CN1635229A - 半螺丝桩及其加工方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种半螺丝混凝土桩及其加工方法和用于制作的装置，该桩是由一体结构的两部分构成，上部为圆柱形结构的桩基，下部为螺纹型结构的桩基；加工装置包括有动力头、控制装置、带有钻头的钻杆、机架、输浆管，该装置的动力头下部固定有牵引装置；加工方法为：采用螺丝挤压桩机打桩孔，至设计深度后，利用从螺丝挤压桩机的钻杆底端压出砼，并反向向上旋转提钻杆，钻杆上升适当高度后，改为不旋转直提，直至上部桩压注完毕，其优点为：1.由机械一次性挤压成孔成桩，无余土外运，无噪音；2.施工速度明显优于其它桩，一台机每天施工750延米以上；3.由泵压式钻杆挤压成螺丝型+直桩，成型桩无断桩，无缩颈，承载力明显提高。

Description

半螺丝桩及其加工方法和装置

技术领域

本发明涉及建筑机械，准确地说是一种半螺丝混凝土桩及其加工方法和用于制作的装置。

背景技术

现代多层或者高层建筑，要求严格的地基处理、适当的承重桩基，以承载建筑物，且防止地震等带来的对建筑物的伤害。对于承重的桩基，按桩对环境的分类为挤土桩(含部分挤土桩)、非挤土桩，挤土桩在施工过程中，桩周土体受到桩体的挤压作用，土体中超孔隙水压力增大，土体发生隆起现象，造成周边环境的损害已日益受到关注，在大中城市，该法已严格控制性使用。非挤土桩指干、湿作业工法桩，其取土和泥浆污染十分严重，目前，几乎没有更好的技术措施加以解决；较为普遍的是根据施工方法分为预制桩和灌注桩。

国内外无论是预制或现浇砼端承摩擦桩，其桩体本身是圆柱式结构，桩端基本放在具有较好持力土层，在极根承载力状态下，桩的主荷载仍由桩侧摩阻力承受。尽管砼抗压强度储备极大，却很难发挥，往往以土体摩擦破坏作为桩的承载力极限指标，这一类型桩代表了国内外端承摩擦桩的几乎全部受力特征，尤其是国内普遍采用的预制桩，是将混凝土桩基预先制作好，再钻孔打桩，其缺点是不能制作出一次性桩体，只能预制长度适当的桩基，根据实际的需要对接，对接的桩对于桩身横向的承载力很小，往往容易错位，只能有上下纵向的承载力，且打桩过程费时费力，成本很高。

灌注桩有“二次成桩”和“一次成桩”两种施工方法，二次成桩是长螺旋钻机钻成桩孔后，拔出钻机留下空孔，再向该空孔灌注混凝土，一次成桩是在长螺旋钻机钻到设计深度后停机，用泵输送混凝土，通过中空的螺旋钻杆到钻头的出料口，进行压力灌注混凝土，并同步起拔螺旋钻杆成桩。例如专利申请02103855.4即清楚完整地描述了这样的特征，虽然该专利申请增加了桩端预压浆处理过程，解决桩端虚土存在的问题，但是仍然采用的是圆柱式的桩身，其本身仍具有上述的只能承载上下压力的问题。

日本研制出钢纤维预制全螺纹桩，改变了这一受力特征，该钢纤维预制全螺纹桩，是利用特殊的设备预先制作出钢纤维的全螺纹桩，其桩身整体是螺纹结构，便于与土层结合，扩大了桩身的承载面，大大地提高了桩身的承载力，但是其施工时也需利用特殊的设备将桩身压入到土层中，由于高昂的造价且需要专门的配套设备、施工不方便而得不到广泛应用的推广；而且对于全螺纹结构的桩来说，不能适用于混凝土特别是纯混凝土结构的桩身，因为实际上桩身的承载力是呈倒金字塔型分布的，最上部承受的压力最大，最底部承受的压力最小，如果采用混凝土制作，上部的螺纹非常容易断裂、实际上起不到螺纹的作用。

发明内容

为此，本发明的目的是提供一种能够结合土层的半螺丝桩及其加工方法和装置，该方法和装置能够一次打桩并浇筑好半螺丝桩，并保证半螺丝桩具有高承载能力。

本发明的另一个目的是提供一种方便、实用的半螺丝桩及其加工装置，该半螺丝桩能够通过其螺纹与土层结合，承载力大，且能够承载相当的横向力，该半螺丝桩加工装置能提供强大的压力及扭距，对周围的环境不构成污染，且成型桩无断桩，承载力高。

本发明的再一个目的是提供一种半螺丝桩及其加工装置，该半螺丝桩加工装置能够按照其钻杆的转速与深度给进之间保持同步，可避免对原土层的结构扰动。

本发明是这样实现的：

一种半螺丝桩，该桩是由一体结构的两部分构成，上部为圆柱形结构的桩基，下部为螺纹形结构的桩基。

半螺丝桩的结构，依照其设置于土层下受力呈倒金字塔形状的分布情况，上部设计为圆柱形结构的桩基(简称为圆柱形结构)，下部设计为螺纹形结构的桩基(简称为螺纹形结构)，增强了其承载力，使其单桩具有足够的承载能力，一般单桩的承载力为普通直桩的7倍，可保证其所支撑的建筑物不产生过大的总沉降量，经过实际测试，其沉降量不超过1cm。

所述的半螺丝桩，其圆柱形结构占总桩长度的1/5-1/2左右，螺纹形结构占总桩长度的1/2-4/5左右，通常情况下螺纹形结构的长度总是大于圆柱形结构的长度，这是由结合土层的能力及提高桩体的承载力决定的，在实际制作中常根据实际的土层情况决定二者所占的比例，一般采用的方式是圆柱形结构占桩体长度的30％左右。

所述的半螺丝桩，其螺纹形结构的径向距离基本上等于圆柱形结构的直径，且下部的螺纹形结构的螺纹连结于上部的圆柱形结构上，便于制作及使得螺纹形结构能够与圆柱形连接在一起，结构更结实、稳定；一般情况下半螺丝桩螺纹形结构的径向距离等于其圆柱形结构的直径，但是特殊加工场所其圆柱形结构的直径也可以略大于螺纹形结构的径向距离。

上述的螺纹形结构的螺齿厚度是根据实际的要求的混凝土质量确定，可按照目前现在通用的螺纹结构的计算标准计算得出。

所述的半螺丝桩，其内部可在加工时设置钢筋笼，以增强其桩体的强度，钢筋笼可贯穿设置于桩体的整体中，也可根据实际情况，只设置于桩体的局部。

所述的半螺丝桩，其桩直径为300-800mm，桩体长小于等于60米，可广泛应用于软土层与硬土层，作为建筑物的摩擦桩和端承桩使用。

该半螺丝桩使用时埋设在土层中，作为承重的地基支撑体，施工时可先预制好半螺丝桩，通过现有的设备将其压入土层中，也可通过专门的设备一次灌注制作，制作设备的实现为：

一种用于制作半螺丝桩的加工装置，其包括有动力头、控制装置、带有钻头的钻杆、机架、输浆管，其特征在于该装置的动力头下部固定有牵引装置，这样额外增加的向下拉力能够使钻杆在钻孔时具有强大的压力，大大地提高施工速度和效率，也有利于克服土层的阻力，使得钻头能够顺利下钻。

所述的半螺丝桩的加工装置，其钻杆的螺距是根据钻杆下钻的速度和转速的要求确定的，以保证其所制作半螺丝桩的质量，且钻杆的提升速度与转速具有良好的协调关系，以使得钻杆在提升时不破坏及扰动所形成螺纹形的土层结构(即土层中的螺纹结构)。

所述的半螺丝桩的加工装置，其钻杆的上部也为圆柱形结构，且其圆柱形结构的直径小于钻杆螺纹部分的径向距离。

所述的半螺丝桩的加工装置，其钻杆为中空结构，钻杆的底部设置有用于灌注混凝土的阀门，该阀门为设置于钻杆底部外端能够阻挡土层进入钻杆内的档板，往下钻孔时，该档板被土层顶持，不能打开，提升钻杆时，混凝土在压力的作用下冲开该档板，使得混凝土能够顺利灌注。

所述的半螺丝桩的加工装置，其动力头上部也设置有牵引装置，以能够在钻孔结束后顺利地提升钻杆，同时生成半螺丝桩。

所述的半螺丝桩的加工装置，其动力头上设置的牵引装置均衡设置于动力头上，以使钻杆下钻或者提升时受力平衡、稳定。

所述的控制装置，其设置有变频器，以控制钻杆扭距的输出，以及钻杆的转速，保持其转速与给进深度之间同步。

上述的控制装置，其包括有控制系统、变频器，变频器设置有两个，分别连结到进给系统、动力头与控制系统之间，动力头控制钻杆的转速，并信号反馈到控制系统，控制系统向变频器输出控制指令，使变频器控制动力头的行动；如果动力头在钻杆的影响下，其转速发生变化，反馈信号传输到控制系统后，控制系统可以自动调整进给系统变频器的速度，使两个变频器保持同步运行，以保证转速与给进深度之间的同步。

上述的加工装置，其名称为螺丝挤压桩机，实际制作中，可采用上述的螺丝挤压桩机现场一次性成型施工，成桩量每天可达750延米(即φ500mm桩径每天累计进度为750米)以上。前述的现场半螺丝桩一次性成型的加工步聚如下所述：

1、采用螺丝挤压桩机打桩孔，下旋转成孔成形至设计深度；

2、成孔成形至设计深度后，利用从螺丝挤压桩机的钻杆底端压出砼(混凝土)，并反向向上旋转提钻杆，保持钻杆内与土体的压力差，不得中断砼，形成下部螺丝型桩基；

3、钻杆上升适当高度后，由旋转改为不旋转直提，直至上部桩压注完毕，形成直桩桩基，完成半螺丝桩的施工制作。

其中：在带有打桩成孔制作的半螺丝的孔内，钻杆上下旋转运动时要保持螺丝成孔同步，使螺齿齿间土不得受到扰动，该操作尤其适用于＞120KPa土层或其间其它土层。

上述的在制作成形的上部为直桩的孔内，钻杆向下旋转施压钻进成孔，向上停止旋转直提成桩，其停止旋转直提的高度一般是软土底标高或者接近该标高，该方法适用于≤120KPa土层或其其它土层。

所述的加工方法，在钻杆提升过程中，钻杆的提升速度和转速成协调关系，以能够顺利提升钻杆，且使得钻杆的螺齿在提升过程中按照钻孔时形成的螺纹结构反向旋转，不破坏在土层中形成的螺纹结构，不扰动土层。

该工法优点：1、由机械一次性挤压成孔成桩，无余土外运，无噪音；2、施工速度明显优于其它桩，一台机每天施工750延米以上；3、由泵压式钻杆挤压成螺丝型+直桩，成型桩无断桩，无缩颈，承载力明显提高。

其适应范围为：

1、广泛运用于软土层与硬土层交替土层，作为建筑物的磨擦桩+端承桩使用，

2、桩径φ300mm至φ800mm，

3、桩长≤60米。

本发明是建立在CFG桩即干作业法桩和日本的钢纤维螺丝桩的基础上的，在工作中所述的桩机可对钻杆钻头施预强大压力及扭矩，同时按其转速与深度进给之间保持同步关系；且该桩机的动力头输出扭矩为普通类似桩机成倍数以上，使得施工时其钻杆钻头对土层之工作压力可达数十吨以上。

并且该桩机之自动控制系统可自动跟踪钻杆钻头工作状况而调整进给量及其转速；及该桩机之动力头及进给系统皆由变频器配合，使各电动机在低转速时仍能产生最大的输出扭矩，不卡钻，以保障钻杆钻头在土层中形成螺丝桩的同时，尽量避免对原土层结构扰动，以利于形成结构良好的半螺丝桩，并使其具有良好的承载能力。

附图说明

图1为本发明半螺丝桩的结构示意图，

图2为本发明螺丝挤压桩机的结构示意图，

图3为螺丝挤压桩机控制系统的结构示意图，

图4为螺丝挤压桩机动力头的结构示意图，

图5为螺丝挤压桩机钻杆钻头的结构示意图。

具体实施方式

图1所示为半螺丝桩1，该桩是由一体结构的两部分构成，上部为直桩圆柱形结构的桩基11(简称圆柱形结构11)，下部为螺纹形结构的桩基12(简称螺纹形结构12)；其设计是依照其设置于土层下受力呈倒金字塔形状的分布情况，上部设计为圆柱形结构11，下部设计为螺纹形结构12，增强了其承载力，使其单桩具有足够的承载能力，且该半螺丝桩1，其圆柱形结构11占总桩长度的1/3左右，螺纹形结构12占总桩长度的2/3左右，结构搭配合理，能够形成具有最大承载力的桩体。

该半螺丝桩1，其螺纹形结构12上均匀分布有成一定倾斜角度的螺齿121，且该螺纹形结构12的径向距离等于圆柱形结构11的直径，且下部的螺纹形结构12的螺齿121连结于上部的圆柱形结构11上，便于制作及使得螺纹形结构12能够与圆柱形结构11连接在一起，结构更结实、稳定。

其内部可在加工时设置钢筋笼12，以增强其桩体的强度，钢筋笼13贯穿设置于桩体的整体中。

图2、图3、图4及图5所示，用于制作上述的半螺丝桩1的螺丝挤压桩机2，其包括有动力头21、控制装置23、带有钻头27的钻杆24、进给系统22、机架25、输浆管28、水管29，该桩机2的基础支撑物是底座26，底座26的底部有支撑的支脚261，底座26上固定有控制装置23、进给系统22、机架25，动力头21则设置于机架25上，并与机架25保持活动连接，动力头21向下伸出钻杆24，并通过钻杆24底端的钻头27钻孔；钻孔时，动力头21带动钻杆24旋转，并向下运动，使钻头27冲破土层的阻力，钻出符合要求的孔；该桩机2的动力头21下部固定有牵引装置，即下牵引索222，以使钻杆在钻孔时具有强大的压力，提高施工速度和效率；

其动力头21上部也设置有牵引装置，即上牵引索221，上牵引索221和下牵引索222是两条在进给系统22控制下向动力头21提供向下、向上拉力的牵引索，以能够顺利快捷地钻孔成孔，且在钻孔结束后顺利地提升钻杆，同时生成半螺丝桩；在动力头21上设置的下牵引索222及上牵引索221均衡设置于动力头上，以使钻杆下钻或者提升时受力平衡、稳定；

同时，上牵引索221通过固定于机架25上部的滑轮223牵引到进给系统22中，下牵引索222通过固定于机架25下部的滑轮223牵引到进给系统22中，进给系统22中的电动机224向上牵引索221、下牵引索222提高牵引动力。

动力头21的内部具有电动机211及传动轴212，传动轴212带动钻杆24旋转下钻或者提升，钻杆24的上端连接有输浆管28和水管29，以在钻孔完成后向孔内灌注混凝土；动力头的上下中间位置设置有上挂勾213和下挂勾214，以固定上牵引索221、下牵引索222，这样上牵引索221和下牵引索222对称均衡分布在动力头21上，使动力头21的运动保持均衡、稳定。

钻杆24的上部为圆柱结构241，下部为螺纹结构242且其圆柱结构241的直径小于钻杆螺纹结构242的径向距离，使螺纹结构242上均匀分布的螺齿243能够突出其杆体，起下钻破坏土层的作用。

且钻杆24为中空结构，钻杆24的底部设置有用于灌注混凝土的档板271，该档板271设置于钻杆24底部外端，能够阻挡土层进入钻杆24内，往下钻孔时，该档板271被土层向上顶持，不能打开，提升钻杆24时，混凝土在压力的作用下冲开该档板271，同时土层对该档板271的顶持力消失，使得混凝土能够顺利灌注。

控制装置，其设置有变频器，以控制钻杆扭距的输出，以及钻杆的转速，保持其转速与给进深度之间同步，变频器设置有两个，分别连结到进给系统、动力头与控制系统之间，动力头控制钻杆的转速，并信号反馈到控制系统，控制系统向变频器输出控制指令，使变频器控制动力头的行动；如果动力头在钻杆的影响下，其转速发生变化，反馈信号传输到控制系统后，控制系统可以自动调整进给系统变频器的速度，使两个变频器保持同步运行，以保证转速与给进深度之间的同步。

加工方法为：

1、用螺丝挤压桩机2打桩孔，下旋转成孔成形至设计深度；

2、成孔成形至设计深度后，利用从螺丝挤压桩机2的钻杆24底端压出砼(混凝土)，并反向向上旋转提钻杆24，保持钻杆24内与土体的压力差，不得中断砼，形成下部螺纹形结构12；

3、钻杆24上升到接近软土底标高(或者根据实际土层的硬度、钢筋笼的使用情况及其大小确定高度)高度后，由旋转改为不旋转直提，直至上部桩压注完毕，形成圆柱形结构11，完成半螺丝桩的施工制作。

对于设计深度为30米的半螺丝桩1，其上部圆柱形结构11的高度一般为10米左右，螺纹形结构12的高度为30米左右。

其中：在带有打桩成孔制作的具有螺纹结构的孔内，钻杆上下旋转运动时要保持螺纹成孔同步，使螺齿243齿间土不得受到扰动，且螺齿要求齿顶宽大于25mm，该操作尤其适用于＞120KPa土层或其间其它土层。

在钻杆24提升过程中，控制钻杆24的提升速度和转速成协调关系，以能够顺利提升钻杆24，且使得钻杆的螺齿在提升过程中严格按照钻孔时形成的螺纹结构反向旋转，不破坏在土层中形成的螺纹结构，也不扰动土层。

上述的向上停止旋转直提成桩的方法适用于≤120KPa土层或其其它土层。

钢筋笼13的设置可在灌注完成后，采用现有技术直接插入，待混凝土凝固后便可与桩体结合成一个整体。

该工法优点：1、由机械一次性挤压成孔成桩，无余土外运，无噪音；2、施工速度明显优于其它桩，一台机每天施工750延米(以直径50cm的桩计算，每天累计的施工进度为750米)左右；3、由泵压式钻杆挤压成螺丝型+直桩，成型桩无断桩，无缩颈，承载力明显提高。

其适应范围为：

1、广泛运用于软土层与硬土层交替土层，作为建筑物的磨擦桩+端承桩使用，

2、桩径φ300mm至φ800mm，

3、桩长≤60米。

总之，上述的结构方式的描述只是对本发明具体实施的详细说明，不是对本发明的具体限定，只要能够达到本发明的目的的类似的结构以及实施方式都是可行的，在本申请的保护范围之内。

Claims (12)

1一种半螺丝桩，该桩是由一体结构的两部分构成，上部为圆柱形结构的桩基，下部为螺纹型结构的桩基。

2如权利要求1所述的半螺丝桩，其特征在于圆柱形结构占总桩长度的1/5-1/2，螺纹型结构占总桩长度的1/2-4/5。

3、如权利要求1所述的半螺丝桩，其特征在于其螺纹形结构的径向距离基本上等于圆柱形结构的直径，且下部的螺纹形结构的螺纹连结于上部的圆柱型结构上。

4、如权利要求1所述的半螺丝桩，其特征在于其桩直径为300-800mm，桩体长小于等于60米，可广泛应用于软土层与硬土层。

5、一种用于制作半螺丝桩的加工装置，其包括有动力头、控制装置、带有钻头的钻杆、机架、输浆管，其特征在于该装置的动力头下部固定有牵引装置。

6、如权利要求5所述的半螺丝桩的加工装置，其特征在于所述的半螺丝桩的加工装置，其钻杆的上部也为圆柱形结构，且其圆柱形结构的直径小于钻杆螺纹部分的径向距离。

7、如权利要求6所述的半螺丝桩的加工装置，其特征在于其动力头上部也设置有牵引装置。

8、如权利要求6所述的半螺丝桩的加工装置，其特征在于其动力头上设置的牵引装置均衡设置于动力头上。

9、如权利要求6所述的半螺丝桩的加工装置，其特征在于控制装置，其包括有控制系统、变频器，变频器设置有两个，分别连结到进给系统、动力头与控制系统之间，动力头控制钻杆的转速，并信号反馈到控制系统。

10、一种半螺丝桩的加工方法，其特征在于其加工步骤为：

a、采用螺丝挤压桩机打桩孔，下旋转成孔成形至设计深度；

b、成孔成形至设计深度后，利用从螺丝挤压桩机的钻杆底端压出砼(混凝土)，并反向向上旋转提钻杆，保持钻杆内与土体的压力差，不得中断砼，形成下部螺丝型桩基；

c、钻杆上升适当高度后，由旋转改为不旋转直提，直至上部桩压注完毕，形成直桩桩基，完成半螺丝桩的施工制作。

11、如权利要求11所述的半螺丝桩的加工方法，其特征在于钻杆的螺纹在提升过程中按照钻孔时形成的螺纹结构反向旋转，不破坏在土层中形成的螺纹结构，钻杆上下旋转运动时要保持螺丝成孔同步，使螺齿齿间土不得受到扰动，该操作尤其适用于＞120KPa土层或其间其它土层。

12、如权利要求11所述的半螺丝桩的加工方法，其特征在于在制作成形的上部为直桩的孔内，钻杆向下旋转施压钻进成孔，向上停止旋转直提成桩，其停止旋转直提的高度一般是软土底标高或者接近该标高，该方法适用于≤120KPa土层或其其它土层。

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