CN115726698A - 一种scp螺旋排挤土钻具及成桩方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及建筑业地基处理领域，特涉及一种SCP螺旋排挤土桩钻具及成桩方法。本发明下钻首次挤密时，可根据地质情况的不同，其排土为成孔桩体体积的70~90%，当地层条件的桩周土为非饱和土层时一般取低值，当桩周土为饱和软土时，地层密实程度高的取大值。其预留桩体体积的10~30%孔周土体被下挤扩体充分地向孔周挤压，作为孔壁的挤密增强构造；提钻时钻具对回弹的土体进行再次挤密。本发明解决既能提高桩基承载力，又能规避桩及复合地基的挤土效应问题。
Description
技术领域
本发明涉及建筑业地基处理领域，特涉及一种SCP螺旋排挤土桩钻具及成桩方法。
背景技术
土木工程施工中，桩基施工越来越多，施工工法及施工设备也在不断进步。近年来，随着我国铁路客运专线和高速公路建设的迅速发展以及其它建设项目的需要，对软土地基的加固处理提出了更严格的要求。特别是在不同的地质条件下，提高地基承载力和更精确的控制其沉降量，成为软土地基处理中急需解决的问题。在这样的背景下，各种挤密类型的螺纹桩、螺杆桩、静压或冲击成桩的预应力管桩等以桩身承载力高，综合造价低等优势，逐步获得认可，应用逐渐广泛。但是，这些挤密类型桩具有一个普遍的特点是，桩身全断面的挤密成孔，桩自身的体积"占用"了土体原有的空间，因此，桩四周的土体结构受到扰动而产生较大的挤土效应，而一般的挤土效应表现为浅层土体的隆起和深层土体的横向挤出和扰动，而严重地挤土效应的负面作用是对周围路面和建筑物引起破坏。
挤土类桩在施工过程中，桩周的土体向四周排开，当桩周土为非饱和土层时，在土体受到挤压时，桩周土体的体积会发生收缩，能有效的消散挤压应力，因此挤土类桩在非饱和土层中的挤土效应不明显，所造成的负面影响也较小;当桩周土为较饱和软土时，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，挤土效应十分显著，因此所造成的负面影响更大。挤土类桩的挤土效应所造成的影响主要表现在以下几个方面:(1)沉桩时，由于桩周土层被压密并挤开，使土体产生垂直方向的隆起和水平方向的位移，可能造成近邻已压入的桩产生上浮，桩端被"悬空"，使桩的承载力达不到设计要求;也会造成桩位偏移和桩身翘曲折断等质量事故;并可使相邻建筑物和市政设施的发生不均匀变形以致损坏。(2)压桩过程中孔隙水压力升高，造成土体破坏，未破坏的土体也会因孔隙水压力的不断传播和消散而蠕变，也会导致土体的垂直隆起和水平方向的位移。
研究与开发一种既能增大桩承载力，又能有效消除挤土效应的一种SCP螺旋排挤土桩钻具及成桩方法，是基础建设行业内的切实需要。
发明内容
为解决上述问题，本发明一种SCP螺旋排挤土桩钻具及成桩方法，本发明主要解决既能提高桩基承载力，又能规避桩及复合地基的挤土效应问题。
本发明的技术方案：一种SCP螺旋排挤土桩钻具，包括排挤钻具，其特征在于：排挤钻具包括下挤扩体、上挤扩体、保径体、双头螺旋、钻头掘齿、开合钻尖、螺旋叶片、钻头芯轴，保径体上下分别设置上挤扩体和下挤扩体，钻头芯轴自上而下穿过上挤扩体、保径体和下挤扩体，上挤扩体上部的钻头芯轴上设置螺旋叶片，下挤扩体下部的钻头芯轴上设置双头螺旋和钻头掘齿，钻头掘齿设置在双头螺旋端部，开合钻尖设置在钻头芯轴底部；下挤扩体下部的钻头芯轴以及双头螺旋、钻头掘齿、开合钻尖构成螺旋掘取段；下挤扩体为下挤土段，保径体为保径段，上挤扩体为上挤土段。
根据如上所述的一种SCP螺旋排挤土桩钻具，其特征在于：螺旋掘取段直径为桩径的70~90%，保径体的长度为1 D 至1.3D，其中D为设计桩径直径。
根据如上所述的一种SCP螺旋排挤土桩钻具，其特征在于：下挤扩体的下端外径与螺旋掘取段直径相同，下挤扩体上端直径与保径段直径相同。
根据如上所述的一种SCP螺旋排挤土桩钻具，其特征在于：上挤扩体与下挤扩体锥台形相反，上挤扩体锥角度小于下挤扩体的10~20%。
根据如上所述的一种SCP螺旋排挤土桩钻具，其特征在于：在上挤扩体、下挤扩体和保径体的外侧，分别设有3至6等分的条形构造工艺开口和抗耐磨的加强附件。
根据如上所述的一种SCP螺旋排挤土桩钻具，其特征在于：条形构造工艺开口的两端呈圆弧过度，与钻具轴向设置10~15度夹角。
根据如上所述的一种SCP螺旋排挤土桩钻具，其特征在于：抗耐磨的加强附件的安装部位是上挤扩体、下挤扩体和保径体的外表面，采用多等分的条形布设，为耐磨的硬质合金镶嵌焊接或者采用耐磨焊条条状焊接。
根据如上所述的一种SCP螺旋排挤土桩钻具，其特征在于：下挤扩体至钻具底部的长度为0.3~0.6m。
根据如上所述的一种SCP螺旋排挤土桩钻具，其特征在于：还包括螺旋钻杆、桩机、动力头、砼送料管、混凝土泵和钻杆接头，桩机上的动力头与螺旋钻杆通过法兰螺栓或者内六方接头连接,螺旋钻杆通过钻杆接头与排挤钻具连结，混凝土泵通过砼送料管与动力头连接，螺旋钻杆内部中空并与钻杆接头连接，通过螺旋钻杆、钻杆接头以及排挤钻具上钻头芯轴可向钻具底部压注砼。
本发明还公开了一种SCP螺旋排挤土的成桩方法，其特征在于：
步骤1：桩机及挤密钻具与孔位对中调平；
步骤2：钻进作业时，向下以顺时针或逆时针方向回转钻进，并辅以轴心压力，钻具的掘取段将掘取的孔芯70~90%土体的沿螺旋钻杆排出孔口，同时，钻具的下挤扩体在旋转力与轴心压力的双重作用力下，实现对预留孔壁土的挤；
步骤3：提升作业时，向上以与步骤2一致的方向低速回转，加速孔内土体顺螺旋钻杆上排至孔口，上挤土段的上挤扩体可将孔周残余虚土进行二次挤密；
步骤4：在步骤3提升作业的同时，通过混凝土泵、砼送料管、螺旋钻杆内腔至钻具底部，在混凝土重力的作用下，钻具的开合钻尖自动打开，及时地充填排挤完成的桩孔空间，压注砼成桩。
根据如上所述的一种SCP螺旋排挤土的成桩方法，其特征在于：还包括步骤5：根据设计需要，及时的通过后置法，振捣插入钢筋笼。
根据如上所述的一种SCP螺旋排挤土的成桩方法，其特征在于：步骤2步骤中根据地质情况的不同，选择排土为成孔桩体体积的70~90%，当地层条件的桩周土为非饱和土层时取低值，当桩周土为饱和软土时，地层密实程度高的取大值；步骤3步骤中上挤扩段的上挤扩体将孔内桩体体积的约10~20%孔周残余虚土进行二次挤密。
采用上述技术方案，具有如下有益效果：
（1）、钻具的结构简单，成本低和便于维护，排挤桩钻具的成孔过程中，集排土和挤密成孔一次性完成；通过对对桩周的挤密成孔，符合桩基础受力的一般规律，更加环保，可大幅提高桩的承载力；排挤土成孔、护壁、压灌砼成桩的全部工序一次完成，速度快、效率高。
（2）、旋排土在排过程中被挤压，相当于对孔壁的挤扩，而挤扩的土体消纳于孔壁内，挤压、挤扩具有针对性，使孔壁密实性均衡，侧摩阻力增强，单桩承载力得以提高，减小建筑物的沉降量。
（3）、成孔时大量的土体被排至地面，针对密实性黏性土地层、砂或者砂砾层等饱和性地层，尤其明显，在应用地层的适应范围上更广了。采取排土挤密置换法，地基土密实性没有被破坏，桩周土密实性得以加强，桩侧摩阻力得到增强。
附图说明
图1、SCP螺旋排挤土桩钻具及成桩方法示意图。
图2、SCP螺旋排挤土桩钻具的正视图。
图3、SCP螺旋排挤土桩钻具工作状态示意图。
图4、开合钻尖处局部放大示意图。
图5、SCP螺旋排土与挤密桩钻具及成桩方法步骤图1。
图6、SCP螺旋排挤土桩钻具及成桩方法步骤图2。
图7、SCP螺旋排挤土桩钻具及成桩方法步骤图3。
图8、SCP螺旋排挤土桩钻具及成桩方法步骤图4。
附图标记说明：排挤钻具1、螺旋钻杆2、桩机3、动力头4、砼送料管5、混凝土泵6、掘取段Ⅰ、下挤扩段Ⅱ、保径段Ⅲ、上挤扩段Ⅳ、下挤扩体7、上挤扩体8、保径体9、双头螺旋10、钻头掘齿11、开合钻尖12、螺旋叶片13、钻头芯轴14、钻杆接头15。
Spiral dumping Soil Compacting Pile Foundation：螺旋排土挤土桩基础，简称SCP排挤桩。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1和图2所示，一种SCP螺旋排挤土桩钻具，排挤钻具1、螺旋钻杆2、桩机3、动力头4、砼送料管5、混凝土泵6和钻杆接头15。桩机3上的动力头4与螺旋钻杆2通过法兰螺栓或者内六方接头连接,螺旋钻杆2通过钻杆接头15与排挤钻具1连结，混凝土泵6通过砼送料管5与动力头4连接，螺旋钻杆2内部中空并与钻杆接头15连接，通过螺旋钻杆2、钻杆接头15以及排挤钻具1上钻头芯轴14可向钻具底部压注砼。排挤钻具1包括下挤扩体7、上挤扩体8、保径体9、双头螺旋10、钻头掘齿11、开合钻尖12、螺旋叶片13、钻头芯轴14。保径体9上下分别设置上挤扩体8和下挤扩体7，钻头芯轴14自上而下穿过上挤扩体8、保径体9和下挤扩体7，上挤扩体8上部的钻头芯轴14上设置螺旋叶片13，下挤扩体7下部的钻头芯轴14上设置双头螺旋10和钻头掘齿11，钻头掘齿11设置在双头螺旋10端部，开合钻尖12设置在钻头芯轴14底部。下挤扩体7下部的钻头芯轴14以及双头螺旋10、钻头掘齿11、开合钻尖12构成螺旋掘取段Ⅰ，螺旋掘取段Ⅰ直径为双头螺旋10的直径；下挤扩体7为下挤土段Ⅱ，保径体9为保径段Ⅲ，上挤扩体8为上挤土段Ⅳ，本发明的挤土桩钻具成孔方法以螺旋掘取段为主，径向挤土为辅，实现成桩过程的排土与挤密成孔、压灌混凝土一次性完成。螺旋掘取段Ⅰ直径小于设计桩径，为桩径的70~90%。本发明中保径体9的直径D为设计桩径，保径体9的长度为1 D 至1.3D。
双头螺旋10端部的钻头掘齿11以正向回转方式向下钻进，将70~90%的桩心土沿通长设置的螺旋叶片进行旋排土至地表。下挤扩体7至钻具底部的长度为0.3~0.6m（钻具底部为开合钻尖12处），下挤扩体7将孔周预留10~30%的土体向外侧，即下挤扩体7为锥面结构，在垂直的方向进行螺旋式挤压，形成密实的孔周土护圈，从而使桩体与桩周土共同受力，以提高承载力，直至达到设计桩孔深度。
本发明的下挤扩体7的下端外径最好与螺旋掘取段Ⅰ直径相同，下挤扩体7上端直径与保径段Ⅲ直径相同；保径段为设计桩径；上挤扩体8与下挤扩体7锥台形相反，为一倒锥形，其锥角度小于下挤扩体的10~20%。在上挤扩体8、下挤扩体7和保径体9的外侧，最好分别设有3至6等分的条形构造工艺开口和抗耐磨的加强附件。3至6等分的条形构造工艺开口的两端呈圆弧过度，与钻具轴向设置10~15度夹角。其作用一是上挤扩体8、下挤扩体7内由条形开口处溢出的土，被挤扩体再次均匀的挤密，实现排土和挤密成孔一次性完成；二是作为钻具焊接工艺开口；三是可方便钻具内集土的清理。抗耐磨的加强附件的安装部位是挤扩体8、下挤扩体7和保径体9的外表面，采用多等分的条形布设，主要为耐磨的硬质合金镶嵌焊接或者采用耐磨焊条条状焊接。
本发明的SCP螺旋排挤土桩的成桩方法钻具的螺旋钻杆2外侧有等距布设的螺旋叶片，节与节之间采用内六方接头或者法兰连接，钻杆的内径均为等直径。钻具的开合钻尖12采用底开合，即钻尖与钻具的芯管通过单侧铰支座，铰支连接。向下钻进时，钻尖处于闭合工况，桩孔终孔后，钻具在提升和正向回转的同时，及时的压灌混凝土（见图8），混凝土的冲击和压力将钻尖自动打开，充填桩孔，形成螺旋排土挤密桩。
本发明还公开了一种SCP螺旋排挤土桩的成桩方法，成孔以旋排土为主，桩周土体挤密分为下钻挤密和提升挤密两种挤密过程。下钻首次挤密时，可根据地质情况的不同，其排土为成孔桩体体积的70~90%，当地层条件的桩周土为非饱和土层时一般取低值，当桩周土为饱和软土时，地层密实程度高的取大值。其预留桩体体积的10~30%孔周土体被下挤扩体7充分地向孔周挤压，作为孔壁的挤密增强构造，对桩周土挤密。在上钻提升工况时，上挤扩段Ⅳ的上挤扩体8可将孔内桩体体积的约10~20%孔周残余虚土进行二次挤密。在满足提高承载力的同时，又规避了因挤密过量造成的较大挤密负效应。
一种SCP螺旋排挤土桩的成桩方法的步骤是：
步骤1）：桩机及挤密钻具与孔位对中调平;
步骤2）：钻进作业时，向下以顺时针方向回转钻进，并辅以轴心压力，钻具的掘取段Ⅰ将掘取的孔芯70~90%土体的沿螺旋钻杆2排出孔口，同时，钻具的下挤扩体7在旋转力与轴心压力的双重作用力下，实现对预留孔壁土的挤密，保径段进行挤密固实孔壁和保证桩孔直径，直至满足设计桩深；
步骤3）：提升作业时，向上以顺时针方向低速回转，加速孔内土体顺螺旋钻杆上排至孔口，上挤土段的上挤扩体可将孔周残余虚土进行二次挤密，保径段进一步挤密固实孔壁和保证桩孔直径；
步骤4：在步骤3提升作业的同时，通过混凝土泵、砼送料管、螺旋钻杆内腔至钻具底部，在混凝土重力的作用下，钻具的开合钻尖自动打开，及时地充填排挤完成的桩孔空间，压注砼成桩。
步骤5：可根据设计需要，及时的通过后置法，振捣插入钢筋笼，完成SCP桩成桩。本发明步骤2和步骤3只要确保旋转方向相同即可，在螺旋叶片反向的情况下，也可以逆时针旋转。
Claims (10)
1.一种SCP螺旋排挤土桩钻具，包括排挤钻具，其特征在于：排挤钻具包括下挤扩体、上挤扩体、保径体、双头螺旋、钻头掘齿、开合钻尖、螺旋叶片、钻头芯轴，保径体上下分别设置上挤扩体和下挤扩体，钻头芯轴自上而下穿过上挤扩体、保径体和下挤扩体，上挤扩体上部的钻头芯轴上设置螺旋叶片，下挤扩体下部的钻头芯轴上设置双头螺旋和钻头掘齿，钻头掘齿设置在双头螺旋端部，开合钻尖设置在钻头芯轴底部；下挤扩体下部的钻头芯轴以及双头螺旋、钻头掘齿、开合钻尖构成螺旋掘取段；下挤扩体为下挤土段，保径体为保径段，上挤扩体为上挤土段。
2.根据权利要求1所述的一种SCP螺旋排挤土桩钻具，其特征在于：螺旋掘取段直径为桩径的70~90%，保径体的长度为1 D 至1.3D，其中D为设计桩径直径。
3.根据权利要求1所述的一种SCP螺旋排挤土桩钻具，其特征在于：下挤扩体的下端外径与螺旋掘取段直径相同，下挤扩体上端直径与保径段直径相同。
4.根据权利要求1所述的一种SCP螺旋排挤土桩钻具，其特征在于：上挤扩体与下挤扩体锥台形相反，上挤扩体锥角度小于下挤扩体的10~20%。
5.根据权利要求1所述的一种SCP螺旋排挤土桩钻具，其特征在于：在上挤扩体、下挤扩体和保径体的外侧，分别设有3至6等分的条形构造工艺开口和抗耐磨的加强附件。
6.根据权利要求1所述的一种SCP螺旋排挤土桩钻具，其特征在于：还包括螺旋钻杆、桩机、动力头、砼送料管、混凝土泵和钻杆接头，桩机上的动力头与螺旋钻杆通过法兰螺栓或者内六方接头连接,螺旋钻杆通过钻杆接头与排挤钻具连结，混凝土泵通过砼送料管与动力头连接，螺旋钻杆内部中空并与钻杆接头连接，通过螺旋钻杆、钻杆接头以及排挤钻具上钻头芯轴可向钻具底部压注砼。
7.一种SCP螺旋排挤土的成桩方法，其特征在于：
步骤1：桩机及挤密钻具与孔位对中调平；
步骤2：钻进作业时，向下以顺时针或逆时针方向回转钻进，并辅以轴心压力，钻具的掘取段将掘取的孔芯70~90%土体的沿螺旋钻杆排出孔口，同时，钻具的下挤扩体在旋转力与轴心压力的双重作用力下，实现对预留孔壁土的挤；
步骤3：提升作业时，向上以与步骤2一致的方向低速回转，加速孔内土体顺螺旋钻杆上排至孔口，上挤土段的上挤扩体可将孔周残余虚土进行二次挤密；
步骤4：在步骤3提升作业的同时，通过混凝土泵、砼送料管、螺旋钻杆内腔至钻具底部，在混凝土重力的作用下，钻具的开合钻尖自动打开，及时地充填排挤完成的桩孔空间，压注砼成桩。
8.根据权利要求7所述的一种SCP螺旋排挤土的成桩方法，其特征在于：还包括步骤5：根据设计需要，及时的通过后置法，振捣插入钢筋笼。
9.根据权利要求7所述的一种SCP螺旋排挤土的成桩方法，其特征在于：步骤2步骤中根据地质情况的不同，选择排土为成孔桩体体积的70~90%，当地层条件的桩周土为非饱和土层时取低值，当桩周土为饱和软土时，地层密实程度高的取大值；步骤3步骤中上挤扩段的上挤扩体将孔内桩体体积的约10~20%孔周残余虚土进行二次挤密。
10.根据权利要求7所述的一种SCP螺旋排挤土的成桩方法，其特征在于：采用权利要求1至权利要求6所述的任一种SCP螺旋排挤土桩钻具进行成桩。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN117211262A (zh) * | 2023-09-28 | 2023-12-12 | 郑州大学 | 适用于湿陷性黄土的二次挤密成孔全长扩体桩及施工方法 |
| CN119393064A (zh) * | 2024-12-18 | 2025-02-07 | 广东电网有限责任公司 | 一种钻头结构 |
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|---|---|---|---|---|
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| CN119393064A (zh) * | 2024-12-18 | 2025-02-07 | 广东电网有限责任公司 | 一种钻头结构 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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