CN116641398B - 一种自由角度高承载复合扩体桩施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自由角度高承载复合扩体桩施工方法，涉及基坑斜撑施工技术领域，包括以下步骤：S1、刚性桩、刚性扩大头以及抗剪栓钉加工；S2、钻具施工前准备工作；S3、钻具施工；S4、安装高承载刚性扩大头刚桩；S5、浇筑填芯砼，其中步骤S3采用专用施工钻具钻进完成，专用施工钻具由依次组装的自由角度旋转装置、液压双向动力头、单双多重旋喷分流器、高压多重钻杆和螺旋式搅拌合金钻头组成，高压多重钻杆表面设置有螺旋分布的搅拌叶片；通过自由角度旋转装置，实现高承载复合扩体桩的0‑360度施工，将刚性扩大头制成不同的形状，能够适应不同地层以及不同承载力和抗拔力的要求，解决了现有基坑斜撑支护形式的不足，增加了基坑斜撑的稳定性。

Description

一种自由角度高承载复合扩体桩施工方法

技术领域

本发明涉及岩土工程与地下工程基坑斜撑施工技术领域，具体为一种自由角度高承载复合扩体桩施工方法。

背景技术

随着地下空间开发以及城市的发展，导致基坑边线距离土地红线越来越近，虽然采用水平砼支撑及钢支撑可以解决基坑变形问题，但因其造价高、工期长导致在许多基坑工程上使用受限。在此形势下，国内出现了多种基坑斜撑形式，目前基坑工程的斜撑形式主要有以下几类：斜桩、斜抛撑、自稳式基坑支护、复合承载式钢管混凝土斜支撑（俗称大头撑），斜向支撑桩结构（俗称斜向钢格构柱斜撑）等各种斜撑形式。

其中，斜桩结构布置适用于基坑4-6米的条件下，主要形式主要为斜直交替，采用一直一斜或两直两斜的形式，其提供高稳定性高承载，一次成型，利于土方开挖，但是由于斜桩采用预应力矩形桩，一方面导致其不能回收利用，而且造价较高，另一方向需要采用特殊加工的静压桩机设备才可以施工，导致使用范围受到一定限制。

针对复合承载式钢管混凝土斜支撑，其主要通过斜向钢管混凝土与冠梁连接，下部通过填料夯实、挤密土体两部分形成复合承载体，但由于其斜向钢管坐落于由填料形成的扩大头上，钢管与扩大头无有效连接，在斜向作用力容易发生侧向偏移，导致基坑失稳。

而斜向支撑桩结构则主要利用围护支护桩作为反力支撑结构，利用千斤顶将钢格构柱斜向压入土内，前端采用高压旋喷搅拌土体，减小土体反作用力，利于钢格构柱压人土内，由钢格构柱和旋喷水泥土体共同提供支撑反力；由于钢格构柱与水泥土之间的连接主要通过水泥土与钢材之间的粘结力形成一定的强度，强度相对较低，容易发生剪切，尤其在水泥土直径尺寸相比格构柱尺寸较大的情况下，更容易发生斜向剪切从而无法提供足够的高稳定承载力；其次其主要采用围护结构作为反力装置，在斜向压入的情况下，围护结构在受到斜向反作用力情况下，会导致围护结构抬升，综上几种斜撑支护形式普遍存在提供的支撑承载力稳定性不足，承载力相对较低的情况。

发明内容

本发明提供一种自由角度高承载复合扩体桩施工方法,以解决相关技术中现有基坑斜撑支护形式以及承载力稳定性不足的问题。

本发明提供了一种自由角度高承载复合扩体桩施工方法，包括以下步骤。

S1、刚性桩、刚性扩大头以及抗剪栓钉加工，在底部焊接刚性扩大头的刚性桩表面焊接多个抗剪栓钉，得到高承载刚性扩大头刚桩。

S2、钻具施工前准备工作，由旋拧机安装专用施工钻具，并对安装好的专用施工钻具进行检查，之后由旋拧机将专用施工钻具移动到桩位位置。

S3、钻具施工，启动专用施工钻具进行回转钻进，同时进行高压水泥浆和高压高速水的泵送，以对土体进行破碎混合，在到达扩大头位置处时，提高高压水泥浆和高压高速水的泵送压力，专用施工钻具提升过程中重复相同操作，专用施工钻具回转结束后，将除液压双向动力头以外的部分从旋拧机上拆卸下来。

S4、安装高承载刚性扩大头刚桩，利用旋拧机、液压双向动力头配合夹桩器安装步骤S1中制得的高承载刚性扩大头刚桩，启动液压双向动力头，使其带动夹桩器旋转，夹桩器将高承载刚性扩大头刚桩钻进水泥土搅拌桩和异形扩大体中。

S5、浇筑填芯砼，待水泥土搅拌桩和异形扩大体固化成型后，在刚性桩中浇筑填芯砼，待填芯砼凝固后形成自由角度高承载复合扩体桩。

其中，自由角度高承载复合扩体桩，包括水泥土搅拌桩和插设在水泥土搅拌桩中的刚性桩，所述水泥土搅拌桩的底部设置有异形扩大体，刚性桩的底部设置有刚性扩大头，且刚性扩大头插设在异形扩大体中，所述刚性桩的外壁且位于刚性扩大头的上方均匀设置有抗剪栓钉，抗剪栓钉插设在水泥土搅拌桩中，所述刚性桩的内部浇筑有填芯砼。

步骤S3采用专用施工钻具钻进完成，专用施工钻具由依次组装的自由角度旋转装置、液压双向动力头、单双多重旋喷分流器、高压多重钻杆和螺旋式搅拌合金钻头组成，其中高压多重钻杆表面设置有螺旋分布的搅拌叶片，螺旋式搅拌合金钻头的底部开设压缩空气喷嘴和低压水泥浆喷嘴，螺旋式搅拌合金钻头的侧部开设高压高速水喷嘴和高压水泥浆喷嘴。

在一种可能实施的方式中，所述刚性扩大头包括固定套设在刚性桩外部的刚性加强环，刚性加强环的上表面焊接有多个呈圆周分布的刚性肋板，且刚性肋板与刚性桩的外壁焊接固定。

在一种可能实施的方式中，所述刚性扩大头包括多个呈圆周分布焊接在刚性桩外部的叶片,每个叶片的上表面焊接有刚性肋板，且刚性肋板与刚性桩的外壁焊接固定，所述刚性扩大头的数量为单个或从上往下依次分布的多个。

在一种可能实施的方式中，所述刚性扩大头为固定在刚性桩外部的螺旋形结构。

在一种可能实施的方式中，所述刚性桩和抗剪栓钉之间的组装采用一种对接设备完成，所述对接设备包括底板、转动设置在底板上的旋转式承接台、用于对刚性桩外部的刚性扩大头进行限位的限位机构以及用于将抗剪栓钉预插在刚性桩上的栓钉组装机构；所述限位机构设置有四个呈周向分布设置在旋转式承接台上，且初始时栓钉组装机构位于其中一个限位机构上，所述旋转式承接台为圆形板状结构,旋转式承接台通过驱动机构驱动进行间歇转动。

在一种可能实施的方式中，所述限位机构包括开设在旋转式承接台上表面的矩形导槽，矩形导槽沿着旋转式承接台的径向延伸，且矩形导槽内滑动设置有折形板，所述折形板与矩形导槽的内壁之间通过复位弹簧相连接，折形板的上方设置有安装板，且二则之间通过同步杆相连接，所述安装板朝向旋转式承接台轴线的一侧固定安装有限位卡块。

在一种可能实施的方式中，所述底板的上表面转动安装有用于推挤限位机构的推挤机构，推挤机构包括与旋转式承接台同轴线的圆环，圆环的下表面安装有支撑柱，底板的上表面开设有和圆环对应的环形导槽，且支撑柱底端插入环形导槽中，所述圆环的内环面上设置有两个固定推挤体和两个滑动推挤体，固定推挤体与滑动推挤体的形状一致，两个固定推挤体和两个滑动推挤体呈圆周均匀分布，且固定推挤体和滑动推挤体呈相间分布，固定推挤体与圆环内环面固定连接，圆环内环面对应滑动推挤体的位置开设有弧形槽,滑动推挤体与滑动设置在弧形槽中的连接块固定连接，连接块与弧形槽的内壁之间通过弹性绳连接，所述固定推挤体距离圆环轴线较远的一端固定连接有弧形推杆。

在一种可能实施的方式中，所述栓钉组装机构包括矩形容纳腔和一体成型在矩形容纳腔侧壁上的推出口，推出口位于矩形容纳腔靠近旋转式承接台轴线的一侧，所述矩形容纳腔的底壁上设置有滑料台，滑料台的上表面呈斜面，且滑料台靠近推出口的一侧低于远离推出口的一侧，待安装的抗剪栓钉放置在滑料台上，推出口的上表面设置有底托座，底托座呈L形，且底托座的阴角做圆角处理并设置磁力层，所述矩形容纳腔远离旋转式承接台轴线的一侧固定安装有气缸，气缸的伸缩端固定连接有腰型板，所述腰型板的侧壁上固定连接有两个滑动贯穿矩形容纳腔的滑杆，且滑杆的末端共同安装有U形推座，所述U形推座与放置在底托座上的抗剪栓钉的头部相对，且U形推座的两侧壁呈刀刃状。

在一种可能实施的方式中，所述矩形容纳腔的底部固定连接有液压杆，液压杆通过外部伸缩组件带动靠近或远离刚性桩的轴线。

在一种可能实施的方式中，所述限位卡块为上表面开设卡槽的矩形块状结构，卡槽贯穿限位卡块的下表面，且卡槽朝向旋转式承接台轴线的一端呈开口状，卡槽的另一端呈封闭状，靠近封闭端的两侧壁之间的距离相等，靠近开口端的两侧壁之间的距离逐渐变大，且开口处的侧壁间距最大。

本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一。

1、通过刚性加强环和刚性肋板使得刚性桩的底部成为一个高承载刚性固定尺寸的扩大头，解决了承载力不稳定，离散型较大的技术问题，通过形成二层递进刚性结构体解决了外层水泥搅拌扩大体与刚性桩之间直径比过大的问题，从而达到大幅度提高桩基承载力及抗拔力的目标。

2、通过在刚性桩的外壁插接并焊接抗剪栓钉，增加了桩基的抗剪、抗扭和抗震效果，同时由于抗剪栓钉以及刚性扩大头的设置使得刚性桩的承载力相比普通刚性桩的承载力得以大幅度提高。

3、通过自由角度旋转装置，实现高承载复合扩体桩的0-360度施工，满足更多需求。

4、将刚性扩大头制成不同的形状，能够适应不同地层以及不同承载力和抗拔力的要求，解决了现有基坑斜撑支护形式的不足，增加了基坑斜撑的稳定性。

5、将刚性扩大头可以设置为多级，也可以在刚性桩不同位置处设置，可以大幅度增加高承载复合扩体桩的承载力，从而大幅度增加了基坑斜撑的稳定性。

6、在专用施工钻具施工过程中，通过自由角度旋转装置调整以及高压水泥浆泵的压力调低可形成自由角度水泥土搅拌桩，可用于适应不同施工场景技术需要。

7、在专用施工钻具施工过程中，通过自由角度旋转装置调整以及高压水泥浆泵的压力调高可形成自由角度高压旋喷桩，可用于适应不同施工场景技术需要。

附图说明

图1是本发明实施例提供的方法流程图。

图2是采用旋拧机带动专用施工钻具成型自由角度高承载复合扩体桩的工作示意图。

图3是本发明实施例提供的专用施工钻具的结构示意图。

图4是本发明实施例提供的自由角度高承载复合扩体桩的结构示意图。

图5是本发明实施例提供的对接设备将抗剪栓钉组装在刚性桩表面的立体结构示意图之一。

图6是本发明实施例提供的对接设备将抗剪栓钉组装在刚性桩表面的立体结构示意图之二。

图7是本发明实施例提供的对接设备将抗剪栓钉组装在刚性桩表面的立体结构示意图之三。

图8是图7中A区域的放大示意图。

图9是本发明实施例提供的推挤机构的结构示意图。

图10是本发明实施例提供的推挤机构的剖切立体图。

图11是本发明实施例提供的栓钉组装机构的结构示意图。

图12是本发明实施例提供的栓钉组装机构的局部剖切图。

图13是刚性桩表面组装抗剪栓钉的状态变化示意图。

图14是一种类型的刚性扩大头与刚性桩的连接结构示意图。

图15是另一种类型的刚性扩大头与刚性桩的连接结构示意图。

图中：1、水泥土搅拌桩；2、异形扩大体；3、刚性桩；4、刚性扩大头；41、刚性加强环；42、刚性肋板；43、叶片；5、抗剪栓钉；6、填芯砼；7、底板；8、旋转式承接台；9、驱动机构；91、齿环；92、不完全齿轮；10、限位机构；101、矩形导槽；102、折形板；103、复位弹簧；104、同步杆；105、安装板；106、限位卡块；107、转辊；11、推挤机构；111、圆环；112、固定推挤体；113、弧形槽；114、滑动推挤体；115、连接块；116、弹性绳；117、弧形推杆；118、支撑柱；119、环形导槽；12、液压杆；13、栓钉组装机构；131、矩形容纳腔；132、推出口；133、底托座；134、滑料台；135、气缸；136、腰型板；137、滑杆；138、U形推座；14、自由角度旋转装置；15、液压双向动力头；16、单双多重旋喷分流器；17、高压多重钻杆；18、搅拌叶片；19、螺旋式搅拌合金钻头；20、旋拧机。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于下面所描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进,因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

请参阅图1，一种自由角度高承载复合扩体桩施工方法，包括以下步骤。

S1、刚性桩3、刚性扩大头4以及抗剪栓钉5加工。

S2、钻具施工前准备工作。

S3、钻具施工。

S4、安装高承载刚性扩大头刚桩。

S5、浇筑填芯砼。

其中，自由角度高承载复合扩体桩，包括水泥土搅拌桩1和插设在水泥土搅拌桩1中的刚性桩3，所述水泥土搅拌桩1的底部设置有异形扩大体2，刚性桩3的底部设置有刚性扩大头4，且刚性扩大头4插设在异形扩大体2中，所述刚性扩大头4包括固定套设在刚性桩3外部的刚性加强环41，刚性加强环41的上表面焊接有多个呈圆周分布的刚性肋板42，且刚性肋板42与刚性桩3的外壁焊接固定，所述刚性扩大头4沿着刚性桩3的轴向从下往上设置有多个，所述刚性桩3的外壁且位于刚性扩大头4的上方均匀设置有抗剪栓钉5，抗剪栓钉5插设在水泥土搅拌桩1中，所述刚性桩3的内部浇筑有填芯砼6，填芯砼6为微膨胀混凝土。

需要说明的是，刚性桩3不限于钢管桩、预制桩以及格构柱钢桩。

同样，刚性扩大头4也有多种类型，请参阅图14，所述刚性扩大头4还可以由叶片43和刚性肋板42组成，所述刚性扩大头4包括多个呈圆周分布焊接在刚性桩3外部的叶片43,每个叶片43的上表面焊接有刚性肋板42，且刚性肋板42与刚性桩3的外壁焊接固定，所述刚性扩大头4的数量为单个或从上往下依次分布的多个。

请参阅图15，所述刚性扩大头4还可以为固定在刚性桩3外部的螺旋形结构。

如图5、图6和图7所示，步骤S1中刚性桩3和抗剪栓钉5之间的组装采用一种对接设备完成，以附图13中所示的刚性扩大头4与刚性桩3的组合体为例，在刚性桩3表面对接抗剪栓钉5，所述对接设备包括底板7、转动设置在底板7上的旋转式承接台8、用于对刚性桩3外部的刚性扩大头4进行限位的限位机构10以及用于将抗剪栓钉5预插在刚性桩3上的栓钉组装机构13；所述限位机构10设置有四个呈周向分布设置在旋转式承接台8上，且初始时栓钉组装机构13位于其中一个限位机构10上。

参阅图7，所述旋转式承接台8为圆形板状结构,旋转式承接台8通过驱动机构9驱动进行间歇转动，驱动机构9包括固定套设在旋转式承接台8上的齿环91以及转动安装在底板7上的不完全齿轮92，齿环91与不完全齿轮92相啮合，其中不完全齿轮92采用间歇电机驱动转动，利用间歇电机带动不完全齿轮92转动，进而啮合齿环91间歇转动，间歇电机每带动不完全齿轮92转动两圈，不完全齿轮92能啮合齿环91旋转四十五度。

参阅图7和图8，所述限位机构10包括开设在旋转式承接台8上表面的矩形导槽101，矩形导槽101沿着旋转式承接台8的径向延伸，且矩形导槽101内滑动设置有折形板102，所述折形板102与矩形导槽101的内壁之间通过复位弹簧103相连接，折形板102的上方设置有安装板105，且二则之间通过同步杆104相连接，所述安装板105朝向旋转式承接台8轴线的一侧固定安装有限位卡块106，限位卡块106为上表面开设卡槽的矩形块状结构，卡槽贯穿限位卡块106的下表面，且卡槽朝向旋转式承接台8轴线的一端呈开口状，卡槽的另一端呈封闭状，靠近封闭端的两侧壁之间的距离相等，靠近开口端的两侧壁之间的距离逐渐变大，且开口处的侧壁间距最大，即靠近开口端的两侧壁呈坡口；在将抗剪栓钉5组装在刚性桩3上时，先将刚性桩3通过吊装设备吊至旋转式承接台8上，并使刚性肋板42与限位卡块106上的卡槽大致对准，在限位卡块106向刚性肋板42靠近时，任意一侧的坡口与刚性肋板42碰触时会推动刚性肋板42带动刚性桩3向远离该侧坡口的方向转动，即实现刚性桩3的小幅度微调，为了减小刚性桩3的底部在小幅度微调过程中与旋转式承接台8之间的摩擦力，可在旋转式承接台8上滚动设置多个滚珠（附图中未示出）。

参阅图5、图9和图10，所述底板7的上表面转动安装有用于推挤限位机构10的推挤机构11，推挤机构11包括与旋转式承接台8同轴线的圆环111，圆环111的下表面安装有支撑柱118，底板7的上表面开设有和圆环111对应的环形导槽119，且支撑柱118底端插入环形导槽119中，环形导槽119对支撑柱118的移动启动导向作用，所述圆环111的内环面上设置有两个固定推挤体112和两个滑动推挤体114，固定推挤体112与滑动推挤体114的形状一致，两个固定推挤体112和两个滑动推挤体114呈圆周均匀分布，且固定推挤体112和滑动推挤体114呈相间分布，固定推挤体112与圆环111内环面固定连接，圆环111内环面对应滑动推挤体114的位置开设有弧形槽113,滑动推挤体114与滑动设置在弧形槽113中的连接块115固定连接，连接块115与弧形槽113的内壁之间通过弹性绳116连接；固定推挤体112朝向圆环111轴线的一侧到圆环111轴线的距离沿着圆环111的顺时针方向逐渐增大（如图9箭头所指方向）。

当圆环111顺时针旋转时，固定推挤体112随之同步转动，固定推挤体112在转动过程中推动同步杆104向旋转式承接台8的轴线方向移动，从而带动限位卡块106向刚性肋板42靠近，进而通过两个相对的限位卡块106分别对两个刚性肋板42进行初步调整与夹固，需要说明的是，当刚性肋板42顶触到限位卡块106上卡槽的封闭端时，两个刚性肋板42与限位卡块106之间卡紧，便于后续旋转式承接台8旋转时带动刚性桩3一同转动。

参阅图7和图8，所述固定推挤体112距离圆环111轴线较远的一端固定连接有弧形推杆117，固定推挤体112在移动时同步带动弧形推杆117移动，当弧形推杆117触碰到滑动推挤体114之后会推动滑动推挤体114一起移动，此时连接块115将弹性绳116逐渐拉伸，滑动推挤体114推挤与之相对应的同步杆104向刚性桩3靠近，固定推挤体112与滑动推挤体114虽然形状相同，但二者发生移动的时间不同步，如此在推动同步杆104时，与固定推挤体112配合同步杆104先移动，而与滑动推挤体114配合的同步杆104后移动。

参阅图8，为了减少固定推挤体112和滑动推挤体114二者与同步杆104之间的摩擦力，在同步杆104上转动套设转辊107，需要说明的是，由于复位弹簧103的弹性系数大于弹性绳116的弹性系数，在圆环111顺时针旋转时，滑动推挤体114受到转辊107的阻力无法随圆环111同步转动，故固定推挤体112与滑动推挤体114移动才会出现时差；利用四个限位机构10两两同步分别向四个刚性肋板42靠近，从而将刚性桩3锁紧固定。

参阅图7、图11和图12，所述栓钉组装机构13包括矩形容纳腔131和一体成型在矩形容纳腔131侧壁上的推出口132，推出口132位于矩形容纳腔131靠近旋转式承接台8轴线的一侧，所述矩形容纳腔131的底壁上设置有滑料台134，滑料台134的上表面呈斜面，且滑料台134靠近推出口132的一侧低于远离推出口132的一侧，待安装的抗剪栓钉5放置在滑料台134上，斜面的设计使得抗剪栓钉5能在惯性作用下滚落下来；推出口132的上表面设置有底托座133，抗剪栓钉5从滑料台134上滚落下来后落在底托座133上，底托座133呈L形，且底托座133的阴角做圆角处理并设置磁力层，以便于增加底托座133和抗剪栓钉5的接触面积以及吸附力，避免抗剪栓钉5滚落下来后碰撞到底托座133上发生反弹；所述矩形容纳腔131远离旋转式承接台8轴线的一侧固定安装有气缸135，气缸135的伸缩端固定连接有腰型板136，所述腰型板136的侧壁上固定连接有两个滑动贯穿矩形容纳腔131的滑杆137，且滑杆137的末端共同安装有U形推座138，所述U形推座138与放置在底托座133上的抗剪栓钉5的头部相对，且U形推座138的两侧壁呈刀刃状，在气缸135收缩带动滑杆137向矩形容纳腔131内部移动时，U形推座138随之同步移动，U形推座138的其中一个侧壁插入相邻的两个抗剪栓钉5之间，当抗剪栓钉5的头部与U形推座138的内壁接触时，抗剪栓钉5被同步向推出口132的方向推动，从而将当前处于底托座133上的抗剪栓钉5推出。

在整个推出过程中，U形推座138的侧壁对位于滑料台134上最低处的抗剪栓钉5起到阻隔作用，当U形推座138复位不再对抗剪栓钉5阻隔时，位于滑料台134上最低处的抗剪栓钉5在惯性作用下滑落到底托座133上。

如图13所示，需要说明的是，刚性桩3的外壁开设有八列呈圆周分布的孔，其中四列孔和四个刚性肋板42一一对应，每列包括多个沿着刚性桩3长度方向呈线性分布的孔，在将抗剪栓钉5焊接在刚性桩3之前，先将抗剪栓钉5插入孔中，避免由于刚性桩3的表面呈曲面，在焊接时二者对位容易发生偏差，同时方便电焊工一次焊接成型。

参阅图5和图13，矩形容纳腔131的底部固定连接有液压杆12，液压杆12带动栓钉组装机构13升降，从而对同一列中的多个孔由上往下依次插设抗剪栓钉5，液压杆12通过外部伸缩组件带动靠近或远离刚性桩3的轴线（图中未示出外部伸缩组组件的结构），初始时，液压杆12的固定端放置在其中一个限位机构10中的安装板105上，且此时推出口132与同一列的孔对准，在一列孔中全部被插接抗剪栓钉5后，液压杆12通过外部伸缩组件带动远离刚性桩3，等待刚性桩3旋转四十五度停止后，外部伸缩组件再带动液压杆12向刚性桩3靠近，对下一列孔插设抗剪栓钉5，直至所有的孔中都插设抗剪栓钉5。

如图13所示，刚性桩3及刚性扩大头4加工过程如下：首先采用对接设备完成抗剪栓钉5与刚性桩3的组装，其中刚性桩3上每装完一列抗剪栓钉5后，人工采用电弧焊的方式将刚性桩3和抗剪栓钉5焊接在一起，直至所有的抗剪栓钉5焊接完毕，得到的刚性桩3、刚性扩大头4和抗剪栓钉5的组合体，即高承载刚性扩大头刚桩，预先将抗剪栓钉5组装在刚性桩3上是为了避免抗剪栓钉5焊接在曲面上时发生的对位误差；具体组装过程如下：通过吊装设备将焊接过刚性肋板42以及刚性加强环41的刚性桩3吊至旋转式承接台8上，并使刚性肋板42与限位卡块106上的卡槽大致对准，驱动圆环111顺时针旋转（可以采用齿轮传动或者链轮链条传动的方式），固定推挤体112随之同步转动，固定推挤体112在转动过程中推动同步杆104上的转辊107向旋转式承接台8的轴线方向移动，从而带动限位卡块106向刚性肋板42靠近，任意一侧的坡口与刚性肋板42碰触时会推动刚性肋板42带动刚性桩3向远离该侧坡口的方向转动，即实现刚性桩3的小幅度微调，当刚性肋板42顶触到限位卡块106上卡槽的封闭端时，两个刚性肋板42与限位卡块106之间卡紧，通过两个相对的限位卡块106分别对两个刚性肋板42进行初步调整与夹固。

固定推挤体112在移动时同步带动弧形推杆117移动，当弧形推杆117触碰到滑动推挤体114之后会推动滑动推挤体114一起移动，此时连接块115将弹性绳116逐渐拉伸，滑动推挤体114推挤与之相对应的同步杆104向刚性桩3靠近，当四个刚性肋板42均被夹固后，圆环111停止转动。

外部伸缩组件带动液压杆12向刚性桩3靠近直至液压杆12的固定端放置在其中一个限位机构10中的安装板105上，之后气缸135收缩带动滑杆137向矩形容纳腔131内部移动时，U形推座138随之同步移动，U形推座138的其中一个侧壁插入相邻的两个抗剪栓钉5之间，当抗剪栓钉5的头部与U形推座138的内壁接触时，抗剪栓钉5被同步向推出口132的方向推动，从而将当前处于底托座133上的抗剪栓钉5推出，抗剪栓钉5插入对应的孔中。

之后液压杆12带动矩形容纳腔131每次下降相邻两个孔的间距，并暂停短暂时间，以进行抗剪栓钉5的插接，当一列孔中全部被插接抗剪栓钉5后，液压杆12通过外部伸缩组件带动远离刚性桩3，此时驱动机构9通过旋转式承接台8带动刚性桩3旋转四十五度停止后，外部伸缩组件再带动液压杆12向刚性桩3靠近，对下一列孔插设抗剪栓钉5，直至所有的孔中都插设抗剪栓钉5，反向旋转圆环111即可解除对刚性桩3的固定，之后通过吊装设备将高承载刚性扩大头刚桩吊走，以备使用。

如图2所示，步骤S3采用专用施工钻具钻进完成，专用施工钻具由依次组装的自由角度旋转装置14、液压双向动力头15、单双多重旋喷分流器16、高压多重钻杆17和螺旋式搅拌合金钻头19组成，其中高压多重钻杆17表面设置有螺旋分布的搅拌叶片18，螺旋式搅拌合金钻头19的底部开设压缩空气喷嘴和低压水泥浆喷嘴，螺旋式搅拌合金钻头19的侧部开设高压高速水喷嘴和高压水泥浆喷嘴，其中液压双向动力头15也可以替换为振动动力头。

S2、钻具施工前准备工作。

S21、由旋拧机20安装专用施工钻具，将形成完整的主体施工设备，其中旋拧机20由挖掘机改装，此外也可以采用倾斜式打桩机具安装专用施工钻具。

S22、后台设备安装：依次安装空气压缩机、超高压流体泵、超高压水泵、自动适应电脑后台、全自动化电脑水泥搅拌后台以及和主体施工设备之间的管路连接，之后由旋拧机20将专用施工钻具移动到桩位位置，其中超高压流体泵为高压水泥浆泵、高压砂浆泵或高压泥浆泵，本实施例中的超高压流体泵采用高压水泥浆泵，需要说明的是，高压水泥浆泵数量为二，其中一个和专用施工钻具中单双多重旋喷分流器16的高压水泥浆接口连接，另外一个和单双多重旋喷分流器16的低压水泥浆接口连接，空气压缩机则和单双多重旋喷分流器16的压缩空气接口连接，其中低压水泥浆喷嘴与压缩空气喷嘴均位于螺旋式搅拌合金钻头19的底部，而高压水泥浆喷嘴则位于螺旋式搅拌合金钻头19的侧部，超高压水泵和高压多重钻杆17内部相连通，并从螺旋式搅拌合金钻头19的侧部喷射出去。

S23、现场通过全自动化电脑水泥搅拌后台进行水泥浆配置、水泥浆的搅拌及运输；开启空气压缩机进行空气压力试喷射，检查空气管路是否畅通；开启高压水泥浆泵以及超高压水泵，检查水泥浆管路以及水管路是否畅通，调整高压水泥浆泵的压力，再次检查水泥浆管路是否畅通。

S3、钻具施工：启动液压双向动力头15带动高压多重钻杆17进行旋转钻进，同时开启超高压水泵向高压多重钻杆17中泵射高压高速水，高压高速水从螺旋式搅拌合金钻头19侧部的高压高速水喷嘴喷射出，对土体进行切割破碎；启动与低压水泥浆接口连通的高压水泥浆泵，水泥浆通过高压水泥浆泵、水泥管路送至单双多重旋喷分流器16中的低压水泥浆接口中，并从螺旋式搅拌合金钻头19底部的低压水泥浆喷嘴喷射出，与破碎的土体进行混合搅拌，同时压缩空气也从螺旋式搅拌合金钻头19底部的压缩空气喷嘴喷射出，对破碎的土体与水泥浆起到混合作用。

当螺旋式搅拌合金钻头19到达扩大头的位置后，降低专用施工钻具的钻进速度和转速，同时提高超高压水泵的压力，高压高速水切割超过搅拌叶片18外部的土体，并对土体进行破碎和搅拌，启动与高压水泥浆喷嘴连通的高压水泥浆泵，水泥浆在高压力的作用下从单双多重旋喷分流器16中高压水泥接口向超出搅拌叶片18外部的土体喷射，并对土体进行破碎和搅拌，破碎后的土体与水泥浆混合在一起，此过程中，另一个高压水泥浆泵可以为关闭状态也可以为启动状态。

在提升专用施工钻具时，提升速度加快，同时在扩大头处，超高压流体泵和超高压水泵仍然处于升压后的状态，以便让高压高速水和高压水泥浆二次对超过搅拌叶片18外部的土体进行破碎和搅拌；继续提升专用施工钻具，当离开扩大头处时，降低超高压水泵的压力，关闭与高压水泥浆喷嘴连通的高压水泥浆泵，从而降低高压高速水喷射出的速度，同时配合搅拌叶片18对搅拌叶片18搅拌范围内的土体进行二次切割破碎和搅拌，加快专用施工钻具的旋转速度以及提升速度；专用施工钻具回转结束后，将除液压双向动力头15以外的部分从旋拧机20上拆卸下来，专用施工钻具回转钻进过程中，水泥浆和土体混合形成水泥土搅拌桩1和高压旋喷桩，当螺旋式搅拌合金钻头19到达扩大头的位置后，若另一个高压水泥浆泵为关闭状态，则异形扩大体2由扩大的高压旋喷桩组成，若另一个高压水泥浆泵为启动状态，则异形扩大体2由水泥土搅拌桩1和高压旋喷桩组成。

S4、安装高承载刚性扩大头刚桩：利用旋拧机20、液压双向动力头15配合夹桩器安装步骤S1中制得的高承载刚性扩大头刚桩，启动液压双向动力头15，使其带动夹桩器旋转，夹桩器将高承载刚性扩大头刚桩钻进水泥土搅拌桩1和异形扩大体2中。

S5、浇筑填芯砼：待水泥土搅拌桩1和异形扩大体2固化成型后，在刚性桩3中浇筑填芯砼6，其中填芯砼6为微膨胀混凝土，待填芯砼6凝固后形成自由角度高承载复合扩体桩。

在本发明实施例中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触,或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明的描述中,还需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“设置”、“相连”、“安装”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接，或滑动连接；可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例,并非依此限制本发明的保护范围,故：凡依据本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种自由角度高承载复合扩体桩施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、刚性桩（3）、刚性扩大头（4）以及抗剪栓钉（5）加工，在底部焊接刚性扩大头（4）的刚性桩（3）表面焊接多个抗剪栓钉（5），得到高承载刚性扩大头刚桩；

所述刚性桩（3）和抗剪栓钉（5）之间的组装采用一种对接设备完成，所述对接设备包括底板（7）、转动设置在底板（7）上的旋转式承接台（8）、用于对刚性桩（3）外部的刚性扩大头（4）进行限位的限位机构（10）以及用于将抗剪栓钉（5）预插在刚性桩（3）上的栓钉组装机构（13）；所述限位机构（10）设置有四个呈周向分布设置在旋转式承接台（8）上，且初始时栓钉组装机构（13）位于其中一个限位机构（10）上，所述旋转式承接台（8）为圆形板状结构,旋转式承接台（8）通过驱动机构（9）驱动进行间歇转动；

所述限位机构（10）包括开设在旋转式承接台（8）上表面的矩形导槽（101），矩形导槽（101）沿着旋转式承接台（8）的径向延伸，且矩形导槽（101）内滑动设置有折形板（102），所述折形板（102）与矩形导槽（101）的内壁之间通过复位弹簧（103）相连接，折形板（102）的上方设置有安装板（105），且二则之间通过同步杆（104）相连接，所述安装板（105）朝向旋转式承接台（8）轴线的一侧固定安装有限位卡块（106）；

S2、钻具施工前准备工作，由旋拧机（20）安装专用施工钻具，并对安装好的专用施工钻具进行检查，之后由旋拧机（20）将专用施工钻具移动到桩位位置；

S3、钻具施工，启动专用施工钻具进行回转钻进，同时进行高压水泥浆和高压高速水的泵送，以对土体进行破碎混合，在到达扩大头位置处时，提高高压水泥浆和高压高速水的泵送压力，专用施工钻具提升过程中重复相同操作，专用施工钻具回转结束后，将除液压双向动力头（15）以外的部分从旋拧机（20）上拆卸下来；

S4、安装高承载刚性扩大头刚桩，利用旋拧机（20）、液压双向动力头（15）配合夹桩器安装步骤S1中制得的高承载刚性扩大头刚桩，启动液压双向动力头（15），使其带动夹桩器旋转，夹桩器将高承载刚性扩大头刚桩钻进水泥土搅拌桩（1）和异形扩大体（2）中；

S5、浇筑填芯砼，待水泥土搅拌桩（1）和异形扩大体（2）固化成型后，在刚性桩（3）中浇筑填芯砼（6），待填芯砼（6）凝固后形成自由角度高承载复合扩体桩；

其中，自由角度高承载复合扩体桩，包括水泥土搅拌桩（1）和插设在水泥土搅拌桩（1）中的刚性桩（3），所述水泥土搅拌桩（1）的底部设置有异形扩大体（2），刚性桩（3）的底部设置有刚性扩大头（4），且刚性扩大头（4）插设在异形扩大体（2）中，所述刚性桩（3）的外壁且位于刚性扩大头（4）的上方均匀设置有抗剪栓钉（5），抗剪栓钉（5）插设在水泥土搅拌桩（1）中，所述刚性桩（3）的内部浇筑有填芯砼（6）；

步骤S3采用专用施工钻具钻进完成，专用施工钻具由依次组装的自由角度旋转装置（14）、液压双向动力头（15）、单双多重旋喷分流器（16）、高压多重钻杆（17）和螺旋式搅拌合金钻头（19）组成，其中高压多重钻杆（17）表面设置有螺旋分布的搅拌叶片（18），螺旋式搅拌合金钻头（19）的底部开设压缩空气喷嘴和低压水泥浆喷嘴，螺旋式搅拌合金钻头（19）的侧部开设高压高速水喷嘴和高压水泥浆喷嘴。

2.根据权利要求1所述的一种自由角度高承载复合扩体桩施工方法，其特征在于：所述刚性扩大头（4）包括固定套设在刚性桩（3）外部的刚性加强环（41），刚性加强环（41）的上表面焊接有多个呈圆周分布的刚性肋板（42），且刚性肋板（42）与刚性桩（3）的外壁焊接固定。

3.根据权利要求1所述的一种自由角度高承载复合扩体桩施工方法，其特征在于：所述刚性扩大头（4）包括多个呈圆周分布焊接在刚性桩（3）外部的叶片（43）,每个叶片（43）的上表面焊接有刚性肋板（42），且刚性肋板（42）与刚性桩（3）的外壁焊接固定，所述刚性扩大头（4）的数量为单个或从上往下依次分布的多个。

4.根据权利要求1所述的一种自由角度高承载复合扩体桩施工方法，其特征在于：所述刚性扩大头（4）为固定在刚性桩（3）外部的螺旋形结构。

5.根据权利要求1所述的一种自由角度高承载复合扩体桩施工方法，其特征在于：所述底板（7）的上表面转动安装有用于推挤限位机构（10）的推挤机构（11），推挤机构（11）包括与旋转式承接台（8）同轴线的圆环（111），圆环（111）的下表面安装有支撑柱（118），底板（7）的上表面开设有和圆环（111）对应的环形导槽（119），且支撑柱（118）底端插入环形导槽（119）中，所述圆环（111）的内环面上设置有两个固定推挤体（112）和两个滑动推挤体（114），固定推挤体（112）与滑动推挤体（114）的形状一致，两个固定推挤体（112）和两个滑动推挤体（114）呈圆周均匀分布，且固定推挤体（112）和滑动推挤体（114）呈相间分布，固定推挤体（112）与圆环（111）内环面固定连接，圆环（111）内环面对应滑动推挤体（114）的位置开设有弧形槽（113）,滑动推挤体（114）与滑动设置在弧形槽（113）中的连接块（115）固定连接，连接块（115）与弧形槽（113）的内壁之间通过弹性绳（116）连接，所述固定推挤体（112）距离圆环（111）轴线较远的一端固定连接有弧形推杆（117）。

6.根据权利要求1所述的一种自由角度高承载复合扩体桩施工方法，其特征在于：所述栓钉组装机构（13）包括矩形容纳腔（131）和一体成型在矩形容纳腔（131）侧壁上的推出口（132），推出口（132）位于矩形容纳腔（131）靠近旋转式承接台（8）轴线的一侧，所述矩形容纳腔（131）的底壁上设置有滑料台（134），滑料台（134）的上表面呈斜面，且滑料台（134）靠近推出口（132）的一侧低于远离推出口（132）的一侧，待安装的抗剪栓钉（5）放置在滑料台（134）上，推出口（132）的上表面设置有底托座（133），底托座（133）呈L形，且底托座（133）的阴角做圆角处理并设置磁力层，所述矩形容纳腔（131）远离旋转式承接台（8）轴线的一侧固定安装有气缸（135），气缸（135）的伸缩端固定连接有腰型板（136），所述腰型板（136）的侧壁上固定连接有两个滑动贯穿矩形容纳腔（131）的滑杆（137），且滑杆（137）的末端共同安装有U形推座（138），所述U形推座（138）与放置在底托座（133）上的抗剪栓钉（5）的头部相对，且U形推座（138）的两侧壁呈刀刃状。

7.根据权利要求6所述的一种自由角度高承载复合扩体桩施工方法，其特征在于：所述矩形容纳腔（131）的底部固定连接有液压杆（12），液压杆（12）通过外部伸缩组件带动靠近或远离刚性桩（3）的轴线。

8.根据权利要求1所述的一种自由角度高承载复合扩体桩施工方法，其特征在于：所述限位卡块（106）为上表面开设卡槽的矩形块状结构，卡槽贯穿限位卡块（106）的下表面，且卡槽朝向旋转式承接台（8）轴线的一端呈开口状，卡槽的另一端呈封闭状，靠近封闭端的两侧壁之间的距离相等，靠近开口端的两侧壁之间的距离逐渐变大，且开口处的侧壁间距最大。