交界面处，在满足同样技术要求情况下，相比传统钻孔灌注桩+筏板方案，同面积地基处理圬工减少50％以上，成本控制约为传统方案的40～50％，如下表所示。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种施工装置，其特征在于，包括：
长螺旋钻杆(12)和螺旋叶片(13)，所述螺旋叶片(13)固定在所述长螺旋钻杆(12)的外侧，所述长螺旋钻杆(12)具有中空部分；
内钻杆(14)和钻头(18)，所述内钻杆(14)同心设置在所述长螺旋钻杆(12)的中空部分，且所述钻头(18)固定在所述内钻杆(14)的底端；
长螺旋钻杆驱动轴，用于带动驱动长螺旋钻杆(12)旋转下移形成第一直径的钻孔，还用于带动所述内钻杆(14)旋转下移形成第二直径的钻孔，且所述第二直径的钻孔低于所述第一直径的钻孔。
2.根据权利要求1所述的施工装置，其特征在于，所述长螺旋钻杆驱动轴为差速驱动轴(11)。
3.根据权利要求1所述的施工装置，其特征在于，所述内钻杆(14)具有中空部分且所述内钻杆(14)复用为注浆管；
施工装置还包括：
活动杆(15)和活动挡板(16)，所述活动挡板(16)固定在所述活动杆(15)的底端；
T型钢(3)，竖向连接在所述活动挡板(16)之下；
其中，所述T型钢(3)、活动挡板(16)和活动杆(15)自下而上放置到所述内钻杆(14)的中空部分，所述活动杆(15)还用于在所述内钻杆(14)旋转下移到预设位置后被向下推动将所述活动挡板(16)和T型钢(3)的底端带到所述内钻杆(14)的底部。
4.根据权利要求3所述的施工装置，其特征在于，所述内钻杆(14)的外壁具有内钻杆螺纹(17)。
5.根据权利要求3所述的施工装置，其特征在于，所述T型钢(3)上设有应力应变传感器。
6.一种斜坡软土地基处理方法，其特征在于，采用权利要求1至5任一所述的施工装置进行处理，方法包括以下步骤：
步骤S2：将T型钢(3)竖向连接在活动挡板(16)之下，且将T型钢(3)、活动挡板(16)和活动杆(15)自下而上放置到所述内钻杆(14)的中空部分；
步骤S3：长螺旋钻杆(12)旋转下移带动螺旋叶片(13)钻进土层，并钻至强风化层(9)内第一深度停止钻进，形成第一直径的钻孔；其中，长螺旋钻杆(12)旋转下移形成的挖孔土由螺旋叶片(13)反向旋转带出；
步骤S4：内钻杆(14)旋转下移带动钻头(18)继续钻进，并钻至强风化岩层(9)内第二深度停止钻进，形成第二直径的钻孔；其中，内钻杆(14)旋转下移破碎的岩石通过所述内钻杆(14)的内钻杆螺纹(17)反向旋转带至螺旋叶片(13)处，由螺旋叶片(13)反向旋转带出。
7.根据权利要求6所述的斜坡软土地基处理方法，其特征在于，还包括：
步骤S5：将活动杆(15)、活动挡板(16)和T型钢(3)向下推送，直至T型钢(3)的底端达到内钻杆(14)的底端；
步骤S6：将作为注浆管的内钻杆(14)与外部的水泥砂浆泵连接，通过注浆管将水泥砂浆自钻头(18)处灌注至CFG桩(1)设计标高处，之后，同步提升内钻杆(14)及钻头(18)至初始位置，并使活动挡板(16)与T型钢(3)分离；
步骤S7：继续提升活动杆(15)及活动挡板(16)并取出，将注浆管与外部水泥、碎石、粉煤灰搅拌机下料管连接，通过注浆管将CFG桩(1)桩身材料下放至长螺旋钻杆(12)底端的外螺旋叶片(13)处；
步骤S8：提升长螺旋钻杆(12)直至离开地面，自下往上形成桩体。
8.根据权利要求6所述的斜坡软土地基处理方法，其特征在于，
所述第一深度的取值范围为大于等于0.4m小于等于0.6m；
所述第二深度的取值范围为大于等于1m小于等于2m。
9.根据权利要求7所述的斜坡软土地基处理方法，其特征在于，步骤S2之前还包括：
步骤S1，根据路面信息，确定桩的类型、参数和布置方式并平整场地；所述路面信息包括路基面宽度、填土高度、车辆荷载、地面横坡以及地层信息；
所述桩包括CFG桩(1)和微型根植钻孔桩(2)；
根据路基面宽度、填土高度、地面横坡、地层信息及列车荷载计算复合地基承载力、沉降及土石交界面处抗剪强度要求来确定所述CFG桩(1)的桩径、桩长、桩间距、布置方式以及微型根植钻孔桩(2)的嵌入深度、配筋率，路面斜坡底端采用挖台阶形式施作施工平台，台阶宽度大于等于2m，并保证施工装置稳定，防止倾斜歪倒。
10.根据权利要求8所述的斜坡软土地基处理方法，其特征在于，还包括：
步骤S9：施作桩帽并铺设垫层。
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