一种长螺旋钻孔薄壁管桩复合桩基施工装置及其施工方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种长螺旋钻孔薄壁管桩复合桩基施工装置及其施工方法，属于地基基础领域。本发明专利技术利用薄壁预制管桩取代套管，作为护壁结构，利用螺旋钻杆和钻头的中心注浆孔，在管桩周围喷射水泥浆，在桩侧形成强度较高的水泥土，并在桩底形成水泥土塞，最终形成水泥土‑管桩共同承担荷载的复合桩基。此外在传统钻头的基础上设计了一种弹簧铰接结构，能够实现钻头伸缩，方便该种新型复合桩基的顺利施工。本发明专利技术较传统的压入式或打入式预制管桩施工有较高的施工效率，减少噪音污染，避免施工造成管桩断裂等不良影响；桩侧周围的水泥土和桩底的水泥土塞能够大大提高桩基承载力，而且能够节约水泥用量，是一种一种特别适用于软土地基的复合基础。

【技术实现步骤摘要】
一种长螺旋钻孔薄壁管桩复合桩基施工装置及其施工方法
本专利技术属于地基基础与施工领域，具体涉及一种长螺旋钻孔薄壁管桩复合桩基施工装置及其施工方法。
技术介绍
全套管长螺旋钻孔灌注桩是一种采用长螺旋钻机钻孔和套管护壁，并利用钻头底孔压灌混凝土成桩的混凝土灌注桩。该种桩型一般包括两个动力头，分别为钻杆和套管提供钻进动力。套管一般为钢管，在混凝土桩浇筑完成后可抽离地面回收。由于该种桩型无需泥浆护壁，可直接利用长螺旋叶片将土体导向地面，施工速度快，穿透能力强，无噪音和振动，成孔灌注成桩一体化完成，适用于各种地层，具有很好的应用前景，但目前长螺旋钻孔方法仅用于灌注桩施工，在管桩或其他桩型中的使用较少。另一方面，预应力薄壁管桩(PTC)具有桩身强度大，单桩承载力高，抗裂性能好，穿透力强等优点，近年来也广泛应用于建筑基础处理、高速公路地基处理等工程中。该种桩型一般采用静压法或锤击法施工，将其压入或打入地基中。然而，这两种施工方法均对环境和桩体本身产生一定的不利影响，如噪音污染、压入时产生桩身断裂，挤土效应等，而且在地层较硬时不易打入。为解决预应力薄壁管桩(PTC)的打入问题，也有学者提出一种静钻根植桩施工方法，即利用水泥搅拌桩机预先将地基搅拌形成松软的水泥土，在水泥土凝固前插入带竹节等特殊结构的异形桩，形成水泥土、异形桩和管桩共同承担荷载的复合桩基。这种桩型承载力高于普通管桩，使用效果较好，但造价较高，需要在地基中使用大量水泥。
技术实现思路
为了解决预应力管桩的钻入问题，同时获得承载力更高的桩基础，本专利技术提供了一种长螺旋钻孔薄壁管桩复合桩基施工装置及其施工方法。本专利技术在已有全套管长螺旋钻孔灌注桩施工方法的基础上进行改进，将薄壁管桩代替钢套管，采用螺旋钻入的方式将薄壁管桩打入地基土中；然后利用钻杆中孔进行灌浆，在管桩侧壁形成一圈强度较高的水泥土，在桩底形成水泥土土塞和扩大头，实现薄壁管桩和螺旋钻孔的优势结合，形成一种新型的长螺旋钻孔薄壁管桩复合桩基。该种桩型较普通圆管桩有较大的承载力，而且施工速度快，无环境噪音影响，水泥用量小，具有较好的应用前景。本专利技术具体采用的技术方案如下：一种长螺旋钻孔薄壁管桩复合桩基施工装置，其包括钻杆动力头、螺旋钻杆、可伸缩钻头、管桩动力头和薄壁管桩；所述钻杆动力头安装于螺旋钻杆上，用于向螺旋钻杆施加钻入地基的动力；所述可伸缩钻头安装于螺旋钻杆的底部，且可伸缩钻头的等效钻头半径可调，使其能在收缩和展开状态间切换；所述管桩动力头安装于薄壁管桩上，用于对薄壁管桩施加沉入地基的动力；螺旋钻杆中的中心注浆通道与可伸缩钻头中的桩侧和桩底注浆孔连通；在可伸缩钻头处于收缩状态下，其钻头尺寸小于所述薄壁管桩的内径，使可伸缩钻头能够整体伸入薄壁管桩中；在可伸缩钻头处于展开状态下，其钻头尺寸大于所述薄壁管桩的内径，使薄壁管桩能够整体架于可伸缩钻头的顶面上并对其施加下压力，且薄壁管桩的底部管口与可伸缩钻头的顶面之间留有供土体进入薄壁管桩的通道。作为优选，所述的可伸缩钻头包括钻头主体部分和若干活动翼，所述活动翼均通过弹簧铰链铰接固定于钻头主体部分上，通过绕铰接轴转动；每片所述活动翼在其旋转角度范围内由下极限位置旋转至上极限位置过程中，可伸缩钻头的等效钻头半径逐渐增大从而由收缩状态转变至展开状态；所述活动翼位于上极限位置时，所有活动翼的顶面处于同一平面上，共同构成用于支顶薄壁管桩的支撑面；所述钻头主体部分中设有竖向贯通的桩底注浆孔和横向布置的第一桩侧注浆孔段，第一桩侧注浆孔段从桩底注浆孔贯穿至钻头主体部分的侧壁外部，每片活动翼中也布置有横向贯通的第二桩侧注浆孔段；所述活动翼位于上极限位置时，所述第一桩侧注浆孔段和第二桩侧注浆孔段对接贯通，形成整个可伸缩钻头的桩侧注浆孔；所述的可伸缩钻头的侧面和底面均布置有钻齿。进一步的，所述的钻头主体部分的横截面尺寸小于薄壁管桩的内腔横截面尺寸。进一步的，所述活动翼共4个，等角度均匀布置于钻头主体部分的周向。进一步的，所述活动翼在非工作的自然状态下处于收缩状态。进一步的，所述活动翼位于上极限位置时，活动翼上的钻齿相对于其侧壁向外突出。作为优选，所述的螺旋钻杆和薄壁管桩上均设有外部支撑，通过外部支撑架设于地基上。本专利技术的另一目的在于提供一种利用上述任一方案所述施工装置的复合桩基施工方法，其步骤如下：步骤1：确定钻孔位置后，保持可伸缩钻头处于收缩状态，然后将可伸缩钻头通过处于垂直状态的薄壁管桩中心孔并在地基中钻进；钻进过程中，利用管桩动力头控制薄壁管桩的位置，使薄壁管桩的桩底截面与可伸缩钻头中活动翼顶部的支撑面接触，在保持土体可进入薄壁管桩的同时利用薄壁管桩对可伸缩钻头施加辅助下压力，最终将薄壁管桩完全压入地基中；步骤2：在薄壁管桩完全进入地基后，通过螺旋钻杆的中心灌浆通道和可伸缩钻头内部的桩底注浆孔和桩侧注浆孔，向薄壁管桩桩侧压灌水泥浆强化材料，最终在桩侧形成水泥土强化区；步骤3：在桩侧水泥注浆完成后，在钻杆动力头作用下上拔螺旋钻杆，利用管桩动力头使薄壁管桩保持不动，在钻头上拔时薄壁管桩底端对活动翼施加向下旋转的转矩，使可伸缩钻头处于收缩状态，并通过薄壁管桩中心孔拔出；上拔过程中利用可伸缩钻头的桩底注浆孔同步压灌水泥浆强化材料，在薄壁管桩的桩端处形成水泥土塞，以提高桩端承载力；薄壁管桩中的部分土体被螺旋钻杆和可伸缩钻头在上拔过程中带出，以减轻管桩自重；步骤4：将螺旋钻杆完全拔出薄壁管桩后，养护至桩侧水泥和桩端水泥凝固，再拆除管桩动力头，完成地基中水泥土-管桩共同承载的复合桩基的施工。作为优选，所述可伸缩钻头在处于展开状态下钻进过程中，其钻孔半径大于所述薄壁管桩的外径，使得桩侧周围的土在钻进后松动，有利于薄壁管桩压入地基土中，同时压灌的水泥浆强化材料也能够渗入桩侧土中，最终在桩侧形成水泥土强化区。作为优选，所述可伸缩钻头内部设有旋转驱动机构，钻进过程中通过控制所述活动翼旋转，来控制可伸缩钻头的伸缩状态。本专利技术结合全套管长螺旋钻孔灌注桩钻孔和压灌混凝土的施工工艺，采用薄壁管桩代替钢套管，将薄壁管桩螺旋钻入地基中，并在桩侧和桩端分别形成一圈强度较高的水泥土层和水泥土塞，最终在地基中形成以水泥土-薄壁管桩共同承担荷载的复合桩基。基于本专利技术提出的新型复合桩基型式及其施工方法和装置，可大大提高预制薄壁管桩的桩侧摩阻力和端阻力，提高桩基承载力；减小水泥用量，降低施工成本；施工高效，环境污染小，能够快速贯入地基中，是预制管桩施工的一种新方法，具有很好的工程应用前景。附图说明图1为长螺旋钻孔薄壁管桩复合桩基施工装置的结构示意图；图2为可伸缩钻头处于收缩(a)和展开(b)状态的示意图；图3为可伸缩钻头处于上拔受力状态的示意图；图4为长螺旋钻孔薄壁管桩复合桩基施工过程示意图；图中附图标记为：钻杆动力头1、螺旋钻杆2、可伸缩钻头3、管桩动力头4、薄壁管桩5、钻头3上的构造包括弹簧铰链6、活动翼7、钻齿8、桩侧注浆孔9、桩底注浆孔10、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种长螺旋钻孔薄壁管桩复合桩基施工装置，其特征在于，包括钻杆动力头(1)、螺旋钻杆(2)、可伸缩钻头(3)、管桩动力头(4)和薄壁管桩(5)；/n所述钻杆动力头(1)安装于螺旋钻杆(2)上，用于向螺旋钻杆(2)施加钻入地基的动力；所述可伸缩钻头(3)安装于螺旋钻杆(2)的底部，且可伸缩钻头(3)的等效钻头半径可调，使其能在收缩和展开状态间切换；所述管桩动力头(4)安装于薄壁管桩(5)上，用于对薄壁管桩(5)施加沉入地基的动力；螺旋钻杆(2)中的中心注浆通道与可伸缩钻头(3)中的桩侧和桩底注浆孔连通；/n在可伸缩钻头(3)处于收缩状态下，其钻头尺寸小于所述薄壁管桩(5)的内径，使可伸缩钻头(3)能够整体伸入薄壁管桩(5)中；在可伸缩钻头(3)处于展开状态下，其钻头尺寸大于所述薄壁管桩(5)的内径，使薄壁管桩(5)能够整体架于可伸缩钻头(3)的顶面上并对其施加下压力，且薄壁管桩(5)的底部管口与可伸缩钻头(3)的顶面之间留有供土体进入薄壁管桩(5)的通道。/n

【技术特征摘要】
1.一种长螺旋钻孔薄壁管桩复合桩基施工装置，其特征在于，包括钻杆动力头(1)、螺旋钻杆(2)、可伸缩钻头(3)、管桩动力头(4)和薄壁管桩(5)；
所述钻杆动力头(1)安装于螺旋钻杆(2)上，用于向螺旋钻杆(2)施加钻入地基的动力；所述可伸缩钻头(3)安装于螺旋钻杆(2)的底部，且可伸缩钻头(3)的等效钻头半径可调，使其能在收缩和展开状态间切换；所述管桩动力头(4)安装于薄壁管桩(5)上，用于对薄壁管桩(5)施加沉入地基的动力；螺旋钻杆(2)中的中心注浆通道与可伸缩钻头(3)中的桩侧和桩底注浆孔连通；
在可伸缩钻头(3)处于收缩状态下，其钻头尺寸小于所述薄壁管桩(5)的内径，使可伸缩钻头(3)能够整体伸入薄壁管桩(5)中；在可伸缩钻头(3)处于展开状态下，其钻头尺寸大于所述薄壁管桩(5)的内径，使薄壁管桩(5)能够整体架于可伸缩钻头(3)的顶面上并对其施加下压力，且薄壁管桩(5)的底部管口与可伸缩钻头(3)的顶面之间留有供土体进入薄壁管桩(5)的通道。


2.如权利要求1所述的长螺旋钻孔薄壁管桩复合桩基施工装置，其特征在于，所述的可伸缩钻头(3)包括钻头主体部分和若干活动翼(7)，所述活动翼(7)均通过弹簧铰链(6)铰接固定于钻头主体部分上，通过绕铰接轴转动；每片所述活动翼(7)在其旋转角度范围内由下极限位置旋转至上极限位置过程中，可伸缩钻头(3)的等效钻头半径逐渐增大从而由收缩状态转变至展开状态；所述活动翼(7)位于上极限位置时，所有活动翼(7)的顶面处于同一平面上，共同构成用于支顶薄壁管桩(5)的支撑面；所述钻头主体部分中设有竖向贯通的桩底注浆孔(10)和横向布置的第一桩侧注浆孔段，第一桩侧注浆孔段从桩底注浆孔(10)贯穿至钻头主体部分的侧壁外部，每片活动翼(7)中也布置有横向贯通的第二桩侧注浆孔段；所述活动翼(7)位于上极限位置时，所述第一桩侧注浆孔段和第二桩侧注浆孔段对接贯通，形成整个可伸缩钻头(3)的桩侧注浆孔(9)；所述的可伸缩钻头(3)的侧面和底面均布置有钻齿(8)。


3.如权利要求2所述的长螺旋钻孔薄壁管桩复合桩基施工装置，其特征在于，所述的钻头主体部分的横截面尺寸小于薄壁管桩(5)的内腔横截面尺寸。


4.如权利要求2所述的长螺旋钻孔薄壁管桩复合桩基施工装置，其特征在于，所述活动翼(7)共4个，等角度均匀布置于钻头主体部分的周向。


5.如权利要求2所述的长螺旋钻孔薄壁管桩复合桩基施工装置，其特征在于，所述活动翼(7)在非工作的自然状态下处于收缩状态。

【专利技术属性】
技术研发人员：严伟飞，涂园，杨涛，王奎华，李云祥，郭智刚，袁野，
申请(专利权)人：浙江省大成建设集团有限公司，浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33