螺旋挤土潜孔嵌岩装置及成桩方法与流程

本发明创造涉及桩基础施工领域，特别涉及一种集软岩层螺旋挤土成孔、硬岩层冲击回转成孔，泵压灌混凝土成桩于一身的螺旋挤土潜孔嵌岩装置及成桩方法。

背景技术：

在建设桩基础中，嵌岩桩(岩石承载力大于500Kpa)占据较大的份额，现有的桩基础施工设备中，多以气动潜孔锤为主，人工挖孔也有一定的市场占有率。对于桩径不大于800mm的嵌岩桩多采用气动潜孔锤成孔，再利用专用设备灌注混凝土成桩。在施工成孔过程中，利用气动潜孔锤的冲击功将硬岩体积破碎成岩屑状，再通过空压机的高压大流量风能将破碎的岩屑送到桩孔外地表，完成排渣功能。成孔过程需要大流量的风能，空压机耗能高，同时排放会产生大量的污染，影响环境；成孔是靠冲击功来完成，会产生振动，特别是顶层为松软地层及含砾石层的嵌岩桩孔，容易出现缩径、坍塌等现象，导致无法施工；在地下水丰富的地层，岩屑沉积在水中，导致排渣困难，无法成孔。在施工灌注过程中，多采用同桩径的长螺旋钻机来完成。利用长螺旋钻机泵压灌注混凝土的装置，将混凝土送到桩孔内，后置钢筋笼成孔桩。对于地下水较丰富的桩孔灌注，多采用专用导管设施，将混凝土注到桩孔底，同时将桩孔内水排到地表面。无论采用哪种灌注方法，都会产生费用，增加了施工成本。对于桩径大于800mm的嵌岩桩，因大直径的气动潜孔设备购置费用高，施工所需风量大，导致施工费用大，成桩成本高，多采用人工挖孔成桩工艺。人工挖孔桩成孔过程，劳动强度高，安全性差，特别是硬岩顶层的岩土稳定性差、地下水丰富的地区无法施工，灌注采用导管设备。现建设有关制度已限制使用人工挖孔作业。

技术实现要素：

针对岩石承载力大于500Kpa的嵌岩桩的施工，普通长螺旋钻机无法独立完成，气动潜孔锤和人工挖孔施工又存在较多不足的问题，本发明创造提供一种保证施工质量，提高施工效率，满足节能环保要求的螺旋挤土潜孔嵌岩装置。

本发明创造的另一目的是提供一种螺旋挤土潜孔嵌岩成桩方法。

本发明创造采用的技术方案是：螺旋挤土潜孔嵌岩装置，由回转器、标准挤土钻具、冲击器和钻头组成。

所述的标准挤土钻具：包括标准法兰、高压油管、挤土钻具叶片、内管Ⅰ和外管；挤土钻具叶片等螺距地组焊在外管上，内管Ⅰ安装在外管内并与外管同轴。

所述的冲击器：包括下体、销、冲击装置，护筒、上联板、内管Ⅱ、挤土护筒叶片；通过销将下体和护筒固定，护筒内安装冲击装置，内管Ⅱ贯穿冲击装置，冲击装置一端通过下堵板与下体连接，另一端与护筒上的内隔板连接；挤土护筒叶片等螺距地组焊在护筒上，下体内设导向花键。高压油管与冲击装置连接。

所述的钻头：包括钻尖、回转销、管体、上体、挤土钻头钻片、耳板和钻头门板；螺栓将上体与管体固定联接，上体的上端设有导向外花键，与下体组成导向花键副，钻头沿导向花键副作竖向移动；管体外表面安装挤土钻头叶片，管体下端设有耳板，钻尖通过回转销安装在耳板上，钻尖上设有合金齿Ⅰ和钻头门板，挤土钻头叶片的底端处设有合金齿Ⅱ。

所述的回转器安装在标准挤土钻具的上端。

所述的标准挤土钻具和冲击器通过标准法兰和上联板连接在一起。

所述的冲击器与钻头通过下体和上体间导向花键定位，通过螺栓和法兰将下体、护筒和上体联接成一体，冲击装置与上体活动连接；内管Ⅱ贯穿冲击器和钻头。

上述的螺旋挤土潜孔嵌岩装置，所述的冲击装置包括缸筒、活塞、滑阀、弹簧、活塞前腔油管、活塞后腔油管和活塞中腔油管；缸筒、活塞、下堵板通过螺栓及密封件组成密封体，弹簧一端作用在活塞的上端，另一端通过螺栓固定在护筒的内隔板上，同时螺栓将护筒与缸筒固定在一起，滑阀分别与安装在标准挤土钻具内并穿过标准法兰和上联板的高压油管、活塞前腔油管、活塞中腔油管和活塞后腔油管密封联通。

上述的螺旋挤土潜孔嵌岩装置，所述的标准挤土钻具上设有筋板，筋板与外管和标准法兰连接。

上述的螺旋挤土潜孔嵌岩装置，下体通过螺栓与下堵板刚性联接。

上述的螺旋挤土潜孔嵌岩装置，所述的管体上设有柱体定位。

上述的螺旋挤土潜孔嵌岩装置，上体与法兰间滑动配合，上体与内管Ⅱ间滑动配合。

上述的螺旋挤土潜孔嵌岩装置，设有定位键，标准挤土钻具与冲击器间通过定位键定位，螺栓将标准法兰、上联板和定位键联接成一体。

上述的螺旋挤土潜孔嵌岩装置，所述的挤土钻头叶片、挤土护筒叶片和挤土钻具叶片的截面都是梯形；其中挤土钻具叶片的径向设有缺口和挤土斜块。

一种螺旋挤土潜孔嵌岩成桩方法，方法如下：

1)将螺旋挤土潜孔嵌岩装置与螺旋桩机动力头、液压控制系统和冲击器用蓄能器连接，空载调试完好后，对准嵌岩桩位；

2)螺旋挤土潜孔嵌岩装置在螺旋桩机动力头的带动下，作顺时针旋转挤土钻进成孔，直至硬岩层；工作时，钻头进行挤土旋切，一部分土体被挤压到桩孔壁，剩余部分土体随着挤土钻头叶片、挤土护筒叶片和挤土钻具叶片的上螺旋面向地表传输；

3)硬岩层采用冲击回转的破岩成孔方式，螺旋挤土潜孔嵌岩装置随着顺时针的旋转作冲击回转破岩钻进，直至设计嵌岩深度，停止冲击器，装置在原地顺时针旋转2-3分钟；工作时，利用旋转着的螺旋挤土潜孔嵌岩装置及动力头的重量将冲击器内弹簧压缩，启动液压控制系统，启动冲击器，滑阀接通活塞前腔油管，压力油给活塞前腔供油，活塞上移，压缩弹簧，当活塞上行到一定位置时，高压油反馈至滑阀，使滑阀换向与活塞后腔油管接通，给活塞后腔通高压油，后腔端面积大于前腔端面积，活塞下移作冲程运动，同时弹簧释放势能，加大冲击能量，完成一次冲击动作；工作时，活塞在高压油和弹簧弹性势能的作用下作连续冲击运动，打击钻头中上体，通过管体传递给各合金切削齿，实现破岩成孔，已破碎的岩屑通过螺旋挤土叶片传送到地表面，实现碎屑即时传送走，在传递过程中，有部分碎屑被挤压到桩孔侧壁，增强了孔壁的密实性；

4)混凝土的灌注采用泵压式，顺时针旋转螺旋挤土潜孔嵌岩装置并慢慢提升，同时泵压灌混凝土，提升速度不超过2.6m/min，直至设计标高；

5)利用振动器将已制好的钢筋笼压入嵌岩桩桩孔内设定标高，完成一次施工。

上述的一种螺旋挤土潜孔嵌岩成桩方法，所述的嵌岩桩为桩持力层岩石承载力大于500Kpa。

本发明创造的有益效果是：

1、本发明创造，针对不同的岩土层，根据施工效率采用不同的成桩孔方法。对于嵌岩桩软岩土层的桩孔施工采取螺旋挤土方式，对于嵌岩桩硬岩层的桩孔施工采取冲击回转方式，这样有利于施工效率的提高和环保节能。一种装置具有两种不同的成孔方法，为降低施工成本提供了可靠的保障。

2、螺旋挤土潜孔嵌岩桩的施工是集软岩层螺旋挤土成孔、硬岩层冲击回转成孔，泵压灌混凝土成桩于一身的成桩方法。对于嵌岩桩，特别是桩持力层岩石承载力大于500Kpa的硬岩层的施工，显现出很强的优势。桩埋深范围内，软岩土层采用大转矩动力头带动螺旋挤土潜孔嵌岩装置进行挤土钻进成孔，一是增大了成桩侧向有效压应力，从而增加了桩的承载能力；二是挤土成孔，虚土排放量少，减少了残土运输成本，同时保护了环境。硬岩层采用冲击回转的破岩成孔方式，破岩效率高，破碎的岩屑能及时通过螺旋叶片由下而上传送，在传送的过程中会有部分岩屑挤压到桩孔侧壁，进一步加强孔侧壁的密实性。冲击回转破碎岩石采用液压冲击器，充分利用螺旋桩机上的液压控制系统，减少设备投入成本。混凝土的灌注采用泵压式，在提起钻具装置的同时泵压灌注混凝土，不受地下水的影响，施工简单、省时、费用低，桩质量可靠，效率高。实现了嵌岩桩成孔和灌注混凝土由一套设施完成，大大降低了施工成本。

3、螺旋挤土潜孔嵌岩桩是一节能减排的桩型，桩承载能力高，残土排放少，无需泥浆护壁，冲击振动噪音低，施工效率高，施工成本低。螺旋挤土潜孔嵌岩装置为螺旋挤土潜孔嵌岩桩的施工提供了可靠的保障，充分利用大扭矩螺旋桩机进行升级改造，设备投入低。可见螺旋挤土潜孔嵌岩装置及其成桩方法具有广泛市场前景

附图说明

图1是本发明创造的整体结构示意图。

图2是本发明创造的局部放大结构示意图。

图3是本发明创造挤土钻具叶片主视图。

图4是本发明创造挤土钻具叶片附视图。

图5是本发明创造挤土护筒叶片主视图。

图6是本发明创造挤土钻头叶片主视图。

图7是本发明创造液压冲击器控制原理示意图。

图8是本发明创螺旋挤土濳孔嵌岩桩施工过程示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1—图7所示，螺旋挤土潜孔嵌岩装置，由回转器(1)、标准挤土钻具(2)、冲击器(3)和钻头(4)组成。各组成部分之间是通过销键传扭，螺栓联接成一刚性体。工作时，回转器上接大转矩螺旋动力头装置，同时完成冲击器液压油的转换功能。

所述的标准挤土钻具(2)：包括标准法兰(201)、高压油管(202)、挤土钻具叶片(203)、内管Ⅰ(204)、外管(205)和筋板(206)；挤土钻具叶片(203)等螺距地组焊在外管(205)上，内管Ⅰ(204)安装在外管(205)内并与外管(205)同轴。筋板(206)与外管(205)和标准法兰(201)连接。

所述的冲击器(3)：包括下体(301)、销(302)、内六角螺栓Ⅰ(303)、冲击装置，护筒(305)、内六角螺栓Ⅱ(307)、上联板(309)、内管Ⅱ(310)、挤土护筒叶片(313)、下体(301)通过内六角螺栓Ⅰ(303)与下堵板(314)刚性联接。下体(301)通过销(302)及凹凸配合与护筒(305)固定，下体(301)内设导向花键。护筒(305)内安装冲击装置，内管Ⅱ(310)贯穿冲击装置，冲击装置一端通过下堵板(314)与下体(301)连接，另一端与护筒(305)上的内隔板(317)连接；挤土护筒叶片(313)等螺距地组焊在护筒(305)上。

所述的冲击装置包括缸筒(304)、活塞(306)、滑阀(308)、弹簧(311)、下堵板(314)、内六角螺栓Ⅲ(315)、活塞前腔油管(312)、活塞中腔油管(318)和活塞后腔油管(316)；缸筒(304)、活塞(306)、下堵板(314)通过内六角螺栓Ⅲ(315)及密封件组成冲击器的密封体，弹簧(311)一端作用在活塞的上端，另一端通过内六角螺栓Ⅱ(307)固定在护筒(305)的内隔板(317)上，为活塞(306)提供一定向下的推力，同时内六角螺栓Ⅱ(307)将护筒(305)与缸筒(304)固定在一起，滑阀(308)分别与安装在标准挤土钻具(2)内并穿过标准法兰(201)和上联板(309)的高压油管(202)、活塞前腔油管(312)、活塞中腔油管(318)和活塞后腔油管(316)密封联通。

所述的钻头(4)：包括钻尖(401)、回转销(402)、管体(403)、内六角螺栓Ⅳ(404)、上体(405)、法兰(406)、挤土钻头钻片(407)、耳板(408)和钻头门板(410)。管体(403)上设有柱体定位(412)。由内六角螺栓Ⅳ(404)将上体(405)与管体(403)固定联接。上体(405)与法兰(406)间滑动配合，采用防尘、密封联接。上体(405)与内管Ⅱ(310)间滑动配合，采用防尘、密封联接。上体(405)的上端设有导向外花键，与下体(301)组成导向花键副，钻头(4)沿导向花键副作竖向移动；管体(403)外表面安装挤土钻头叶片(407)，管体(403)下端设有四个耳板(408)供钻尖(401)钻孔时抗扭旋转定位。其中两块耳板(408)孔内设有回转销(402)可供钻尖(401)旋转。钻尖(401)通过回转销(402)安装在耳板(408)上，钻尖(401)上设有合金齿Ⅰ和钻头门板(410)，挤土钻头叶片(407)的底端处设有合金齿Ⅱ。

所述的回转器(1)安装在标准挤土钻具(2)的上端。

所述的标准挤土钻具(2)和冲击器(3)间通过定位键(6)定位，外六角螺栓Ⅰ(5)将标准法兰(201)、上联板(309)和定位键(6)联接成一体。

所述的冲击器(3)与钻头(4)通过下体(301)和上体(405)间导向花键定位，通过外六角螺栓Ⅱ(7)和法兰(406)将下体(301)、护筒(305)和上体(405)联接成一体，内管Ⅱ(310)贯穿冲击器(3)和钻头(4)。

所述的挤土钻头叶片(407)、挤土护筒叶片(313)和挤土钻具叶片(203)的截面都是梯形；其中挤土钻具叶片(203)的径向设有缺口(207)。

实施例2

如图8所示，一种螺旋挤土潜孔嵌岩成桩方法，方法如下：

1)场地平整，测量放桩点样、校核。利用大扭矩(输出转矩在150KN·M以上)动力头螺旋桩机，将混凝土输送泵及螺旋挤土潜孔嵌岩装置等相关设施联接安装成套。将螺旋挤土潜孔嵌岩装置与螺旋桩机动力头和液压控制系统连接，冲击装置的高压进、出油管与液压控制系统的储能器连接，空载调试完好后，对准嵌岩桩位；所述的嵌岩桩为桩持力层岩石承载力大于500Kpa。如图8(a)。

2)螺旋挤土潜孔嵌岩装置在螺旋桩机动力头的带动下，作顺时针旋转挤土钻进成孔，直至硬岩层；工作时，钻头进行挤土旋切，一部分土体被挤压到桩孔壁，剩余部分土体随着挤土钻头叶片、挤土护筒叶片和挤土钻具叶片的上螺旋面向地表传输。如图8(b)。

3)硬岩层采用冲击回转的破岩成孔方式，螺旋挤土潜孔嵌岩装置随着顺时针的旋转作冲击回转破岩钻进，直至设计嵌岩深度，停止冲击器，装置在原地顺时针旋转2-3分钟；工作时，利用旋转着的螺旋挤土潜孔嵌岩装置及动力头的重量将冲击器内弹簧压缩，启动液压控制系统，启动冲击器，滑阀接通活塞前腔油管，压力油给活塞前腔供油，活塞上移，压缩弹簧，当活塞上行到一定位置时，高压油反馈至滑阀，使滑阀换向与活塞后腔油管接通，活塞后腔通高压油，后腔端面积大于前腔端面积，活塞下移作冲程运动，同时弹簧释放势能，加大冲击能量，完成一次冲击动作；工作时，活塞在高压油和弹簧弹性势能的作用下作连续冲击运动，打击钻头中上体，通过管体传递给各合金切削齿，实现破岩成孔，已破碎的岩屑通过螺旋挤土叶片传送到地表面，实现碎屑即时传送走，在传递过程中，有部分碎屑被挤压到桩孔侧壁，增强了孔壁的密实性；如图8(c)。

4)混凝土的灌注采用泵压式，顺时针旋转螺旋挤土潜孔嵌岩装置并慢慢提升，同时泵压灌混凝土，提升速度不超过2.6m/min，直至设计标高；如图8(d)。

5)利用振动器将已制好的钢筋笼压入嵌岩桩桩孔内设定标高，完成一次施工。如图8(e)(f)。

本发明创造螺旋挤土潜孔嵌岩装置的工作原理：

1、装置工作时，钻头进行挤土旋切，一部分土体被挤压到桩孔壁，剩余部分土体会随着挤土钻头叶片的上螺旋面向地表传输，在传输过程中，由于各种叶片的截面均为梯形结构，对土体都具有径向挤压功能。特别是标准挤土钻具上的叶片设有缺口和挤土斜块，挤土效果更为显著。随着虚土的上传，成桩孔侧逐渐挤密压实，增大了成桩后桩侧向有效挤压应力，从而提高了桩的侧摩阻，同时也减少了成孔时的虚土排放量。

2、采用冲击回转破碎方式进行有效破岩成孔。液压冲击器控制原理如图7所示，滑阀右位工作，压力油给前腔供油，活塞上移回程，压缩弹簧，当活塞上行到一定位置时，高压油反馈至滑阀，使滑阀左位接通，后腔通高压油，由于后腔端面积大于前腔端面积，活塞下移作冲程运动，同时弹簧释放势能，加大冲击能量，完成一次冲击动作。装置在工作时，通过钻压将冲击器内弹簧压缩，启动旋转动力头使装置处于旋转状态，启动液压油泵并给冲击器供油，活塞在高压油和弹性势能的作用下开始作连续冲击运动，打击钻头中上体，通过管体传递给各合金切削齿，实现破岩成孔。已破碎的岩屑通过螺旋挤土叶片传送到地表面，实现碎屑即时传送走。在传递过程中，有部分碎屑被挤压到桩孔侧壁，增强了孔壁的密实性。