专利名称：变截面挤密螺纹桩成桩方法及挤密钻具的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种地基施工技术，特别是涉及一种变截面挤密螺纹桩成桩方法及挤密钻具。
背景技术：
对于软土地基处理国内外有很多研究，目前常用的低强度混凝土桩(ere桩)属于端承摩擦桩，且多为排土型成孔，由于桩身呈单一柱状，桩身侧摩表面积受到一定限制， 虽然桩身强度较大，但土体摩擦力不够，使其桩身混凝土不能充分发挥作用，从而工程造价高，应用也受到一定的局限性。挤密螺纹桩由于桩体是挤压浇注成型，而且桩体周围有螺纹，与土体的侧摩面积大，桩体的承载力大为提高。专利号为89215780. 1的挤密成孔钻具，由钻杆、钻头体和钻头芯所组成，钻杆为光圆杆件，钻头体的锥形面上焊有双线螺旋叶片，钻头芯嵌装在钻头体的紧孔内，钻头芯的下部是定位尖。利用土壤可压缩性原理，将切削下来的土，由螺旋叶片送到钻头体的光滑圆柱面，把土强制性挤压到孔壁四周的土层中去，提高其密实度，这层挤密的土与混凝土灌注桩一起形成一个复合桩基，从而既解决了桩成孔而不出土的问题又提高了单桩的承载力。专利申请号为200610040028. 3螺纹灌注桩的成桩方法，包括(1)在成孔设置护筒，护筒内径大于桩径；( 用螺纹钻机挤土钻孔至规定深度；幻边旋转边提升钻杆，以形成螺旋桩槽形，同时从钻杆中心注入清水，直至钻杆升至地面，清水也灌满螺纹桩槽；(4) 将钻杆移位至下一桩孔；( 在桩槽中插入钢筋笼；(6)将砼灌注管插入钢筋笼内；(7)启动振动器，振实桩孔底部虚土； (8)开始灌注砼，一边灌注砼，一边提升灌注管，一边振动； (9)成桩终结，移位开始下一个桩孔；本发明不但使原有操作大为简便，成桩质量好，缩短了施工周期，提高了施工效率，且大大地降低了施工成本。但是，专利号为89215780. 1的挤密成孔钻具和专利申请号为200610040028. 3螺
纹灌注桩的成桩方法，其制作出的桩身只能呈单一柱状，即桩身的截面不变，其对提高桩身的承载能力的幅度不大。
发明内容
本发明的目的是提供一种变截面挤密螺纹桩成桩方法及挤密钻具，采用此挤密钻具和此成桩方法制作的桩体为变截面挤密螺纹桩，桩体承载力大。为了达到上述目的，本发明的变截面挤密螺纹桩成桩方法，其特征在于
①、桩机就位将桩机挤密钻具的内钻杆对准要成桩的位置；
②、桩体上段成孔桩机内钻杆正向回转向下钻进，内钻杆下段完全钻进后，随即与外钻杆同时向下钻进，至上段孔的设计深后暂停回转；
③、内钻杆与外钻杆轴向分离向上提升内钻杆大于0.1米以上，反向回转内钻杆大于其外花键的一个键齿所对应的圆心角，使内钻杆的外花键与外钻杆的内花键轴向分离，下降内钻杆至原钻孔的深度，此时外钻杆停留在上段大直径桩孔处；
④、桩体下段成孔内钻杆正向回转继续向下钻进，直到设计桩深度，形成挤密变截面的下段柱状裸孔；
⑤、提升挤压成桩反向回转并提升内钻杆，在内钻杆提升至其外花键与外钻杆的内花键结合时，内钻杆与外钻杆同时反向回转并提升，提升速度等于回转转速与内钻杆上螺旋状旋翼螺距的乘积，此时，在反向回转和提升的作用力下，外钻杆上的螺旋状旋翼的扩刀头的切点与土体摩擦，呈一开合角度自动张开，扩刀头呈螺旋形式挤压土体形成螺纹，在内钻杆初始提升和反向回转的同时，直至桩设计标高段均由桩机的内钻杆内及时地连续泵送混凝土充填成桩，形成的变截面挤密桩桩体下段和上段外侧都有侧螺纹，并且桩体上段直径大，桩体下段直径小。根据工程实践和受力分析，变截面挤密螺纹桩既改变了桩体的结构，又适应了附加应力随深度递减的特点，桩体上段所受应力最大，桩体下段所受应力渐小的原理，将桩体设计为变截面的上大下小形式，并利用桩体不同截面的土体挤密，使桩体与桩周挤密的土共同受力，形成复合地基，其滚压挤密形成的侧螺纹可增加桩体的粗糙度，加大桩体的侧摩阻力，同时，由于桩体下段采用小截面桩体结构，相对容易钻入坚硬的地层和减少桩的混凝土材料用量，达到既能提高桩的承载力，减少桩体和复合地基的沉降率，又能降低工程造价的目的，以满足高速铁路、高速公路及各种建筑对地基承载力和地基沉降的要求；同时，桩体下段的小截面桩体结构更适应较为坚硬的黏土和北方地区的湿陷性黄土地层，其地层的适用范围较广。施工成桩时混凝土出口与挤密螺纹段的距离较小，成桩时受地下水的影响亦较小，质量更有保证。所述的变截面挤密螺纹桩成桩方法，其特征在于提升挤压成桩时，反向回转并提升内钻杆，提升速度等于回转转速与内钻杆上螺旋状旋翼螺距的乘积。由于内钻杆前端具有锥形的粗牙螺纹，向下钻进时可初次对土体进行挤密，钻进至设计井深；反向回转提升时，内钻杆上的螺旋状旋翼的扩刀头的切点与土体摩擦，呈一开合角度自动张开，扩刀头呈螺旋形式二次挤压土体并形成螺纹，形成的变截面挤密桩桩体下段外侧有侧螺纹，变截面挤密桩桩体下段和桩体上段外侧都有侧螺纹，其承载能力更大。本发明的挤密钻具，包括内钻杆和外钻杆，外钻杆上有螺旋状旋翼，内钻杆下端有螺旋状旋翼，外钻杆上的螺旋状旋翼与内钻杆下端的螺旋状旋翼的螺距相等，外钻杆和内钻杆的螺旋状旋翼上都安装有扩刀头，扩刀头与螺旋状旋翼通过销轴活动连接，其特征在于外钻杆套在内钻杆外部，内钻杆上端有外花键，外钻杆上有内花键，外钻杆的内花键与内钻杆的外花键相配合，内钻杆上端的外花键与外钻杆的内花键的周向间隙大于或等于一个花键齿宽，外钻杆的内花键的每个键齿下端有一轴向挡块，轴向挡块与相邻的一个键齿的距离大于或等于一个键齿宽。所述的挤密钻具，其特征在于内钻杆前端有锥形的粗牙螺纹。内钻杆前端的粗牙螺纹，向下钻进时可初次对土体进行挤密。因为外钻杆套在内钻杆外部，内钻杆上端有外花键，外钻杆上有内花键，外钻杆的内花键与内钻杆的外花键相配合，内钻杆上端的外花键与外钻杆的内花键的周向间隙大于或等于一个花键齿宽，外钻杆的内花键的每个键齿下端有一轴向挡块，轴向挡块与相邻的一个键的距离大于或等于一个键齿宽。当整个桩体成桩过程中，反向回转并提升内钻杆，提升速度等于回转转速与内钻杆上螺旋状旋翼螺距的乘积时，形成的变截面挤密桩下段和上段外侧都有侧螺纹；当整个桩体成桩过程中，内钻杆正向回转和提升，提升速度小于回转转速与内钻杆上螺旋状旋翼螺距的乘积，至与外钻杆的内花键结合时，改为反向回转并提升， 提升速度等于回转转速与内钻杆上螺旋状旋翼螺距的乘积，形成的变截面挤密桩体下段外侧无螺纹，而上段外侧则有螺纹；当整个桩体成桩过程中，内钻杆正向回转和提升至与外钻杆的内花键结合时，改为反向回转并提升，提升速度小于回转转速与内钻杆上螺旋状旋翼螺距的乘积，形成的变截面挤密桩体下段外侧和上段外侧都无侧螺纹；当在桩体下段成桩时，提升速度小于回转转速与内钻杆上螺旋状旋翼螺距的乘积时，并且内钻杆反向回转一段后再改为正向回转提升，形成的变截面挤密桩桩体下段直径大、上段直径小的无螺纹桩体。本发明的变截面挤密螺纹桩成桩方法及挤密钻具，采用此挤密钻具和此成桩方法制作的桩体为变截面挤密螺纹桩，桩体承载力大。
图1是采用本发明变截面挤密螺纹桩成桩方法所成的桩体上下两段都有侧螺纹的桩体示意图。图2是桩体上段有侧螺纹桩体下段无侧螺纹的桩体示意图。图3是桩体上下两段都无螺纹的桩体示意图。图4是桩体上段直径小桩体下段直径大的无螺纹的桩体示意图。图5是桩机内钻杆对准要成桩位置的示意图。图6是桩体上段成孔的示意图。图7是桩体下段成孔的示意图。图8是桩体下段成桩的示意图。图9是桩体上段成桩的示意图。图10是桩体完成后的示意图。图11是内钻杆反向回转的示意图。图12是内钻杆反向回转并提升的示意图。图13是内钻杆正向回转提升的示意图。图14是完成后的桩体上段直径小桩体下段直径大的无螺纹桩体示意图。图15是挤密钻具的结构示意图。图16是图15的轴向截面示意图。图17是外钻杆的结构示意图。图18是图17的轴向截面示意图。图19是内钻杆的结构示意图。
具体实施例方式图1标记的说明桩体上段1，桩体下段2，侧螺纹3。图4标记的说明挤密钻具4。图15标记的说明外钻杆5，内钻杆6。
图16标记的说明螺旋状旋翼7，销轴8，扩刀头9。图17标记的说明内花键10，挡块11。图19标记的说明外花键12，砼门13，粗牙螺纹14。本发明的变截面挤密螺纹桩成桩方法的实施采用如下工序步骤
①、桩机就位将桩机挤密钻具4的内钻杆6对准要成桩的位置(参见图5)；
②、桩体上段1成孔桩机内钻杆6正向回转向下钻进，内钻杆6下段完全钻进后，随即与外钻杆5同时向下钻进，至上段孔的设计深后暂停回转(参见图6)；
③、内钻杆6与内钻杆6轴向分离向上提升内钻杆6大于0.1米以上，砼门13在扭簧的作用力下，处于关闭状态，反向回转内钻杆6大于其外花键12的一个键齿所对应的圆心角，即大于40度，使内钻杆6的外花键12与外钻杆5的内花键10轴向分离，下降内钻杆6 至原钻孔的深度，此时外钻杆5停留在上段大直径桩孔处(参见图7)；
④、桩体下段2成孔内钻杆6正向回转继续向下钻进，直到设计桩深度，形成挤密变截面的下段柱状裸孔(参见图8);
⑤、提升挤压成桩反向回转并提升内钻杆6，提升速度等于回转转速与内钻杆6上螺旋状旋翼7螺距的乘积，此时，内钻杆6上的螺旋状旋翼7上安装的扩刀头9的切点与土体摩擦，呈一开合角度自动张开，扩刀头9呈螺旋形式挤压土体形成下段螺纹3，在反向提升和回转的同时，由内钻杆内及时地连续泵送混凝土对挤密成型的空间进行充填，当提升至大截面段时，内钻杆6的花键进入外钻杆5的内花键，带动外钻杆一起反向回转和提升，使外钻杆5上的螺旋状旋翼7上安装的扩刀头9的切点与土体摩擦，呈一开合角度自动张开， 扩刀头9呈螺旋形式挤压土体形成螺纹，由于混凝土是在提升状态下连续泵送进行的而充填成桩，形成的变截面挤密桩桩体上段1外侧有侧螺纹3 (参见图9)，并且桩体上段1直径大，桩体下段2直径小(参见图10)。 当整个桩体成桩过程中，反向回转并提升内钻杆6，提升速度等于回转转速与内钻杆6上螺旋状旋翼7螺距的乘积时，形成的变截面挤密桩下段和上段外侧都有侧螺纹(参见图1);当整个桩体成桩过程中，内钻杆6正向回转和提升，提升速度小于回转转速与内钻杆 6上螺旋状旋翼7螺距的乘积，至与外钻杆5的内花键10结合时，改为反向回转并提升，提升速度等于回转转速与内钻杆6上螺旋状旋翼7螺距的乘积，形成的变截面挤密桩体下段外侧无螺纹，而上段外侧则有螺纹(参见图2)；当整个桩体成桩过程中，内钻杆6正向回转和提升至与外钻杆5的内花键10结合时，改为反向回转并提升，提升速度小于回转转速与内钻杆6上螺旋状旋翼7螺距的乘积，形成的变截面挤密桩体下段和上段外侧都无侧螺纹 (参见图3)；当在桩体下段成桩时，提升速度不等于回转转速与内钻杆6上螺旋状旋翼7螺距的乘积时，并且内钻杆6反向回转一段后再改为正向回转提升，形成的变截面挤密桩桩体下段直径大、上段直径小的无螺纹桩体(参见图4)。 根据工程实践和受力分析，变截面挤密螺纹桩既改变了桩体的结构，又适应了附加应力随深度递减的特点，桩体上段1所受应力最大，桩体下段2所受应力渐小的原理，将桩体设计为变截面的上大下小形式，并利用桩体不同截面的桩体挤密，使桩体与桩周土共同受力，形成复合地基，其滚压挤密形成的侧螺纹3可增加桩体的粗糙度，加大桩体的侧摩阻力，同时，由于桩体下段2采用小截面桩体结构，减少桩的混凝土材料用量，达到既能提高桩承载力，减少桩体和复合地基的沉降率，又能降低工程造价的目的，以满足高速铁路、高速公路及各种建筑对地基承载力和沉降的要求；同时，桩体下段2的小截面桩体结构更适应较为坚硬的黏土和北方地区的湿陷性黄土地层，其地层的适用范围较广。
提升挤压成桩时，反向回转并提升内钻杆6，提升速度等于回转转速与内钻杆6上螺旋状旋翼7螺距的乘积，此时，内钻杆6上的螺旋状旋翼7的扩刀头9的切点与土体摩擦，在反向回转和提升的作用力下，呈一开合角度自动张开，扩刀头9呈螺旋形式挤压土体形成螺纹，形成的变截面挤密桩桩体下段2外侧有侧螺纹3，变截面挤密桩桩体下段2和桩体上段1外侧都有侧螺纹3 (参见图1和图10)，其承载能力更大。参见图15，本发明的挤密钻具4，包括内钻杆6和外钻杆5，外钻杆5上有螺旋状旋翼7(参见图16)，内钻杆6下端有螺旋状旋翼7，外钻杆5上的螺旋状旋翼7与内钻杆6下端的螺旋状旋翼7的螺距相等，外钻杆5和内钻杆6的螺旋状旋翼7上都安装有扩刀头9， 扩刀头9与螺旋状旋翼7通过销轴8活动连接，外钻杆5套在内钻杆6外部，内钻杆6上端有外花键12 (参见图19)，外钻杆5上有内花键10 (参见图17)，外钻杆5的内花键10与内钻杆6的外花键12相配合，内钻杆6上端的外花键12与外钻杆5的内花键10的周向间隙大于或等于一个花键齿宽，外钻杆5的内花键10的每个键齿下端有一轴向挡块11，轴向挡块11与相邻的一个键齿的距离大于或等于一个键齿宽。内钻杆6为中空杆，其下端开有砼门13，内钻杆6最下端安装有锥形的粗牙螺纹14，粗牙螺纹14由耐磨材料制作，粗牙螺纹 14用来直接切削地基，在内钻杆6被提升过程中，混凝土从其中被泵入而从砼门13注出，以形成桩体。本发明的挤密钻具4，外钻杆5上的内花键10和外钻杆5的内花键10都是三个键齿，每个键齿所对应的圆心角为40度，轴向挡块11与相邻的一个键的距离所对应的圆心角为40度。因为外钻杆5套在内钻杆6外部，内钻杆6上端有外花键12，外钻杆5上有内花键 10，外钻杆5的内花键10与内钻杆6的外花键12相配合，内钻杆6上端的外花键12与外钻杆5的内花键10的周向间隙大于或等于一个花键齿宽，外钻杆5的内花键10的每个键齿下端有一轴向挡块11，轴向挡块11与相邻的一个键的距离大于或等于一个键齿宽，当提升挤压成桩时，反向回转并提升内钻杆6，提升速度等于回转转速与内钻杆6上螺旋状旋翼 7螺距的乘积时，形成的变截面挤密桩外侧有侧螺纹3 ；当只是在桩体下段2成桩提升速度等于回转转速与内钻杆6上螺旋状旋翼7螺距的乘积时，形成的变截面挤密桩只有桩体下段2外侧有侧螺纹3 ；当整个桩体成桩过程中，提升速度等于回转转速与内钻杆6上螺旋状旋翼7螺距的乘积时，形成的变截面挤密桩桩体上段1和桩体下段2外侧都有侧螺纹3(参见图1);当整个桩体成桩过程中，内钻杆6正向回转和提升，形成的变截面挤密桩桩体上段 1和桩体下段2外侧都无侧螺纹3 (参见图3)；当在桩体下段2成桩时，提升速度不等于回转转速与内钻杆6上螺旋状旋翼7螺距的乘积时(参见图11、图12、图13)，并且内钻杆6反向回转一段后再正向回转提升，形成的变截面挤密桩桩体下段2直径大桩体上段1直径小 (参见图4和图14)。本发明的变截面挤密螺纹桩成桩方法及挤密钻具4，采用此挤密钻具4和此成桩方法制作的桩体为变截面挤密螺纹桩，桩体承载力大，它的推广运用，对提高地基处理质量，节约施工材料、节约生产成本有着积极的意义。
权利要求
1.变截面挤密螺纹桩成桩方法，其特征在于①、桩机就位将桩机挤密钻具的内钻杆对准要成桩的位置；②、桩体上段成孔桩机内钻杆正向回转向下钻进，内钻杆下段完全钻进后，随即与外钻杆同时向下钻进，至上段孔的设计深后暂停回转；③、内钻杆与外钻杆轴向分离向上提升内钻杆大于0.1米以上，反向回转内钻杆大于其外花键的一个键齿所对应的圆心角，使内钻杆的外花键与外钻杆的内花键轴向分离，下降内钻杆至原钻孔的深度，此时外钻杆停留在上段大直径桩孔处；④、桩体下段成孔内钻杆正向回转继续向下钻进，直到设计桩深度，形成挤密变截面的下段柱状裸孔；⑤、提升挤压成桩回转并提升内钻杆，在内钻杆提升至其外花键与外钻杆的内花键结合时，内钻杆与外钻杆同时反向回转并提升，提升速度等于回转转速与内钻杆上螺旋状旋翼螺距的乘积，同时，桩机内钻杆内及时地连续泵送混凝土充填成桩。
2.根据权利要求1所述的变截面挤密螺纹桩成桩方法，其特征在于提升挤压成桩时， 反向回转并提升内钻杆，提升速度等于回转转速与内钻杆上螺旋状旋翼螺距的乘积。
3.挤密钻具，包括内钻杆和外钻杆，外钻杆上有螺旋状旋翼，内钻杆下端有螺旋状旋翼，外钻杆上的螺旋状旋翼与内钻杆下端的螺旋状旋翼的螺距相等，外钻杆和内钻杆的螺旋状旋翼上都安装有扩刀头，扩刀头与螺旋状旋翼通过销轴活动连接，其特征在于外钻杆套在内钻杆外部，内钻杆上端有外花键，外钻杆上有内花键，外钻杆的内花键与内钻杆的外花键相配合，内钻杆上端的外花键与外钻杆的内花键的周向间隙大于或等于一个花键齿宽，外钻杆的内花键的每个键齿下端有一轴向挡块，轴向挡块与相邻的一个键齿的距离大于或等于一个键齿宽。
4.根据权利要求3所述的挤密钻具，其特征在于内钻杆前端有锥形的粗牙螺纹。
全文摘要
本发明提供一种变截面挤密螺纹桩成桩方法及挤密钻具，变截面挤密螺纹桩成桩方法，①桩机就位；②桩体上段成孔；③内钻杆与内钻杆轴向分离；④桩体下段成孔；⑤提升挤压成桩。挤密钻具，包括内钻杆和外钻杆，外钻杆和内钻杆的螺旋状旋翼上都安装有扩刀头，外钻杆套在内钻杆外部，内钻杆上端有外花键，外钻杆上有内花键，外钻杆的内花键与内钻杆的外花键相配合，内钻杆上端的外花键与外钻杆的内花键的周向间隙大于或等于一个花键齿宽，外钻杆的内花键的每个键齿下端有一轴向挡块，轴向挡块与相邻的一个键齿的距离大于或等于一个键齿宽。采用此挤密钻具和此成桩方法制作的桩体为变截面挤密螺纹桩，桩体承载力大。
文档编号E21B17/22GK102162248SQ20111010531
公开日2011年8月24日 申请日期2011年4月26日 优先权日2011年4月26日
发明者李斌, 潘红涛, 王相民, 袁德顺, 郭克诚, 陈保安 申请人:武汉高铁桩工科技有限公司