专利名称：劲芯深层喷射搅拌桩工法及其专用钻头的制作方法
技术领域：
本发明属于建筑工程地基处理及基础工程技术领域，特别适用于加固淤泥、淤泥质土、粘性土、粉土、素填土等松软地基的喷射搅拌桩的结构和施工方法。
背景技术：
目前用于地基加固的混凝土灌注桩虽具有较高的桩身强度，但是以利用桩侧摩阻力为主的软土地区，如果桩不太长，其桩身强度不能充分发挥，造成材料强度浪费，使得工程造价提高。资料显示，当混凝土灌注桩桩长小于20米时，桩的承载能力仅仅使用了桩身混凝土材料本身能提供承载力的50％甚至更低(即当混凝土桩破坏时，其桩身材料强度只发挥了50％或更低。)。
在处理软土地基时，水泥土桩和混凝土灌注桩表现出两种不同的破坏模式桩身强度破坏和桩周土破坏。水泥土桩由于桩身强度低使荷载不能有效传递到桩身下部，当桩顶水泥土被压坏时，桩全长范围的桩侧摩阻力远远没有发挥出来，而混凝土灌注桩具有较高的材料强度，但其极限摩阻力小于水泥土极限摩阻力，在工程中通常发生混凝土灌注桩刺如破坏，即混凝土灌注桩与桩周土发生滑移，而桩体材料强度还远远没有发挥出来。通过以上材料我们可以得知，这两种桩都是由于桩身强度和桩侧摩阻力不匹配，造成承载力低或桩身强度浪费。
模拟水泥搅拌桩、干法成孔灌注桩和泥浆护壁成孔灌注桩与土接触面的水泥土～土、混凝土～土接触面荷载传递试验，结果表明水泥搅拌桩与土之间摩阻力大于干法成孔灌注桩和泥浆护壁成孔灌注桩与土接触面的摩阻力。
深层搅拌法和高压喷射注浆法是目前行之有效、且应用很普遍的两种地基处理方法，近年来，日本在这两种传统的地基处理技术的基础上，把机械搅拌和喷射搅拌结合起来，开发了一种“内搅外喷”的新技术，称为深层喷射搅拌法。深层喷射搅拌桩使其桩体承载力有了较大的提高。但是，这种深层喷射搅拌法的桩身强度仍然局限在10Mpa以下，虽然它的桩身强度较深层搅拌桩有了大幅提高，但它和混凝土强度比起来还是相差甚远，故仍然存在桩身强度低的缺点。
发明内容
本发明目的就是充分利用混凝土桩的材料强度和深层喷射搅拌桩的侧摩阻力，使得两者的各自优势得到充分的发挥，进而实现混凝土桩与深层喷射搅拌桩的完美组合。
本发明劲芯深层喷射搅拌桩工法按以下步骤完成——首先，采用深层喷射搅拌桩法、或高压旋喷桩法、或深层搅拌桩法制作外围桩；——在外围桩成桩以后，桩体固化材料凝结以前，将劲芯植入到外围桩中，待固化材料凝固以后，由外围桩与劲芯共同承受上部荷载。
外围桩桩径大小可通过调整灌浆压力来控制，根据土层具体情况外围桩即可制成等截面桩，也可制成如竹节型变截面桩。桩体材料可以用水泥土、石灰土或其他固化土。
所述劲芯可以是混凝土桩、钢管桩和工字形钢桩，其中混凝土桩可以采用混凝土预制桩、沉管灌注桩和长螺旋取土灌注桩，桩体截面形式可以是圆形、方形、环形，桩体可采用圆柱形结构或楔形结构，且在桩体纵向设置凹槽或在水平向设置横肋。对于现浇混凝土桩可以在桩身指定位置进行夯扩，包括桩身位置夯扩和桩端位置夯扩。
一种用于加工劲芯深层喷射搅拌桩的专用钻头，包括搅拌轴及其上的搅拌叶片，其特征是在搅拌轴下端设置有搅拌轴喷嘴，在搅拌叶片的外缘上同时也设置有叶片喷嘴，搅拌轴为双层套管结构，外层套管与搅拌轴喷嘴连通，内层管与叶片喷嘴连通。
在搅拌叶片之间或上方设置有可相对搅拌轴转动的反切削叶片。
发明的优点及效果1、本发明在软土地区与现行混凝土预制桩、混凝土灌注桩、深层搅拌桩相比，具有在施工过程中无噪音污染、无泥浆排放，桩身质量稳定易于控制，在软土地基中提高单桩承载力，降低工程造价等优点。2、劲芯深层喷射搅拌法中内搅外喷的施工工艺严格的杜绝了深层搅拌桩法经常出现的只搅拌不喷浆、只转动不搅拌、土体呈同心圆转动等现象的发生，并且其桩身材料强度不再局限于1.5MPa左右，可以达到2～8MPa。3、采用劲芯深层喷射搅拌法同以往的高压喷射法相比，所需的浆液喷射压力较小，机械搅拌和高压喷射的共同作用下，桩身搅拌更加均匀，钻机提升速度加快，大大缩短了成桩时间。4、劲芯深层喷射搅拌桩同传统的深层搅拌桩和高压旋喷桩相比，它既克服了深层搅拌桩正常桩长5m～7m和正常掺入比15％情况下，软土中桩体无侧限抗压强度仅能达到1.5MPa左右，形成桩身强度决定桩体承载力的不合理模式，又避免了高压旋喷桩所需要的较大切割能量。5、本发明中深层喷射搅拌桩构成了该种桩型的外围桩，其桩径可以根据土层具体情况，调整灌浆压力来控制其桩径大小，这样形成的外围桩就和传统的深层搅拌桩在形式上完全不一样，是一种变截面桩。通过多次改变截面可增加桩体的端承面积和局部的桩侧面积，以增加土对桩的支承阻力。6、加入劲芯后，首先可以提高桩体桩身强度，在外围桩中插入强度较高的劲芯可以确保桩体破坏发生在桩侧而不是桩身破坏，提高桩体承载力；其次挤密桩间土，插入劲芯的过程同时也是挤密桩间土的一个过程，提高桩间土承载力的一个过程；最后确保桩身质量，深层搅拌桩或高压旋喷桩在成桩过程由于施工因素或地质因素造成的断桩或局部缺陷而行成的不合格桩，若单独考虑上述不合格桩，地基加固中应视为废桩，而对于劲芯深层喷射搅拌桩这种工法，即使出现上述问题，通过劲芯的插入我们可以使不连续的桩形成连续稳定的桩体，同时承载力得到较大的提高。
图1、劲芯为现浇混凝土沉管灌注桩时的喷射搅拌桩示意图；图2、劲芯为混凝土夯扩桩时的喷射搅拌桩示意图；图3、劲芯为钢管管桩时的喷射搅拌桩示意图；图4、劲芯为混凝土预制桩时的喷射搅拌桩示意图；图5、劲芯深层喷射搅拌桩专用钻头示意图。
具体实施例方式实施例1图1中所示的混凝土桩为现浇混凝土沉管灌注桩——首先，采用深层喷射搅拌桩法、或高压旋喷桩法(或深层搅拌桩法)制作外围桩；——在外围桩成桩以后，桩体固化材料凝结以前，采用现浇混凝土沉管灌注桩法将劲芯(混凝土桩)植入到外围桩中，待固化材料凝固以后，由外围桩与劲芯共同承受上部荷载。(所述劲芯可以是混凝土桩、钢管桩和工字形钢桩，其中混凝土桩可以采用混凝土预制桩、沉管灌注桩和长螺旋取土灌注桩，桩体截面形式可以是圆形、方形、环形，桩体可采用圆柱形结构或楔形结构，且在桩体纵向设置凹槽或在水平向设置横肋，以增加混凝土芯桩与水泥土之间的接触面积。本例为现浇混凝土沉管灌注桩。)外围桩桩径大小可通过调整灌浆压力来控制，根据土层具体情况外围桩即可制成等截面桩，也可制成如图1所示竹节型变截面桩。
外围桩桩体材料可以用水泥土、石灰土或其他固化土。
图中，1为劲芯深层喷射搅拌桩的外围桩，2为劲芯深层喷射搅拌桩的劲芯(混凝土桩、钢管管桩)，余同。
实施例2图2中所示的混凝土桩为混凝土夯扩桩，对于现浇混凝土桩可以在桩身指定位置进行夯扩，包括桩身位置夯扩和桩端位置夯扩(如图2所示)，其余同例1。
实施例3图3中所示的钢管管桩，本例中劲芯选钢管管桩(也可选用工字形钢桩等)，其余同例1。
实施例4图4中所示，本例混凝土桩为混凝土预制桩，在桩体纵向设置凹槽或在水平向设置横肋，以增加混凝土芯桩与水泥土之间的接触面积。其余同例1。
实施例5如图5所示，一种用于加工劲芯深层喷射搅拌桩的专用钻头，包括搅拌轴及其上的搅拌叶片，在搅拌轴下端设置有搅拌轴喷嘴3，在搅拌叶片的外缘上设置有叶片喷嘴4，在搅拌叶片之间或上方设置有可相对搅拌轴转动的反切削叶片5，搅拌轴为双层套管结构，外层套管与搅拌轴喷嘴连通，固化浆液由输入管道口6灌入，内层管与叶片喷嘴连通，固化浆液由输入管道口7灌入(也可将外层套管与叶片喷嘴连通，内层管与搅拌轴喷嘴连通，其效果相同)。该钻头为外围桩专用机具，劲芯的施工机具采用常规施工机具。其中位于搅拌轴上的喷嘴喷出的固化浆液由搅拌叶片机械搅拌均匀，其灌浆压力在1～5Mpa之间。位于搅拌叶片上的喷嘴高压喷射固化浆液切割土体，其灌浆压力在3～15Mpa之间。搅拌轴上的反切削叶片，可以避免搅拌钻头同固化土同步旋转的情况。目前深层搅拌桩的应用在国内许多省市受到了很大的限制，就是由于施工机具的不完善和土质较粘的原因，导致固化土与搅拌机械同轴转、桩身浅部断桩的现象，其主要原因就是由于施工机具本身的问题造成的。
权利要求
1.一种劲芯深层喷射搅拌桩工法，其特征是该工法按以下步骤完成——首先，采用深层喷射搅拌桩法、或高压旋喷桩法、或深层搅拌桩法制作外围桩；——在外围桩成桩以后，桩体固化材料凝结以前，将劲芯植入到外围桩中，待固化材料凝固以后，由外围桩与劲芯共同承受上部荷载。
2.根据权利要求1所述的劲芯深层喷射搅拌桩工法，其特征是外围桩桩径大小可通过调整灌浆压力来控制，根据土层具体情况外围桩即可制成等截面桩，也可制成如竹节型变截面桩。
3.根据权利要求1或2所述的劲芯深层喷射搅拌桩工法，其特征是外围桩桩体材料可以用水泥土、石灰土或其他固化土。
4.根据权利要求1或2所述的劲芯深层喷射搅拌桩工法，其特征是所述劲芯可以是混凝土桩、钢管桩和工字形钢桩，其中混凝土桩可以采用混凝土预制桩、沉管灌注桩和长螺旋取土灌注桩，桩体截面形式可以是圆形、方形、环形，桩体可采用圆柱形结构或楔形结构，且在桩体纵向设置凹槽或在水平向设置横肋。
5.根据权利要求3所述的劲芯深层喷射搅拌桩工法，其特征是对于现浇混凝土桩可以在桩身指定位置进行夯扩，包括桩身位置夯扩和桩端位置夯扩。
6.一种用于加工劲芯深层喷射搅拌桩的专用钻头，包括搅拌轴及其上的搅拌叶片，其特征是在搅拌轴下端设置有搅拌轴喷嘴，在搅拌叶片的外缘上同时也设置有叶片喷嘴，搅拌轴为双层套管结构，外层套管与搅拌轴喷嘴连通，内层管与叶片喷嘴连通。
7.根据权利要求6所述的用于加工劲芯深层喷射搅拌桩的专用钻头，其特征是在搅拌叶片之间或上方设置有可相对搅拌轴转动的反切削叶片。
全文摘要
劲芯深层喷射搅拌桩工法及其专用钻头，本发明首先采用深层喷射搅拌桩法制作外围桩；在外围桩成桩以后凝结前，将劲芯植入到外围桩中，由外围桩与劲芯共同承受上部荷载。本发明在软土地区与现行混凝土预制桩、混凝土灌注桩、深层搅拌桩相比，具有在施工过程中无噪音污染、无泥浆排放，桩身质量稳定易于控制，在软土地基中提高单桩承载力，降低工程造价，其桩身材料强度可以达到2～8MPa。该法同以往的高压喷射法相比，所需的浆液喷射压力较小，机械搅拌和高压喷射的共同作用下，桩身搅拌更加均匀，钻机提升速度加快，大大缩短了成桩时间。本发明外围桩可通过调整灌浆压力来控制其桩径大小，形成一种变截面桩。通过多次改变截面可增加桩体的端承面积和局部的桩侧面积，以增加土对桩的支承阻力。
文档编号E21B10/60GK1542235SQ0313066
公开日2004年11月3日 申请日期2003年4月29日 优先权日2003年4月29日
发明者张振, 阎海新, 李广智, 张 振 申请人:天津市水利科学研究所