CFG变径倒锥台阶型桩以及制备方法和钻具与流程

本发明涉及建筑技术领域，尤其是涉及一种cfg变径倒锥台阶型桩以及制备方法和钻具。

背景技术：

在改革开放的浪潮中，建筑业有了飞速发展，建筑工程对地基的设计、施工要求越来越高，砼桩和钢筋砼桩在高层建筑、桥梁、港口等工程中得到广泛应用，为了使砼桩和钢筋砼桩满足抗弯、抗剪切，提高承载力和抗震要求等设计要求，对砼桩和钢筋砼桩的形状进行改变。不但能满足设计要求，节约原材料用量，还能提高工程质量及缩短施工进度。

以现有设备建造的传统桩型，其纵横断面通常是不随桩长而变化的圆形或方形桩，其承载力主要由桩侧的摩阻力及桩端的端承力组成。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种cfg变径倒锥台阶型桩以及制备方法和钻具，以解决现有设备所建造的传统桩型结构形式单一，承载力不高的技术问题。

为解决上述技术问题，第一方面，本发明提供一种钻具，其包括：依次同轴套设的外套筒钻具、中间套筒钻具和中心钻具；

所述中心钻具在下端设置有第一联动装置；

所述中间套筒钻具包括依次同轴套设的传动套筒和挡土套筒，所述挡土套筒在上端设置有用于驱动传动套筒升降移动的液压驱动装置，所述挡土套筒在下端设置有第二联动装置，所述传动套筒在上端设置有第三联动装置，所述传动套筒的下端设置有伞状支盘取土装置；

所述外套筒钻具在上端依次设置有第四联动装置、护筒和第六联动装置，所述护筒上设置有第五联动装置。

进一步地，所述中心钻具包括：空心钻杆、可开合的钻头和第一螺旋叶片；所述第一螺旋叶片包括沿所述空心钻杆的轴向自上而下依次设置的大螺旋叶片和小螺旋叶片，所述钻头连接于所述空心钻杆的下端，所述第一联动装置设置于所述钻头上，所述空心钻杆的上端设置有第一法兰盘。

进一步地，所述液压驱动装置包括：液压旋转装置和空心液压油缸，所述液压旋转装置通过滑动支架固定于所述挡土套筒的上端，且通过油管与所述空心液压油缸连接，所述空心液压油缸位于所述液压旋转装置的下面，且所述空心液压油缸的输出端与所述传动套筒的上端连接，所述第三联动装置位于所述传动套筒的上端，且在所述第三联动装置的上端设置有第二法兰盘。

进一步地，所述伞状支盘取土装置包括：带齿斜支撑、伞面和伞面骨，所述带齿斜支撑铰接在所述伞面骨的上端，所述伞面骨的下端通过连接轴与所述挡土套筒连接，所述伞面围设在所述伞面骨的外围，所述带齿斜支撑的上端与所述传动套筒连接；所述伞面骨在所述传动套筒升降动作时带动下能够打开或收拢，且在所述传动套筒上设置有升降限位孔，在所述挡土套筒设置有用于所述升降限位孔配合的限位键块。

进一步地，所述外套筒钻具包括：外套筒和第二螺旋叶片，所述第二螺旋叶片沿所述外套筒的轴向设置于所述外套筒的外壁上，且所述第二螺旋叶自上而下呈直径依次递减的变化；所述外套筒在上端依次设置有第四联动装置、护筒和第六联动装置，所述护筒上设置有第五联动装置，所述第六联动装置位于所述第二螺旋叶片的上面。

进一步地，所述第一联动装置包括键块，所述键块设置于所述中心钻具下端的钻头上；所述第二联动装置包括键槽，所述键槽设置于所述挡土套筒的下端，所述键槽与键块能够相互配合以进行锁定；

所述第三联动装置包括第一四方柱体，所述第一四方柱体同轴设置有截面为圆形的第一套孔，所述第一套孔用于固定在所述传动套筒的上端；所述第四联动装置包括圆柱体，所述圆柱体同轴设置有截面为方形的第二套孔，所述第二套孔用于套入所述第三联动装置；

所述第五联动装置包括第三四方柱体，所述第三四方柱体同轴设置截面为方形的第三套孔，所述第三套孔用于套入所述第六联动装置；所述第六联动装置包括第四四方柱体，第四四方柱体同轴设置截面为圆形的第四套孔，所述第四套孔用于固定在所述外套筒的上端。

为解决上述技术问题，第二方面，本发明还提供一种根据所述钻具制备的cfg变径倒锥台阶型桩，其包括主体桩身，所述主体桩身上设置有至少两个倒锥台阶型体。

进一步地，所述倒锥台阶型体的横截面为圆形，纵剖面为倒梯型。

进一步地，所述倒锥台阶型体的倒圆锥盘斜面延长线与主体桩身中心轴线的夹角角度范围宜为：30°～45°。为解决上述技术问题，第三方面，本发明还提供一种根据所述的钻具以制备cfg变径倒锥台阶型桩的方法，其包括如下步骤：

通过动力装置驱动中心钻具顺时针/逆时针转动，同时向下移动；

在中心钻具的第一联动装置进入中间套筒钻具的第二联动装置时，带动中间套筒钻具同步转动同时向下移动；

在中间套筒钻具上端的第三联动装置接近外套筒钻具的第四联动装置时，由辅助设备卷扬机通过钢丝绳提升护筒，护筒带动提升外套筒钻具，使得外套筒钻具的第四联动装置锁定于中间套筒钻具的第三联动装置上，此时各个联动装置互相锁定；

通过动力装置驱动各个钻具同时顺时针/逆时针转动，并向下移动；

在中间套筒钻具、外套筒钻具钻至各自设计深度时，停止转动；通过动力装置使中心钻具反向转动一下，且利用辅助设备卷扬机提升一下外套筒钻具和中间套筒钻具，让中心钻具的第一联动装置完全脱离中间套筒钻具的第二联动装置；之后辅助设备卷扬机下放护筒使得第五联动装置与第六联动装置锁定，以限制外套筒钻具和中间套筒钻具之间的转动；通过动力装置驱动脱离后的中心钻具继续顺时针/逆时针转动并向下移动钻至设计深度；中心钻具钻至设计深度后，停止转动，提升中心钻具并使其下端钻头打开，砼泵启动，开始压灌砼，边压灌砼边提钻具；

当中心钻具的第一联动装置碰到中间套筒钻具的第二联动装置时，向上提升使得中间套筒钻具的第三联动装置与外套筒钻具的第四联动装置完全脱开，然后停止提升钻具和压灌砼；通过动力装置使中心钻具带动中间套筒钻具顺时针/逆时针转动并缓慢向上移动，同时伞状支盘取土装置通过液压驱动装置、传动套筒逐步打开，以进行取土动作并将弃土输送至挡土钻具中，伞状支盘取土装置取土完毕时伞面收拢，中心钻具和中间套筒钻具停止转动，继续提升钻具同时启动砼泵压灌砼；

当中间套筒钻具下端口的提升键块碰及外套筒钻具底端时，同步提升外套筒钻具，同时压灌砼至设计标高。

采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

本发明提供了一种钻具，该钻具通过设置的伞状支盘取土装置以及各个联动装置可与辅助设备卷扬机相配合，从而能够形成多个倒锥台阶型钻孔，依次提升钻具同时压灌砼得以实现一种cfg变径倒锥台阶型桩。

本发明提供了一种cfg变径倒锥台阶型桩，其承载力不但有传统桩体的桩侧摩阻力及桩端端承力，而且倒锥台阶型体的倒锥圆盘斜面，可把部分垂直竖向向下的力分解为锥面的切向力和法向力，桩周土形成被动受压应力状态和挤扩状态，桩周摩擦力增大，综合提高了单桩的承载力，降低了沉降量。结构改变了功能，该桩的承载力可用太沙基(terzaghi)的地基承载力公式计算。

本发明提供了一种制备方法，该方法通过将钻具与辅助设备卷扬机相结合，从而形成具有上述结构和功能的cfg变径倒锥台阶型桩。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明钻具处于初始状态的结构示意图；

图2为本发明钻具处于提升状态的结构示意图；

图3为本发明中心钻具的结构示意图；

图4为本发明中间套筒钻具在伞状支盘取土装置打开时的结构示意图；

图5为本发明中间套筒钻具在伞状支盘取土装置收拢时的结构示意图；

图6为本发明第三联动装置的结构示意图；

图7为本发明伞状支盘取土装置的结构示意图；

图8为本发明外套筒钻具的结构示意图；

图9为本发明第四联动装置的结构示意图；

图10为本发明第五联动装置的结构示意图；

图11为本发明第六联动装置的结构示意图；

图12为本发明cfg变径倒锥台阶型桩的第一种结构示意图；

图13为本发明cfg变径倒锥台阶型桩的第二种结构示意图；

图14至图21为本发明钻具的施工步骤示意图。

图中，1为卷扬机，2为钢丝绳，3为中心钻具，31为第一法兰盘，32为空心钻杆，33为大螺旋叶片，34为小螺旋叶片，35为第一联动装置，36为钻头，4为中间套筒钻具，41为液压旋转装置，42为滑动支架，43为空心液压油缸，44为螺栓，45为第三联动装置，451为第二法兰盘，46为传动套筒，47为限位键块，48为挡土套筒，49为伞状支盘取土装置，491为带齿斜支撑，492为伞面，493为伞面骨，494为连接轴，410为进土孔，411为提升键块，412为进土孔，413为第二联动装置，5为外套筒钻具，51为第四联动装置，52为第五联动装置，53为第六联动装置，54为第二螺旋叶片，55为外套筒，56为护筒，71为主体桩身，72为倒锥台阶型体；8为砼泵。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

实施例一

结合图1至图2所示，本实施例提供一种钻具，其包括：依次同轴套设的外套筒钻具5、中间套筒钻具4和中心钻具3；所述中心钻具3在下端设置有第一联动装置35；所述中间套筒钻具4包括依次同轴套设的传动套筒46和挡土套筒48，所述挡土套筒48在上端设置有用于驱动传动套筒46升降移动的液压驱动装置，所述挡土套筒48在下端设置有第二联动装置413，所述传动套筒46在上端设置有第三联动装置45，所述传动套筒46的下端设置有伞状支盘取土装置49；所述外套筒钻具5在上端依次设置有第四联动装置51、护筒56和第六联动装置53，所述护筒56上设置有第五联动装置52。该钻具通过设置的伞状支盘取土装置49以及各个联动装置可与辅助设备卷扬机1相配合(具体如何配合参见实施例三)，从而能够形成多个倒锥台阶型钻孔，依次提升钻具同时压灌砼得以实现一种cfg变径倒锥台阶型桩。

结合图3所示，本实施例中，所述中心钻具3包括：空心钻杆32、可开合的钻头36和第一螺旋叶片；所述第一螺旋叶片包括沿所述空心钻杆32的轴向自上而下依次设置的大螺旋叶片33(叶片直径较大)和小螺旋叶片34(叶片直径较小)，当然，可以理解的是，大螺旋叶片33的叶片直径大于小螺旋叶片34的叶片直径；所述钻头36连接于所述空心钻杆32的下端，所述第一联动装置35设置于所述钻头36上，所述空心钻杆32的上端设置有第一法兰盘31，该第一法兰盘31控制中心钻具3上大螺旋叶片33进入中间套筒钻具4的深度，起到一定限位作用。

结合图4至图7所示，本实施例中，所述液压驱动装置包括：液压旋转装置41和空心液压油缸43，所述液压旋转装置41通过滑动支架42(滑动支架42负责中间套筒钻具4升降，固定液压旋转装置41及油管)固定于所述挡土套筒48的上端，且通过油管与所述空心液压油缸43连接，油泵设置于钻机平台之上，通过油管将液压油体输送给空心液压油缸43。所述空心液压油缸43位于所述液压旋转装置41的下面，且所述空心液压油缸43的输出端与所述传动套筒46的上端连接(传动套筒46上端设有螺栓44，负责空心液压油缸43与传动套筒46的连接，把空心液压油缸43动力通过传动套筒46输送给伞状支盘取土装置49)，所述第三联动装置45位于所述传动套筒46的上端，且在所述第三联动装置45的上端设置有第二法兰盘451。

对应地，所述伞状支盘取土装置49包括：带齿斜支撑491、伞面492和伞面骨493，所述带齿斜支撑491铰接在所述伞面骨493的上端，所述伞面骨493的下端通过连接轴494与所述挡土套筒48连接，所述伞面492围设在所述伞面骨493的外围，所述带齿斜支撑491的上端与所述传动套筒46连接；所述伞面骨493在所述传动套筒46升降动作时带动下能够打开或收拢，且在所述传动套筒46上设置有升降限位孔，在所述挡土套筒48设置有用于所述升降限位孔配合的限位键块47，即，限位键块47在升降孔内活动，其功能：控制支盘角度大小；使传动套筒46、挡土套筒48同步旋转。此外，挡土套筒48底端设置有提升键块411，其功能为中间套筒钻具4提升压灌砼时，联动外套筒钻具5同步提升，完成压灌砼至设计标高。

当然，在伞状支盘取土装置49设置部位处，传动套筒46与挡土套筒48同标高处设有多个进土孔410，伞状支盘取土装置49旋扩的弃土通过进土孔410进入挡土套筒48内。

此外，在挡土套筒48下端设置进土孔412及刮刀，刮刀旋刮的弃土由进土孔进入到挡土套筒48内，进土孔内侧上端设有挡土板，防止弃土回落。

结合图8至图11所示，所述外套筒钻具5包括：外套筒55和第二螺旋叶片54，所述第二螺旋叶片54沿所述外套筒55的轴向设置于所述外套筒55的外壁上，且所述第二螺旋叶自上而下呈直径依次递减的变化；所述外套筒55在上端依次设置有第四联动装置51、护筒56和第六联动装置53，所述护筒56上设置有第五联动装置52，所述第六联动装置53位于所述第二螺旋叶片54的上面。护筒56的功能：稳定钻具垂直度；联动装置互相锁定时，传递卷扬机1提拔力，提升外套筒钻具5和中间套筒钻具4。

进一步地，所述第一联动装置35包括键块，所述键块设置于所述中心钻具3下端的钻头36上；所述第二联动装置413包括键槽，所述键槽设置于所述挡土套筒48的下端，所述键槽与键块能够相互配合以进行锁定；

所述第三联动装置45包括第一四方柱体，所述第一四方柱体同轴设置有截面为圆形的第一套孔，所述第一套孔用于固定在所述传动套筒46的上端；所述第四联动装置51包括圆柱体，所述圆柱体同轴设置有截面为方形的第二套孔，所述第二套孔用于套入所述第三联动装置45；此外在第三联动装置45的顶端设有第二法兰盘451，第二法兰盘451直径尺寸大于外套筒钻具5的第四联动装置51正方柱型横截面对角线，其功能：促使联动装置互锁到位；传递中心钻具3竖向下压力给外套筒钻具5。

所述第五联动装置52包括第三四方柱体，所述第三四方柱体同轴设置截面为方形的第三套孔，所述第三套孔用于套入所述第六联动装置53；所述第六联动装置53包括第四四方柱体，第四四方柱体同轴设置截面为圆形的第四套孔，所述第四套孔用于固定在所述外套筒55的上端。在第五联动装置52与第六联动装置53互锁时，限制外套筒钻具5和中间套筒钻具4转动，让中心钻具3的大螺旋叶片33进入中间套筒钻具4，把挡土套筒48内弃土旋出套筒外。

综上，本实施例提供一种钻具，该钻具通过设置的伞状支盘取土装置49以及各个联动装置可与辅助设备卷扬机1相配合，从而能够形成多个倒锥台阶型钻孔，依次提升钻具同时压灌砼得以实现一种cfg变径倒锥台阶型桩。

实施例二

结合图12至图13所示，本实施例还提供一种根据实施例一所述钻具制备的cfg变径倒锥台阶型桩，其包括主体桩身71，所述主体桩身71上设置有至少两个倒锥台阶型体72。优选地，主体桩身71上的各段横截面由上到下不断变化。举例说明：主体桩身71上自上而下设置有三个倒锥台阶型体72，分为两种形式：第一种，在第二个倒锥台阶型体72的上端与主体桩身71之间为斜面连接；第二种，在第二个倒锥台阶型体72与主体桩身71之间为水平面连接。当然，还可以有其他形式，此处不再一一赘述。

进一步地，所述倒锥台阶型体72的横截面为圆形，纵剖面为倒梯型。倒锥台阶型体72的倒圆锥盘斜面，可把部分垂直竖向向下的力分解为锥面的切向力和法向力。

其中，所述主体桩身71侧面与水平面的夹角角度略小于或等于90°。

优选地，所述倒锥台阶型体72的倒圆锥盘斜面延长线与主体桩身中心轴线的夹角角度范围宜为：30°～45°。优选地，所述主体桩身71可根据设计要求桩身中插有钢筋笼。

综上，本实施例的cfg变径倒锥台阶型桩，其承载力不但有传统桩体的桩侧摩阻力及桩端端承力，而且倒锥台阶型体72的倒锥圆盘斜面，可把部分垂直竖向向下的力分解为锥面的切向力和法向力，桩周土形成被动受压应力状态和挤扩状态，桩周摩擦力增大，综合提高了单桩的承载力，降低了沉降量。

实施例三

结合图14至图21所示，本实施例还提供一种根据实施例一所述的钻具以制备cfg变径倒锥台阶型桩的方法，其包括如下步骤：

通过动力装置(例如：动力电机等)驱动中心钻具3顺时针/逆时针转动，同时向下移动；

在中心钻具3的第一联动装置35进入中间套筒钻具4的第二联动装置413时，带动中间套筒钻具4同步转动同时向下移动；

在中间套筒钻具4上端的第三联动装置45接近外套筒钻具5的第四联动装置51时，由辅助设备卷扬机1通过钢丝绳2提升护筒56，护筒56带动提升外套筒钻具5，使得外套筒钻具5的第四联动装置51锁定于中间套筒钻具4的第三联动装置45上，此时各个联动装置互相锁定；

通过动力装置驱动各个钻具同时顺时针/逆时针转动，并向下移动；

在中间套筒钻具4、外套筒钻具5钻至各自设计深度时，停止转动；通过动力装置使中心钻具3反向转动一下(第一联动装置35与第二联动装置413脱离)，且利用辅助设备卷扬机1提升一下外套筒钻具5和中间套筒钻具4(第一联动装置35与第二联动装置413竖向完全分开)，让中心钻具3的第一联动装置35完全脱离中间套筒钻具4的第二联动装置413；之后辅助设备卷扬机1下放护筒56使得第五联动装置52与第六联动装置53锁定，以限制外套筒钻具5和中间套筒钻具4之间的转动，让中心钻具3的大螺旋叶片33进入中间套筒钻具4，把挡土套筒48内弃土旋出套筒外；通过动力装置驱动脱离后的中心钻具3继续顺时针/逆时针转动并向下移动钻至设计深度；中心钻具3钻至设计深度后，停止转动，提升中心钻具3并使其下端钻头36打开(钻机主卷扬提升中心钻具3，空心钻杆32下端钻头36打开，露出出料口)，砼泵8启动，开始压灌砼，边压灌砼边提钻具；

当中心钻具3的第一联动装置35碰到中间套筒钻具4的第二联动装置413时，向上提升使得中间套筒钻具4的第三联动装置45与外套筒钻具5的第四联动装置51完全脱开，然后停止提升钻具和压灌砼；通过动力装置使中心钻具3带动中间套筒钻具4顺时针/逆时针转动并缓慢向上移动，同时伞状支盘取土装置49通过液压驱动装置、传动套筒46逐步打开，以进行旋扩取土动作并将弃土输送至挡土钻具中，伞状支盘取土装置49取土完毕时伞面492收拢，中心钻具3和中间套筒钻具4停止转动，继续提升钻具同时启动砼泵8压灌砼。这部分具体而言，动力电机启动，中心钻具3带动中间套筒钻具4转动并缓慢向上移动带齿伞斜支撑等距离尺寸，在钻具转动同时伞状支盘取土装置49通过液压空心油缸及传动套筒46逐步打开，边上升边旋刮伞面492上部土层，带齿伞斜支撑此时边支撑伞面骨493及伞面492，边刮碎相应土层，刮掉弃土通过进土孔410进入到挡土钻具中。伞状支盘取土装置49取土完毕时伞面492收拢，钻具停止转动，缓慢提升转换为正常提升钻具同时启动砼泵8压灌砼。带齿伞斜支撑与支撑伞骨打开时旋扩出的倒锥台阶型体72(倒圆锥受力盘)纵剖面为倒梯型。注：根据设计要求及土层特性伞状支盘取土装置49可在相应地层设置多个倒锥台阶型体72(倒圆锥受力盘)；

当中间套筒钻具4下端口的提升键块411碰及外套筒钻具5底端时，同步提升外套筒钻具5，同时压灌砼至设计标高(注：钻机主卷扬提升钻具过程中，辅助设备卷扬机1相应配合)。此外，该桩型如用于桩基础中作为基桩，可采取后插筋施工工艺在cfg变径倒锥台阶型桩中插入钢筋笼。值得说明的是，设置倒锥台阶型体72的原则：桩基或地基处理范围内上部存在(地下水位以上)地层结构稳定、压缩性较小、承载力较高、层厚较大的地层时可设置两个或多个倒锥台阶型体72。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。