CN213709498U - 一种带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩及成桩用钻头装置 - Google Patents

Abstract

本发明创造涉及一种带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩及成桩用钻头装置。所述带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩，包括混凝土主体桩，所述混凝土主体桩由桩底部、桩身部和桩顶部组成；所述桩底部的形状是混凝土主体桩通过复挤密混凝土向四周延伸形成的扩大头结构；设有螺牙桩段和至少一段扩大径螺牙桩段，所述螺牙桩段是在混凝土主体桩外缘制有一体结构的向外突出的螺旋盘绕的螺牙；所述扩大径螺牙桩段是将部分螺牙桩段通过复挤密混凝土向四周延伸形成外缘外径大于螺牙桩段外缘外径的扩大径螺牙桩段；螺牙桩段和扩大径螺牙桩段设置在桩身部和/或桩顶部。本发明创造适用于填土、黏性土、粉土、砂土等土层、一次性成桩且具有高承载能力。

Description

一种带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩及成桩用钻头装置

技术领域

本发明创造属于建筑施工基础桩施工领域，具体的涉及一种带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩及成桩用钻头装置和成桩方法。

背景技术

在现有的建筑桩基础施工中，对于黏性土、粉土、砂土及填土的地质条件，大多采用先将桩周土利用水泥浆等加固，然后再进行刚性混凝土桩的施工，从而得到较高的承载能力。但也存在严重的不足：一是同一根桩需施工两次，施工成本高；二是向地下注水泥浆，污染地下水环境；三是原土层加固人为因素多，同时受不均匀地层的影响，导致加固结果差异性较大；四是成桩成本高；五是这类桩多以侧阻为主，桩底的土应力没得到充分的发挥。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明创造提出一种适用于填土、黏性土、粉土、砂土等土层、一次性成桩且高承载能力、带有扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩及成桩用钻头装置及基桩施工方法。

本发明创造采用的技术方案是：一种带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩，包括混凝土主体桩，所述混凝土主体桩由桩底部、桩身部和桩顶部组成；所述桩底部的形状是混凝土主体桩通过复挤密混凝土向四周延伸形成的扩大头结构；设有螺牙桩段和至少一段扩大径螺牙桩段，所述螺牙桩段是在混凝土主体桩外缘制有一体结构的向外突出的螺旋盘绕的螺牙；所述扩大径螺牙桩段是将部分螺牙桩段通过复挤密混凝土向四周延伸形成外缘外径大于螺牙桩段外缘外径的扩大径螺牙桩段；所述螺牙断面呈梯形结构；螺牙桩段设置在桩身部和/或桩顶部；扩大径螺牙桩段设置在桩身部和/或桩顶部。

进一步的，上述的一种带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩，设有柱体桩段，柱体桩段设置在桩身部和/或桩顶部。

进一步的，上述的一种带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩，设有扩大径柱体桩段，所述扩大径柱体桩段是将形成的柱体桩段通过复挤密混凝土向四周延伸形成的外缘外径大于柱体桩段外缘外径的扩大径柱体桩段，扩大径柱体桩段设置在桩身部和/或桩顶部。

一种带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩成桩用钻头装置，包括联节、螺旋叶片Ⅰ、芯管Ⅰ、芯管Ⅱ、螺旋叶片Ⅱ、切削齿和钻尖装置，所述钻尖装置包括双耳板座Ⅰ、双耳板座Ⅱ、轴Ⅰ、钻尖和门，双耳板座Ⅰ和双耳板座Ⅱ对称的固定在芯管Ⅱ的下端部，其内档呈一字排列，钻尖上端制成U型结构，通过轴Ⅰ将钻尖U型结构的一端与双耳板座Ⅱ固定在一起，钻尖U型结构的另一端与双耳板座Ⅰ活动配合，门固定在钻尖的中上部，门外缘与芯管Ⅱ的下端面外缘相吻合，钻尖与门一同绕轴Ⅰ旋转；芯管Ⅱ外表面缠绕螺旋叶片Ⅱ后的外缘构成锥台形，芯管Ⅱ的下端面与水平面之间呈夹角β，β＝0-30°；双耳板座Ⅱ的下端面上设有用于限制门旋开到最大角度α的限位接触点，所述角度α为门的上平面与水平面之间的夹角，α＝10-40°；设有旋转滑块机构，所述旋转滑块机构设置在钻头装置的内腔中，由铰接座、轴Ⅱ、油缸装置、轴Ⅲ、旋转滑块、轴Ⅳ和固定座组成，铰接座固定在芯管Ⅰ的内壁上，固定座固定在芯管Ⅰ的下端部，旋转滑块中部与固定座通过轴Ⅳ联成一体，旋转滑块绕轴Ⅳ旋转，旋转滑块设在螺旋叶片Ⅰ的下端部，并在螺旋叶片Ⅰ的螺旋线上，此处的螺旋叶片Ⅰ及芯管Ⅰ设有供旋转滑块旋转通过的缺口，旋转滑块另一端通过轴Ⅲ与油缸装置连接，油缸装置的另一端通过轴Ⅱ与铰接座铰接；旋转滑块的工作端为梯形结构。

进一步的，上述的一种带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩成桩用钻头装置，芯管Ⅱ外表面缠绕螺旋叶片Ⅱ后的外缘构成柱形，将固定座固定在芯管Ⅱ的下端，旋转滑块设在螺旋叶片Ⅱ下端部切削齿的上方，此处的螺旋叶片Ⅱ及芯管Ⅱ设有供旋转滑块旋转通过的缺口，旋转滑块与螺旋叶片Ⅱ在同一螺旋线上。

进一步的，上述的一种带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩成桩用钻头装置，所述油缸装置包括油缸、外套、滑杆、铰接件、螺母、弹簧座、推杆和预紧压缩弹簧；推杆的一端与油缸的活塞杆相连接，另一端与螺母固定，其中间贯穿预紧压缩弹簧和弹簧座，滑杆的一端与弹簧座外径相连接，另一端与铰接件固定，外套的一端与油缸的外径相连接，另一端的内径与滑杆的一端外径密封滑动配合，旋转滑块通过轴Ⅲ与油缸装置的铰接件连接，油缸装置通过油缸和轴Ⅱ与铰接座连接。

进一步的，上述的一种带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩成桩用钻头装置，预紧压缩弹簧的预紧力与油缸的最大推力值相等。

进一步的，上述的一种带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩成桩用钻头装置，β＝5-25°；α＝15-30°。

进一步的，上述的一种带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩成桩用钻头装置，联节、芯管Ⅰ和芯管Ⅱ依次同轴固定成一体结构，内部设有供混凝土通过的通道，联节和芯管Ⅰ的外表面缠绕螺旋叶片Ⅰ，芯管Ⅱ的外表面缠绕螺旋叶片Ⅱ，螺旋叶片Ⅱ的上端面与螺旋叶片Ⅰ的下端面对应相接，螺旋叶片Ⅱ的下端设有切削齿。

进一步的，上述的一种带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩成桩用钻头装置，有2条螺旋叶片Ⅱ，2条螺旋叶片Ⅱ对称安装在芯管Ⅱ外表面，其中一条螺旋叶片Ⅱ的上端面与螺旋叶片Ⅰ的下端面对应相接。

进一步的，上述的一种带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩成桩用钻头装置，所述芯管Ⅱ的外形为锥台形体、或上端为锥台形下端为柱形的形状。

进一步的，上述的一种带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩成桩用钻头装置，门旋开到最大位置时，芯管Ⅱ的下端面与门上平面之间呈δ角，δ＝35～50°。

一种带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩成桩方法，利用上述的钻头装置，包括如下步骤：

1)平整场地，按图纸放线，确定桩位，并标识；

2)利用钻头装置的联节通过钻杆与桩机动力头、旋转滑块机构控制系统及泵送混凝土装置组装好，对准桩位，启动桩机，带动旋转滑块处于完全收回状态的钻头作旋转挤土成柱形孔钻进，直至桩孔设计深度；

3)在保持提钻与压灌相匹配的过程中，实现各桩段的形成：

3.1)桩底部扩大头结构的形成：钻头装置中的旋转滑块处于完全收回状态，提钻并压灌混凝土，待钻头装置的最底端距桩底1.5～2m高时，停止提钻和压灌，重新向下释放旋转的钻头装置进行钻进，桩孔内的压力混凝土推动门向上旋转关闭出料口通道，同时钻头下部作挤压桩孔内混凝土的钻进，进行复挤密混凝土，通过复挤压的混凝土挤扩桩孔岩土壁，形成扩大的岩土孔径，桩孔内大部分混凝土存留在扩大部分的岩土孔内腔里，挤压钻进至桩底，原地旋转1分钟，充分搅拌桩底虚土与混凝土，充分挤密桩底部岩土孔壁，然后再提升钻具并泵压灌混凝土，注入的混凝土与桩孔内的原有混凝土融为一体，并将搅拌的虚土与混凝土的混合体覆压在桩底，提钻与灌注至距桩底1.5～2m高，完成桩底部扩大头结构的施工；

3.2)柱体桩段的形成：保持钻头装置中的旋转滑块处于完全收回状态，提升钻具并泵压灌混凝土，形成柱体桩段；

3.3)螺牙桩段的形成：在提升钻进方向旋转的钻头装置并泵压灌混凝土的过程中，通过旋转滑块机构控制系统使旋转滑块旋转伸出芯管和螺旋叶片，挤入桩孔壁岩土里，同时调整钻具转速，保证旋转滑块在桩孔壁岩土里形成的螺牙槽呈螺旋线上升，满足设计螺距的要求，基础桩孔内的压力混凝土立即填入螺牙槽里，并与混凝土主体桩孔一同灌注，形成与混凝土主体桩外缘一体结构的向外突出的螺旋盘绕的螺牙，形成螺牙桩段；

3.4)扩大径螺牙桩段的形成：提钻并灌注螺牙桩段至一定设计高度，停止提钻和灌注，启动旋转滑块机构控制系统，收回旋转滑块，再次向下释放钻进方向旋转的钻头装置，在螺牙桩孔内压力混凝土的作用下，门将出料口关闭，钻头下部作复挤压螺牙桩段内混凝土的钻进，通过复挤压的混凝土实现挤压相接触孔壁岩土，挤扩岩土孔径，被挤压的混凝土大部分存留在挤扩的孔内腔里，挤扩钻进至设计深度后，再提钻并压灌混凝土，灌入的混凝土与孔内存留的混凝土融为一体，提钻并压灌至设计高，形成扩大径螺牙桩段；

3.5)扩大径柱体桩段的形成：提钻并压灌柱体桩段至设计高，停止提钻和压灌，再次向下释放钻进方向旋转的钻头装置，基础桩孔内的压力混凝土推动门关闭出料口，钻头下部作复挤压柱体桩段内混凝土的钻进，通过复挤压的混凝土挤扩桩孔岩土壁，形成扩大径的岩土孔径，受挤压的混凝土大部分存留在扩大径的岩土内腔里，挤压钻进至设计深后，再提钻并压灌混凝土，灌入的混凝土与孔内存留的混凝土融为一体，提钻并压灌至设计高，形成扩大径柱体桩段。

4)将预制好的钢筋笼或构件置入已灌注好的桩孔内，满足设计标高。

本发明创造的有益效果是：

1.本发明创造带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩，在填土、黏性土、粉土、砂土等软土层里应用，充分利用土的可压缩性较大的特点，可根据桩周土的分布状况，合理的选择桩段，优化组合，来满足最大承载能力的要求，所成的桩抗拔能力极强。

2.本发明创造带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩，桩底虚土得到合理的处理，桩底设置扩大头，大大提高了桩的端阻值。

3.本发明创造带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩，桩身段设有螺牙桩段，螺牙的灌注与基桩的灌注一体完成，桩强度好；螺牙间的土没有扰动，合理地增大了螺牙段桩的桩身有效圆周面积，在相同承载力的情况下，与实芯的混凝土桩比较，节省了成桩材料。

4.本发明创造带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩，扩大径柱体桩段和螺牙桩段，都是通过复挤密桩孔内混凝土来实现，一是桩身混凝土得到了密实，二是增添了新的端阻，同时也加大了桩的侧阻。

5.本发明创造带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩，桩顶段可施工扩大径桩段，有利于复合地基的应用。

6.本发明创造带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩，桩身段螺牙的深浅及大小可根据工程地质条件和设计要求进行调节，同一根桩根据岩土可压缩性的大小能进行自动调节，杜绝了因地勘不准而造成的卡钻现象。

7.本发明创造带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩，施工无泥浆、无振动、无噪音，残土排放少。

8.本发明创造带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩，桩施工单机可完成，成桩质量可靠，操作简单，可控性强，施工效率高。

9.本发明创造带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩，设备投入低，可用现有设备升级改造，充分发挥和利用现有设备资源。

附图说明

图1是本发明创造芯管Ⅱ为锥台形体和短柱体组合型、螺旋叶片Ⅱ外缘呈柱形体的成桩用钻头装置结构示意图。

图2是本发明创造芯管Ⅱ为锥台形体、螺旋叶片Ⅱ外缘呈锥台形体的成桩用钻头装置结构示意图。

图3是本发明创造旋转滑块设在螺旋叶片Ⅰ下端的旋转滑块机构结构示意图。

图4是本发明创造旋转滑块设在螺旋叶片Ⅱ下端的旋转滑块机构结构示意图。

图5是钻尖装置结构示意图(出料口打开状态)。

图6是钻尖装置结构示意图(出料口关闭状态)。

图7是图6中A-A剖视图。

图8是油缸装置结构示意图。

图9是螺旋叶片Ⅰ结构示意图(不带缺口)。

图10是螺旋叶片Ⅰ结构示意图(带缺口)。

图11是螺旋叶片Ⅱ结构示意图(不带缺口)。

图12是螺旋叶片Ⅱ结构示意图(带缺口)。

图13是本发明创造第一种带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩结构示意图。

图14是本发明创造第二种带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩结构示意图。

图15是本发明创造第三种带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩结构示意图。

图16是本发明创造第四种带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩结构示意图。

图17是本发明创造第五种带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩结构示意图。

图18是本发明创造第六种带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩结构示意图。

图19是成桩时，复挤密桩底段钻进中钻具下移时钻头的门受力关闭示意图。

图20是成桩时，灌注中桩底端挤扩后钻具旋转上提并压灌示意图。

图21是成桩时，灌注中钻具旋转上提并压灌形成桩身螺牙示意图。

图22是成桩时，复挤密螺牙桩段钻进中形成扩大径螺牙桩段示意图。

图23是成桩时，灌注中钻具上提并压灌形成桩顶段螺牙示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1-图12所示，一种带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩成桩用钻头装置，包括联节(1)、螺旋叶片Ⅰ(2)、芯管Ⅰ(3)、芯管Ⅱ(4)、螺旋叶片Ⅱ(5)、切削齿(6)、钻尖装置(7)和旋转滑块机构(8)。

联节(1)、芯管Ⅰ(3)和芯管Ⅱ(4)依次同轴心地固定成一体结构，内部设有供混凝土通过的通道，联节(1)和芯管Ⅰ(3)的外表面缠绕螺旋叶片Ⅰ(2)，芯管Ⅱ(4)的外表面缠绕螺旋叶片Ⅱ(5)，螺旋叶片Ⅱ(5)的上端面与螺旋叶片Ⅰ(2)的下端面对应相接，螺旋叶片Ⅱ(5)的下端设有切削齿(6)。钻尖装置7设在芯管Ⅱ4的下端。

在一个实施例中，成桩用钻头装置为单导程结构，也就是如图1所示设置一个螺旋叶片Ⅱ(5)，螺旋叶片Ⅱ(5)上端面与螺旋叶片Ⅰ(2)的下端面对应相接，螺旋叶片Ⅱ(5)的下端设有切削齿(6)。

在一个实施例中，成桩用钻头装置为双导程结构，也就是如图2所示，设有2条螺旋叶片Ⅱ(5)，2条螺旋叶片Ⅱ(5)对称安装，其中一条螺旋叶片Ⅱ(5)的上端面与螺旋叶片Ⅰ(2)的下端面对应相接。

在一个实施例中，如图1所示，芯管Ⅱ(4)的外形为上端为锥台形下端为柱形的形状。

在一个实施例中，如图2所示，芯管Ⅱ(4)的外形为锥台形体。

在一个实施例中，如图2所示，螺旋叶片Ⅱ(5)缠绕芯管Ⅱ(4)后，螺旋叶片Ⅱ(5)整体外缘呈锥台形体。

在一个实施例中，如图1所示，螺旋叶片Ⅱ(5)缠绕芯管Ⅱ(4)后，螺旋叶片Ⅱ(5)整体外缘呈柱形体。

钻尖装置(7)包括双耳板座Ⅰ(7-1)、双耳板座Ⅱ(7-2)、轴Ⅰ(7-3)、钻尖(7-4)和门(7-5)。双耳板座Ⅰ(7-1)和双耳板座Ⅱ(7-2)对称的固定在芯管Ⅱ(4)的下端部，其内档呈一字排列，可供钻尖(7-4)滑动通过。钻尖(7-4)上端制成U型结构。双耳板座Ⅱ(7-2)和钻尖(7-4)上端U型结构的一侧分别制有可供轴Ⅰ(7-3)通过的孔，通过轴Ⅰ(7-3)将钻尖(7-4)U型结构的一端与双耳板座Ⅱ(7-2)固定在一起，钻尖(7-4)U型结构的另一端与双耳板座Ⅰ(7-1)活动配合，门(7-5)固定在钻尖(7-4)的中上部，门(7-5)外缘与芯管Ⅱ(4)的下端面外缘相吻合，钻尖(7-4)与门(7-5)一同绕轴Ⅰ(7-3)旋转。

芯管Ⅱ(4)的下端面与水平面之间呈夹角β，β＝0-30°。优选的，β＝5-25°。

通过轴Ⅰ(7-3)，门(7-5)向下旋转到极限位置时，设门(7-5)临近双耳板座Ⅱ(7-2)侧的边缘与双耳板座Ⅱ(7-2)底端相接触的点为限位接触点(D)，限位接触点(D)限制门(7-5)旋开到最大角度α，门(7-5)被限位接触点(D)限位，进而限制钻尖(7-4)继续向下旋转，所述α为门(7-5)的上平面与水平面之间的夹角，α＝10-40°。优选的，α＝15-30°。

钻尖(7-4)与门(7-5)一同绕轴Ⅰ(7-3)旋转：向上旋转的极限位置为门(7-5)的上平面与芯管Ⅱ(4)下端面相接处，封闭钻头内腔混凝土通道的出料口，同时钻尖(7-4)的上端U型结构的另一侧与双耳板座Ⅰ(7-1)的内档完全相配合；向下旋转的极限位置为门(7-5)临近双耳板座Ⅱ(7-2)侧的边缘与双耳板座Ⅱ(7-2)底端相接触的点设为限位接触点(D)，门(7-5)被限位接触点(D)限位，进而限制钻尖(7-4)继续向下旋转，此时门(7-5)将钻头出料口打开，门(7-5)上平面与水平面间呈α角。

在一个实施例中，更优选的，通过轴Ⅰ(7-3)，门(7-5)旋开到最大位置时，芯管Ⅱ(4)的下端面与门(7-5)上平面之间呈δ角，δ＝35～50°。

在一个实施例中，如图9所示，螺旋叶片Ⅰ2上不带缺口。

在一个实施例中，如图10所示，螺旋叶片Ⅰ2上带缺口Ⅰ2-1。

在一个实施例中，如图11示，螺旋叶片Ⅱ5不带缺口。

在一个实施例中，如图12所示，螺旋叶片Ⅱ5带缺口Ⅱ5-1。

旋转滑块机构(8)设置在钻头装置的内腔中，由铰接座(8-1)、轴Ⅱ(8-2)、油缸装置(8-3)、轴Ⅲ(8-4)、旋转滑块(8-5)、轴Ⅳ(8-6)和固定座(8-7)组成。

在一个实施例中，当螺旋叶片Ⅱ(5)缠绕芯管Ⅱ(4)后，螺旋叶片Ⅱ(5)整体外缘呈锥台形体时，旋转滑块机构(8)的安装方式是：如图3所示，旋转滑块设在螺旋叶片Ⅰ(2)下端。铰接座(8-1)固定在芯管Ⅰ(3)的内壁上，固定座(8-7)固定在芯管Ⅰ(3)的下端部，旋转滑块(8-5)中部与固定座(8-7)通过轴Ⅳ(8-6)联成一体，旋转滑块(8-5)绕轴Ⅳ(8-6)旋转，旋转滑块(8-5)设在螺旋叶片Ⅰ(2)的下端部，并在螺旋叶片Ⅰ(2)的螺旋线上，此处的螺旋叶片Ⅰ(2)及芯管Ⅰ(3)设有供旋转滑块(8-5)旋转通过的缺口，旋转滑块(8-5)另一端通过轴Ⅲ(8-4)与油缸装置(8-3)连接，油缸装置(8-3)的另一端通过轴Ⅱ(8-2)与铰接座(8-1)铰接；旋转滑块(8-5)的工作端(8-5-1)为梯形结构。

在一个实施例中，当螺旋叶片Ⅱ(5)缠绕芯管Ⅱ(4)后，螺旋叶片Ⅱ(5)整体外缘呈柱形体时，旋转滑块机构(8)的安装方式是：如图4所示，旋转滑块设在螺旋叶片Ⅱ(5)下端。铰接座(8-1)固定在芯管Ⅰ(3)的内壁上，固定座(8-7)固定在芯管Ⅱ(4)的下端，旋转滑块(8-5)中部与固定座(8-7)通过轴Ⅳ(8-6)联成一体，旋转滑块(8-5)绕轴Ⅳ(8-6)旋转，旋转滑块(8-5)设在螺旋叶片Ⅱ(5)下端部切削齿(6)的上方，旋转滑块(8-5)与螺旋叶片Ⅱ(5)在同一螺旋线上，此处的螺旋叶片Ⅱ(5)及芯管Ⅱ(4)设有供旋转滑块(8-5)旋转通过的缺口，旋转滑块(8-5)另一端通过轴Ⅲ(8-4)与油缸装置(8-3)连接，油缸装置(8-3)的另一端通过轴Ⅱ(8-2)与铰接座(8-1)铰接；旋转滑块(8-5)的工作端(8-5-1)为梯形结构。

油缸装置(8-3)包括油缸(8-3-1)、外套(8-3-2)、滑杆(8-3-3)、铰接件(8-3-4)、螺母(8-3-5)、弹簧座(8-3-6)、推杆(8-3-7)和预紧压缩弹簧(8-3-8)；推杆(8-3-7)的一端与油缸(8-3-1)的活塞杆相连接，另一端与螺母(8-3-5)固定，其中间贯穿预紧压缩弹簧(8-3-8)和弹簧座(8-3-6)，滑杆(8-3-3)的一端与弹簧座(8-3-6)外径相连接，另一端与铰接件(8-3-4)固定，外套(8-3-2)的一端与油缸(8-3-1)的外径相连接，另一端的内径与滑杆(8-3-3)的一端外径密封滑动配合，旋转滑块(8-5)通过轴Ⅲ(8-4)与油缸装置(8-3)的铰接件(8-3-4)连接，油缸装置(8-3)通过油缸(8-3-1)和轴Ⅱ(8-2)与铰接座(8-1)连接。

优选的，预紧压缩弹簧(8-3-8)的预紧力与油缸(8-3-1)的最大推力值相等。

本发明创造旋转滑块机构工作原理：油缸(8-3-1)无杆腔进压力油，活塞杆伸出带动推杆(8-3-7)、预紧压缩弹簧(8-3-8)、弹簧座(8-3-6)、滑杆(8-3-3)及铰接件(8-3-4)伸出，从而推动旋转滑块(8-5)里端绕轴Ⅳ(8-6)向下旋转，致使旋转滑块(8-5)的外端绕轴Ⅳ(8-6)向上旋转；油缸(8-3-1)有杆腔进压力油，活塞杆收回，通过推杆(8-3-7)、弹簧座(8-3-6)、滑杆(8-3-3)、铰接件(8-3-4)拉动旋转滑块(8-5)里端绕轴Ⅳ(8-6)向上旋转，带动旋转滑块(8-5)的外端绕轴Ⅳ(8-6)向下旋转，旋转滑块(8-5)收回。伸出后的旋转滑块(8-5)在挤压桩孔壁岩土成沟槽时，由于岩土可压缩性大小的不同，对旋转滑块(8-5)的反作用力也不同，可压缩性越小的岩土对旋转滑块(8-5)的反作用力越大，大的反作用力推动旋转滑块(8-5)的外端绕轴Ⅳ(8-6)向下旋转，带动旋转滑块(8-5)的里端向上旋转，通过铰接件(8-3-4)、滑杆(8-3-3)、弹簧座(8-3-6)施力给预紧压缩弹簧(8-3-8)，压缩预紧压缩弹簧(8-3-8)，推杆(8-3-7)与螺母(8-3-5)的固定端进入滑杆(8-3-3)的B腔里，满足移动滑块(8-5)通过可压缩性小的桩孔壁岩土层时挤压成小的沟槽或不形成沟槽；当通过这段可压缩小的岩土层后，随着岩土可压缩性的增大，被压缩的预紧压缩弹簧(8-3-8)释放能量，推动弹簧座(8-3-6)移动，通过滑杆(8-3-3)及铰接件(8-3-4)推动旋转滑块(8-5)的里端绕轴Ⅳ(8-6)向下旋转，带动旋转滑块(8-5)的外端向上转，从而实现旋转滑块(8-5)向外旋转伸出，形成大的沟槽。

本发明创造钻头装置出料口在桩孔内混凝土中的关闭原理：在提钻并压灌混凝土时，钻头中的门(7-5)张开并与水平面成α角，打开混凝土出料口通道，保证混凝土的灌注流速，通过把钻头芯管Ⅱ(4)的下端面设置成向上倾斜的β角，增大钻头出料口的截面积，来达到合理减小α角值，通常取α＝15～30°。在钻具下移挤压桩孔内混凝土时，桩孔内的压力混凝土对门(7-5)产生向上的作用力，门(7-5)受力的有效作用面积因α角变小而增大，从而降低了钻尖(7-4)及门(7-5)随钻具下降的速度，直至停止下移，钻具继续下移，桩孔内的压力混凝土迫使钻尖(7-4)带动门(7-5)绕销轴Ⅰ(7-3)向上旋转关闭出料口，隔断桩孔内混凝土与钻具内腔混凝土的通道，限制了桩孔内混凝土向钻具内腔的流入，提高了桩孔内复挤密混凝土的有效利用率。

实施例2

(一)带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩的结构

如图13-图18所示，一种带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩，包括混凝土主体桩(10)，所述混凝土主体桩(10)由桩底部(11)、桩身部(12)和桩顶部(13)组成。

所述桩底部(11)的形状是混凝土主体桩(10)通过复挤密混凝土向四周延伸形成的扩大头结构(14)。

设有螺牙桩段(15)，所述螺牙桩段(15)是在混凝土主体桩(10)外缘制有一体结构的向外突出的螺旋盘绕的螺牙(17)；所述螺牙(17)断面呈梯形结构；螺牙桩段(15)设置在桩身部(12)和/或桩顶部(13)。

设有至少一段扩大径螺牙桩段(16)，所述扩大径螺牙桩段(16)是将部分螺牙桩段(15)通过复挤密混凝土向四周延伸形成外缘外径大于螺牙桩段(15)外缘外径的扩大径螺牙桩段(16)；扩大径螺牙桩段(16)设置在桩身部(12)和/或桩顶部(13)。

设有柱体桩段(18)，柱体桩段(18)设置在桩身部(12)和/或桩顶部(13)。

设有扩大径柱体桩段(19)，所述扩大径柱体桩段(19)是将形成的柱体桩段通过复挤密混凝土向四周延伸形成的外缘外径大于柱体桩段外缘外径的扩大径柱体桩段(19)。扩大径柱体桩段(19)设置在桩身部(12)和/或桩顶部(13)。

可以根据地质情况，螺牙伸入孔壁的深度可深或可浅，进而形成深螺牙桩段或浅螺牙桩段或深螺牙桩段和浅螺牙桩段的混合体。

柱体桩段的外缘外径为D1，大小等于基桩成孔用钻具的外径，深螺牙桩段外缘外径为D2，D2＝(1.2～1.8)D1，浅螺牙桩段外缘外径为D6，D2＞D6＞D1，扩大径螺牙桩段外缘外径为D3，D3＞D2，桩底扩大头外缘外径为D4，D3＞D4＞D1，扩大径柱体桩段外缘外径为D5，D3＞D5＞D1。螺牙桩段的螺距T，T＝(1.15～1.8)D1，螺牙竖向截面呈近似梯形结构，上底宽M＝50～100mm，下底宽N＝100～180mm。

在一个实施例中，如图13是本发明创造第一种带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩结构示意图。其结构为：桩底部(11)是：将混凝土主体桩(10)通过复挤密混凝土向四周延伸形成的扩大头结构(14)。桩身部(12)是：由桩底部向上依次为柱体桩段(18)、螺牙桩段(15)、扩大径螺牙桩段(16)和螺牙桩段(15)。桩顶部(13)是：螺牙桩段(15)。

在一个实施例中，如图14是本发明创造第二种带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩结构示意图。其结构为：桩底部(11)是：将混凝土主体桩(10)通过复挤密混凝土向四周延伸形成的扩大头结构(14)。桩身部(12)是：由桩底段向上依次为柱体桩段(18)、螺牙桩段(15)、扩大径螺牙桩段(16)和螺牙桩段(15)。桩顶部(13)是：柱体桩段(18)。

在一个实施例中，如图15是本发明创造第三种带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩结构示意图。其结构为：桩底部(11)是：将混凝土主体桩(10)通过复挤密混凝土向四周延伸形成的扩大头结构(14)。桩身部(12)是：由桩底段向上依次为柱体桩段(18)、螺牙桩段(15)、扩大径螺牙桩段(16)和螺牙桩段(15)。桩顶部(13)是：扩大径柱体桩段(19)。

在一个实施例中，如图16是本发明创造第四种带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩结构示意图。其结构为：桩底部(11)是：将混凝土主体桩(10)通过复挤密混凝土向四周延伸形成的扩大头结构(14)。桩身部(12)是：由螺牙桩段(15)组成。桩顶部(13)是：扩大径螺牙桩段(16)。

在一个实施例中，如图17是本发明创造第五种带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩结构示意图。其结构为：桩底部(11)是：将混凝土主体桩(10)通过复挤密混凝土向四周延伸形成的扩大头结构(14)。桩身部(12)是：由桩底段向上依次为螺牙桩段(15)、柱体桩段(18)、螺牙桩段(15)。桩顶部(13)是：扩大径螺牙桩段(16)。

在一个实施例中，如图18是本发明创造第六种带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩结构示意图。其结构为：桩底部(11)是：将混凝土主体桩(10)通过复挤密混凝土向四周延伸形成的扩大头结构(14)。桩身部(12)是：由桩底段向上依次为螺牙桩段(15)、扩大径螺牙桩段(16)、螺牙桩段(15)。桩顶部(13)是：扩大径螺牙桩段(16)。

(二)施工方法

利用实施例1的钻头装置，如图19-23所示，包括如下步骤：

1)平整场地，按图纸放线，确定桩位，并标识；

2)利用钻头装置的联节(1)通过钻杆与桩机动力头、旋转滑块机构控制系统及泵送混凝土装置组装好，对准桩位，启动桩机，带动旋转滑块(8-5)处于完全收回状态的钻头作旋转挤土成柱形孔钻进，直至桩孔设计深度；

3)在保持提钻与压灌相匹配的过程中，实现各桩段的形成：

3.1)桩底段扩大头结构的形成：钻头装置中的旋转滑块(8-5)处于完全收回状态，提钻并压灌混凝土，待钻头装置的最底端距桩底1.5～2m高时，停止提钻和压灌，重新向下释放旋转的钻头装置进行钻进，桩孔内的压力混凝土推动门(7-5)向上旋转关闭出料口通道，同时钻头下部作挤压桩孔内混凝土的钻进，进行复挤密混凝土，通过复挤压混凝土挤扩桩孔岩土壁，形成扩大的岩土孔径，桩孔内大部分混凝土存留在扩大部分的岩土孔内腔里，挤压钻进至桩底，原地旋转1分钟，充分搅拌桩底虚土与混凝土，充分挤密桩底部岩土孔壁，然后再提升钻具并泵压灌混凝土，注入的混凝土与桩孔内的原有混凝土融为一体，并将搅拌的虚土与混凝土的混合体覆压在桩底，提钻与灌注至距桩底1.5～2m高，完成桩底段扩大头结构的施工；

3.2)柱体桩段的形成：保持钻头装置中的旋转滑块(8-5)处于完全收回状态，提升钻具并泵压灌混凝土，形成柱体桩段；

3.3)螺牙桩段的形成：在提升钻进方向旋转的钻头装置并泵压灌混凝土的过程中，通过旋转滑块机构(8)控制系统使旋转滑块(8-5)旋转伸出芯管和螺旋叶片，挤入桩孔壁岩土里，同时调整钻具转速，保证旋转滑块(8-5)在桩孔壁岩土里形成的螺牙槽呈螺旋线上升，满足设计螺距的要求，基础桩孔内的压力混凝土立即填入螺牙槽里，并与混凝土主体桩孔一同灌注，形成与混凝土主体桩外缘一体结构的向外突出的螺旋盘绕的螺牙(17)，形成螺牙桩段(15)；

3.4)扩大径螺牙桩段的形成：提钻并灌注螺牙桩段至一定设计高度，停止提钻和灌注，启动旋转滑块机构(8)控制系统，收回旋转滑块(8-5)，再次向下释放钻进方向旋转的钻头装置，在螺牙桩孔内压力混凝土的作用下，门(7-5)将出料口关闭，钻头下部作复挤压螺牙桩段内混凝土的钻进，通过复挤压混凝土实现挤压相接触孔壁岩土，挤扩岩土孔径，被挤压的混凝土大部分存留在挤扩的孔内腔里，挤扩钻进至设计深度后，再提钻并压灌混凝土，灌入的混凝土与孔内存留的混凝土融为一体，提钻并压灌至设计高，形成扩大径螺牙桩段；

3.5)扩大径柱体桩段的形成：提钻并压灌柱体桩段至设计高，停止提钻和压灌，再次向下释放钻进方向旋转的钻头装置，基础桩孔内的压力混凝土推动门(7-5)关闭出料口，钻头下部作复挤压柱体桩段内混凝土的钻进，通过复挤压的混凝土挤扩桩孔岩土壁，形成扩大径的岩土孔径，受挤压的混凝土大部分存留在扩大径的岩土内腔里，挤压钻进至设计深后，再提钻并压灌混凝土，灌入的混凝土与孔内存留的混凝土融为一体，提钻并压灌至设计高，形成扩大径柱体桩段。

本发明创造钻头挤压桩孔内混凝土的原理：钻头下部的芯管Ⅱ(4)的外表面设有锥形结构，对桩孔内混凝土有径向下的挤压力，还有外缘设有挤土缺口(5-1)的螺旋叶片Ⅱ(5)、端截面呈梯形的螺旋叶片Ⅱ(5)及门(7-5)的下平面等对桩孔内的混凝土都有径向下的挤压力。

4)将预制好的钢筋笼或构件置入已灌注好的桩孔内，满足设计标高。

基桩(直径为D1)外螺牙的形成原理：提升钻进方向旋转的钻具并泵压灌混凝土的过程中，启动旋转滑块机构控制系统，使旋转滑块旋转伸出，并挤压进入桩孔壁岩土里，在桩孔侧壁岩土里形成螺旋向上的梯状沟槽，因在螺旋叶片Ⅱ外缘呈锥台形体的钻头中，旋转滑块设置在螺旋叶片Ⅰ的下端处，也就是钻头底部最大外缘直径处；或在螺旋叶片Ⅱ外缘呈柱形体的钻头中，旋转滑块设置在螺旋叶片Ⅱ的下端部切削齿的上方，也就是钻头最大外缘直径的底端处，都在灌注时桩孔内压力混凝土的界面里，致使旋转滑块所形成的沟槽立即被桩孔内压力混凝土填入，并与基桩孔的灌注同步进行，保证了螺牙与基桩间的强度。旋转滑块在形成螺旋线上升的沟槽时，会有少量的岩土被挤压下来，形成的残土在下方压力混凝土的作用下，会沿着旋转钻头的螺旋叶片的上表面由下而上传送走，保证了成桩的质量。同时旋转滑块通过液压控制系统旋转伸出后，油缸的腔已被锁死，在挤压桩孔壁岩土成沟槽时，利用预紧压缩弹簧的储能，根据岩土的可压缩性的大小能在一定范围内自动调整桩孔壁沟槽的大小和深浅，从而实现可压缩性大的岩土层里形成大的、深的螺牙桩段，可压缩性小的岩土层里形成小的、浅的螺牙桩段，避免卡钻现象发生。

桩底端虚土的处理：采取先将混凝土灌入桩孔底部，用混凝土将虚土全覆盖，再用螺旋钻头作挤压桩孔内混凝土的钻进，直至孔底。桩孔内的混凝土一部分被挤压进桩孔底的虚土里，通过钻尖旋转钻进搅拌，形成混凝土与虚土的混合体，同时桩孔底岩土得到了进一步的挤压密实，通过再次提钻并压灌混凝土，这个混合体被挤压到桩底端，与混凝土合为一体，改变了桩底虚土的性质,提高了桩底端的承载能力。

Claims (12)

1.一种带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩，包括混凝土主体桩(10)，所述混凝土主体桩(10)由桩底部(11)、桩身部(12)和桩顶部(13)组成；其特征在于，所述桩底部(11)的形状是混凝土主体桩(10)通过复挤密混凝土向四周延伸形成的扩大头结构(14)；设有螺牙桩段(15)和至少一段扩大径螺牙桩段(16)，所述螺牙桩段(15)是在混凝土主体桩(10)外缘制有一体结构的向外突出的螺旋盘绕的螺牙(17)；所述扩大径螺牙桩段(16)是将部分螺牙桩段(15)通过复挤密混凝土向四周延伸形成外缘外径大于螺牙桩段(15)外缘外径的扩大径螺牙桩段(16)；所述螺牙(17)断面呈梯形结构；螺牙桩段(15)设置在桩身部(12)和/或桩顶部(13)；扩大径螺牙桩段(16)设置在桩身部(12)和/或桩顶部(13)。

2.根据权利要求1所述的一种带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩，其特征在于：设有柱体桩段(18)，柱体桩段(18)设置在桩身部(12)和/或桩顶部(13)。

3.根据权利要求1所述的一种带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩，其特征在于：设有扩大径柱体桩段(19)，所述扩大径柱体桩段(19)是将形成的柱体桩段通过复挤密混凝土向四周延伸形成的外缘外径大于柱体桩段外缘外径的扩大径柱体桩段(19)，扩大径柱体桩段(19)设置在桩身部(12)和/或桩顶部(13)。

4.一种带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩成桩用钻头装置，包括联节(1)、螺旋叶片Ⅰ(2)、芯管Ⅰ(3)、芯管Ⅱ(4)、螺旋叶片Ⅱ(5)、切削齿(6)和钻尖装置(7)，所述钻尖装置(7)包括双耳板座Ⅰ(7-1)、双耳板座Ⅱ(7-2)、轴Ⅰ(7-3)、钻尖(7-4)和门(7-5)，双耳板座Ⅰ(7-1)和双耳板座Ⅱ(7-2)对称的固定在芯管Ⅱ(4)的下端部，其内档呈一字排列，钻尖(7-4)上端制成U型结构，通过轴Ⅰ(7-3)将钻尖(7-4)U型结构的一端与双耳板座Ⅱ(7-2)固定在一起，钻尖(7-4)U型结构的另一端与双耳板座Ⅰ(7-1)活动配合，门(7-5)固定在钻尖(7-4)的中上部，门(7-5)外缘与芯管Ⅱ(4)的下端面外缘相吻合，钻尖(7-4)与门(7-5)一同绕轴Ⅰ(7-3)旋转；其特征在于，芯管Ⅱ(4)外表面缠绕螺旋叶片Ⅱ(5)后的外缘构成锥台形，芯管Ⅱ(4)的下端面与水平面之间呈夹角β，β＝0-30°；双耳板座Ⅱ(7-2)的下端面上设有用于限制门(7-5)旋开到最大角度α的限位接触点(D)，所述角度α为门(7-5)的上平面与水平面之间的夹角，α＝10-40°；设有旋转滑块机构(8)，所述旋转滑块机构(8)设置在钻头装置的内腔中，由铰接座(8-1)、轴Ⅱ(8-2)、油缸装置(8-3)、轴Ⅲ(8-4)、旋转滑块(8-5)、轴Ⅳ(8-6)和固定座(8-7)组成，铰接座(8-1)固定在芯管Ⅰ(3)的内壁上，固定座(8-7)固定在芯管Ⅰ(3)的下端部，旋转滑块(8-5)中部与固定座(8-7)通过轴Ⅳ(8-6)联成一体，旋转滑块(8-5)绕轴Ⅳ(8-6)旋转，旋转滑块(8-5)设在螺旋叶片Ⅰ(2)的下端部，并在螺旋叶片Ⅰ(2)的螺旋线上，此处的螺旋叶片Ⅰ(2)及芯管Ⅰ(3)设有供旋转滑块(8-5)旋转通过的缺口，旋转滑块(8-5)另一端通过轴Ⅲ(8-4)与油缸装置(8-3)连接，油缸装置(8-3)的另一端通过轴Ⅱ(8-2)与铰接座(8-1)铰接；旋转滑块(8-5)的工作端(8-5-1)为梯形结构。

5.根据权利要求4所述的一种带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩成桩用钻头装置，其特征在于，芯管Ⅱ(4)外表面缠绕螺旋叶片Ⅱ(5)后的外缘构成柱形，将固定座(8-7)固定在芯管Ⅱ(4)的下端，旋转滑块(8-5)设在螺旋叶片Ⅱ(5)下端部切削齿(6)的上方，此处的螺旋叶片Ⅱ(5)及芯管Ⅱ(4)设有供旋转滑块(8-5)旋转通过的缺口，旋转滑块(8-5)与螺旋叶片Ⅱ(5)在同一螺旋线上。

6.根据权利要求4或5所述的一种带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩成桩用钻头装置，其特征在于，所述油缸装置(8-3)包括油缸(8-3-1)、外套(8-3-2)、滑杆(8-3-3)、铰接件(8-3-4)、螺母(8-3-5)、弹簧座(8-3-6)、推杆(8-3-7)和预紧压缩弹簧(8-3-8)；推杆(8-3-7)的一端与油缸(8-3-1)的活塞杆相连接，另一端与螺母(8-3-5)固定，其中间贯穿预紧压缩弹簧(8-3-8)和弹簧座(8-3-6)，滑杆(8-3-3)的一端与弹簧座(8-3-6)外径相连接，另一端与铰接件(8-3-4)固定，外套(8-3-2)的一端与油缸(8-3-1)的外径相连接，另一端的内径与滑杆(8-3-3)的一端外径密封滑动配合，旋转滑块(8-5)通过轴Ⅲ(8-4)与油缸装置(8-3)的铰接件(8-3-4)连接，油缸装置(8-3)通过油缸(8-3-1)和轴Ⅱ(8-2)与铰接座(8-1)连接。

7.根据权利要求6所述的一种带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩成桩用钻头装置，其特征在于，预紧压缩弹簧(8-3-8)的预紧力与油缸(8-3-1)的最大推力值相等。

8.根据权利要求4所述的一种带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩成桩用钻头装置，其特征在于，β＝5-25°；α＝15-30°。

9.根据权利要求4所述的一种带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩成桩用钻头装置，其特征在于，联节(1)、芯管Ⅰ(3)和芯管Ⅱ(4)依次同轴固定成一体结构，内部设有供混凝土通过的通道，联节(1)和芯管Ⅰ(3)的外表面缠绕螺旋叶片Ⅰ(2)，芯管Ⅱ(4)的外表面缠绕螺旋叶片Ⅱ(5)，螺旋叶片Ⅱ(5)的上端面与螺旋叶片Ⅰ(2)的下端面对应相接，螺旋叶片Ⅱ(5)的下端设有切削齿(6)。

10.根据权利要求9所述的一种带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩成桩用钻头装置，其特征在于，设有2条螺旋叶片Ⅱ(5)，2条螺旋叶片Ⅱ(5)对称安装在芯管Ⅱ(4)外表面，其中一条螺旋叶片Ⅱ(5)的上端面与螺旋叶片Ⅰ(2)的下端面对应相接。

11.根据权利要求4所述的一种带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩成桩用钻头装置，其特征在于，所述芯管Ⅱ(4)的外形为锥台形体、或上端为锥台形下端为柱形的形状。

12.根据权利要求4所述的一种带扩大径螺牙桩段的混凝土灌注桩成桩用钻头装置，其特征在于，门(7-5)旋开到最大位置时，芯管Ⅱ(4)的下端面与门(7-5)上平面之间呈δ角，δ＝35～50°。

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