本发明创造涉及建筑桩基础施工领域。特别涉及一种在螺旋挤土压灌桩施工中，通过扩底形成的一种新型的异径现浇桩的成孔工具及成桩方法。
背景技术：
在现有建筑桩基础施工中，螺旋挤土压灌桩被广泛应用，由于挤土效应的作用，提高了桩周岩土层的极限侧阻力标准值和极限端阻力标准值，特别是桩端持力层为硬岩层，桩的承载能力得到了很大的提高。但对于桩端持力层为中软岩土层的(如全风化岩等)，桩的承载能力较普通长螺旋钻孔压灌桩仅提高了20％～40％左右。所以针对要求大承载力的桩只能通过增大桩径或加长桩深来实现，这就造成成本高、施工工期长等缺陷。若将现有的长螺旋钻孔扩底施工方法用于螺旋挤土压灌桩施工，同样存在扩底时被切削下来的岩土体堆积在桩孔底，如果要清理出孔外地表，需要专用清土器具。一是费时，二是容易塌孔造成事故，特别是地下水位较高的地层，出现事故的可能性更大。如果不清理直接灌注混凝土，孔底虚土过多，直接影响成桩质量，沉降量过大。
技术实现要素：
为了解决以上问题，本发明创造提供一种排土少、承载力高、成本低、施工可操控性好，形成异径现浇桩的旋转挤土扩底钻头及基桩施工方法。
本发明创造采用的技术方案是：旋转挤土扩底钻头，包括接头、螺旋柱体挤土叶片、柱体芯管、轴和钻尖总成，接头与柱体芯管上端同轴组焊成一体，螺旋柱体挤土叶片组焊在接头与柱体芯管所形成的组焊体的外表面，并在下端处设有切削齿Ⅰ；钻尖总成绕安装在柱体芯管底端的轴旋转，通过半圆板关闭或打开柱体芯管的端口；设有可旋转叶片、油缸、直动联杆定位装置、直动联杆和拉链；所述的可旋转叶片安装在螺旋柱体挤土叶片的末端部和切削齿Ⅰ之间，可旋转叶片的一端与安装在柱体芯管上销轴连接，另一端通过开在柱体芯管上的定位开口与柱体芯管活动连接；油缸通过架Ⅰ固定在柱体芯管内壁上，直动联杆定位装置通过架Ⅱ固定在柱体芯管内壁上，油缸与直动联杆定位装置间通过密封圈密封；直动联杆定位装置定位直动联杆；拉链一端固定在可旋转叶片上，另一端固定在直动联杆上，通过拉链保持直动联杆与可旋转叶片始终接触并可相对滑动；油缸带动直动联杆上下移动，直动联杆上下移动带动可旋转叶片的一端旋转相对柱体芯管闭合和打开。
上述的旋转挤土扩底钻头，所述的可旋转叶片由螺旋旋转挤土叶片和平面板构成一体结构；螺旋旋转挤土叶片上设有切削齿Ⅱ，平面板的内缘制有弧形斜面A，可旋转叶片的侧面制出圆弧面，圆弧面与销轴孔同轴心；直动联杆下部对称设有两个斜块，斜块的斜面为弧形斜面B，弧形斜面A与弧形斜面B始终接触；可旋转叶片与直动联杆通过弧形斜面A与弧形斜面B相对滑动。
上述的旋转挤土扩底钻头，可旋转叶片处于闭合状态时，其外径与螺旋柱体挤土叶片外径相同。
上述的旋转挤土扩底钻头，柱体芯管上的定位开口的大小与可旋转叶片中的平面板尺寸相吻合，且保持可旋转叶片绕销轴旋转时，定位开口与可旋转叶片配合间隙均在1.5～2mm 之间。
上述的旋转挤土扩底钻头，设有防渗护套，防渗护套一端固定在直动联杆定位装置上，另一端固定在直动联杆上。
上述的旋转挤土扩底钻头，油缸设有进出油管，由缸筒、螺母、活塞、缸堵、活塞杆和密封件组成；油缸的活塞杆通过直动联杆定位装置与直动联杆采取螺纹副M刚性联接，用顶丝定位锁紧。
上述的旋转挤土扩底钻头，直动联杆定位装置由外套、定位块、端盖和密封件组成；外套内设有导向槽C，供定位块定向移动，定位块通过螺纹副固定在直动联杆上。
上述的旋转挤土扩底钻头，设有锥体芯管和螺旋锥体挤土叶片；锥体芯管的大端与柱体芯管底端同轴组焊，锥体芯管的小端对称设有耳板Ⅲ，轴安装在耳板Ⅲ上，钻尖总成绕轴旋转，通过半圆板关闭或打开锥体芯管的小端口；螺旋锥体挤土叶片下端设有切削齿Ⅲ。
一种基桩施工方法，利用上述的旋转挤土扩底钻头，旋转挤土扩底钻头依次与标准螺旋挤土钻杆和液压油回转器连接，液压油回转器的外壳体固定在动力头上，包括如下步骤：
(一)桩机就位，旋转挤土扩底钻头对准桩位；
(二)启动动力头，顺时针旋转并释放动力头，此时旋转挤土扩底钻头的可旋转叶片处于完全闭合状态，标准螺旋挤土钻杆带动旋转挤土扩底钻头竖向向下作挤压排土钻进，直至设计桩深为止，旋转挤土扩底钻头保持原地同向继续旋转，充分挤压桩孔底岩土层，同时，启动混凝土输送泵向柱体芯管内输送混凝土，并保持扩底施工完成前，桩孔底混凝土压力不低于5MPa；
(三)旋转挤土扩底钻头保持原地同向旋转1～3分钟后，提升旋转挤土扩底钻头 200～350mm，钻尖总成绕轴旋转，半圆板完全打开；旋转挤土扩底钻头原地继续回转1～3 分钟，在桩孔底压力混凝土的作用下，使钻头底端叶片上的岩土充分向上传送；
(四)启动液压控制系统，控制继续旋转的旋转挤土扩底钻头内的油缸工作，油缸内的活塞杆带动直动联杆下移，在下移过程中，驱动可旋转叶片逐渐张开，直至可旋转叶片完全打开；
(五)可旋转叶片完全打开后，慢慢提升旋转挤土扩底钻头，可旋转叶片上的切削齿Ⅱ进行向上扩底切削工作直至扩底设计高度要求；在扩底过程中，切离下来的岩土在桩孔底压力混凝土及旋转挤土扩底钻头的作用下，沿螺旋叶片由下而上传送；
(六)通过液压控制系统，控制油缸内的活塞杆带动直动联杆上移，在上移过程中，驱动可旋转叶片逐渐闭合，直至可旋转叶片完全与柱体芯管闭合；
(七)继续提升旋转挤土扩底钻头和泵送混凝土，保持提升速度与泵送量的相匹配，进行桩身灌注，直至桩顶设计标高，停止动力头旋转、旋转挤土扩底钻头提升及泵送混凝土；
(八)移开旋转挤土扩底钻头，放置钢筋笼入桩孔内，用振动器将钢筋笼压入设计标高，完成一次施工。
通过上述的基桩施工方法，所成基桩为异径现浇桩。
本发明创造的有益效果是：本发明创造设计了可旋转叶片，用柱体芯管内联动机构控制装置来驱动可旋转叶片的张开和关闭，在基础桩施工中，可扩桩底孔制成异径现浇桩。所成桩属部分挤土扩底压灌桩，排土少、承载力高、成本低、施工可操控性好。利用本发明创造所形成的异径现浇桩进一步提高了螺旋挤土压灌桩的承载力，降低成本费用。
附图说明
图1是实施例1旋转柱体挤土扩底钻头结构示意图(可旋转叶片闭合状态)。
图2是实施例1旋转柱体挤土扩底钻头结构示意图(可旋转叶片打开状态)。
图3是实施例2旋转锥体挤土扩底钻头结构示意图(可旋转叶片闭合状态)。
图4是实施例2旋转锥体挤土扩底钻头结构示意图(可旋转叶片打开状态)。
图5是可旋转叶片驱动原理示意图。
图6是可旋转叶片结构示意图。
图7是可旋转叶片完全打开状态时，径向轴剖面示意图。
图8是可旋转叶片驱动部分结构示意图。
图9是直动联杆主视图。
图10是直动联杆俯视图。
图11是标准螺旋挤土钻杆结构示意图。
图12是旋转挤土扩底钻头施工示意图。
具体实施方式
实施例1旋转柱体挤土扩底钻头
如图1、图2、图5-图10所示，旋转柱体挤土扩底钻头，包括接头1、螺旋柱体挤土叶片(2)、柱体芯管(3)、可旋转叶片(4)、轴(5)、钻尖总成(6)、销轴(7)、油缸 (11)、架Ⅰ(12)、直动联杆定位装置(13)、架Ⅱ(14)、直动联杆(15)、拉链(16)和防渗护套(10)。
接头(1)与柱体芯管(3)上端同轴组焊成一体，两条螺旋柱体挤土叶片(2)对称组焊在接头(1)与柱体芯管(3)所形成的组焊体的外表面，并在下端处设有切削齿Ⅰ(2- 1)。
柱体芯管(3)底端对称设有耳板Ⅰ(3-1)，中下部对称设有耳板Ⅱ(3-2)，并设有可供可旋转叶片(4)旋转活动的定位开口(3-3)。轴(5)安装在耳板Ⅰ(3-1)上，销轴 (7)安装在耳板Ⅱ(3-2)。柱体芯管(3)上的定位开口(3-3)的大小与可旋转叶片(4) 中的平面板(4-3)尺寸相吻合，且保持可旋转叶片(4)绕销轴(7)旋转时，定位开口 (3-3)与可旋转叶片(4)配合间隙均在1.5～2mm之间。
钻尖总成(6)绕轴(5)旋转，通过半圆板(6-1)关闭或打开柱体芯管(3)的端口。
可旋转叶片(4)由螺旋旋转挤土叶片(4-2)和平面板(4-3)构成一体结构；构成可旋转叶片(4)外缘的螺旋旋转挤土叶片(4-2)上设有切削齿Ⅱ(4-1)，可旋转叶片(4) 的内缘制有弧形斜面A，可旋转叶片(4)的侧面制出圆弧面D，圆弧面D与销轴孔(4-4) 同轴心。可旋转叶片(4)安装在螺旋柱体挤土叶片(2)的末端部和切削齿Ⅰ(2-1)之间，可旋转叶片(4)的一端与销轴(7)连接，另一端绕销轴(7)旋转并通过柱体芯管 (3)上的定位开口(3-3)与柱体芯管(3)活动连接。可旋转叶片(4)处于闭合状态时，其最大外径与螺旋柱体挤土叶片(2)外径相同。
直动联杆(15)下部对称设有两个斜块(15-1)，斜块(15-1)的斜面为弧形斜面B。弧形斜面B与可旋转叶片(4)上的弧形斜面A始终接触且两弧面接触倾角相吻合；可旋转叶片(4)与直动联杆(15)通过弧形斜面A与弧形斜面B相对滑动。
拉链(16)一端固定在可旋转叶片(4)上，另一端固定在直动联杆(15)的斜块(15- 1)上，通过拉链(16)保持弧形斜面A与弧形斜面B两面始终可靠接触并能相对滑动。
油缸(11)通过架Ⅰ(12)固定在柱体芯管(3)内壁上，油缸(11)设有进出油管，由缸筒(11-1)、螺母(11-2)、活塞(11-3)、缸堵(11-4)、活塞杆(11-5)和密封件组成。
直动联杆定位装置(13)通过架Ⅱ(14)固定在柱体芯管(3)内壁上，直动联杆定位装置(13)由外套(13-1)、定位块(13-2)、端盖(13-3)和密封件组成。外套(13-1)内设有导向槽C，供定位块(13-2)定向移动，定位块(13-2)通过螺纹副固定在直动联杆 (15)上。
油缸(11)与直动联杆定位装置(13)间通过密封圈密封。直动联杆定位装置(13)定位直动联杆(15)。油缸(11)的活塞杆(11-5)通过直动联杆定位装置(13)与直动联杆 (15)采取螺纹副M刚性联接，用顶丝(13-4)定位锁紧。油缸(11)带动直动联杆 (15)上下移动，直动联杆(15)上下移动带动可旋转叶片(4)的一端旋转，相对柱体芯管(3)闭合和打开。
防渗护套(10)是一种可伸缩钢骨架密封件，一端固定在直动联杆定位装置(13)的端盖(13-3)上，另一端固定在直动联杆(15)上。
螺旋柱体挤土叶片(2)和螺旋旋转挤土叶片(4-2)的截面均为梯形结构。
可旋转叶片(4)处于打开状态时，可旋转叶片外缘的螺旋挤土叶片(4-2)的上面与水平面在径向轴平面内成β角，且β＝15～30°之间，可旋转叶片外缘上的切削齿Ⅱ(4-1)与其安装面成δ角，且δ＝105～120°之间。
实施例2旋转锥体挤土扩底钻头
如图3、图4、图5-10所示，旋转锥体挤土扩底钻头，包括接头1、螺旋柱体挤土叶片 (2)、柱体芯管(3)、可旋转叶片(4)、轴(5)、钻尖总成(6)、销轴(7)、锥体芯管 (8)、螺旋锥体挤土叶片(9)、油缸(11)、架Ⅰ(12)、直动联杆定位装置(13)、架Ⅱ (14)、直动联杆(15)、拉链(16)和防渗护套(10)。
其他结构与实施例1的旋转柱体挤土扩底钻头相同，不同之处是：旋转挤土扩底钻头的底部增加了锥体芯管(8)和螺旋锥体挤土叶片(9)。
锥体芯管(8)的大端与柱体芯管(3)底端同轴组焊，锥体芯管(8)的小端对称设有耳板Ⅲ(8-1)，轴(5)安装在耳板Ⅲ(8-1)上，钻尖总成(6)绕轴(5)旋转，通过半圆板(6-1)关闭或打开锥体芯管(8)的小端口；螺旋锥体挤土叶片(9)下端设有切削齿Ⅲ (9-1)。螺旋锥体挤土叶片(9)的截面均为梯形结构。
实施例3基桩施工方法
(一)旋转挤土扩底钻头的工作原理
如图1～10所示，旋转挤土扩底钻头采用大径芯管、截面为梯形的螺旋挤土叶片组合，具有挤压排土的效果。可旋转叶片(4)外缘的螺旋旋转挤土叶片呈螺旋状，设置在柱体芯管的中下部，使在所挤压土体成孔为最大径处进行再次挤扩。其工作原理是：在竖向向下挤土钻进时，可旋转叶片(4)处于闭合状态，其最大外径与螺旋挤土叶片(2)外径相同。此时通过液压控制系统控制油缸(11)的活塞杆(11-5)处于收回状态，可旋转叶片(4)通过拉链(16)被直动联杆(15)向斜上拉紧，并由直动联杆(15)上斜块(15-1)的弧形斜面B小端定位，保持可旋转叶片(4)的稳定状态。钻进到设计孔深后，保持钻具原地回转，使桩孔底岩土层得到充分挤密。然后先泵压灌混凝土，并连续压灌，再提钻具200～ 350mm。钻具保持原地继续回转1～3分钟左右，使钻头底端叶片上的岩土在桩孔底压力混凝土的作用下向上传送。然后通过液压控制系统，驱动继续旋转的钻头内油缸(11)的活塞杆(11-5)向外伸出，带动直动联杆(15)向下移动。斜块(15-1)的弧形斜面B推动可旋转叶片(4)的弧形斜面A，且两弧面相对滑动，致使可旋转叶片(4)绕销轴(7)旋转，实现扩底切削岩土的功能。在下移过程中，驱动可旋转叶片(4)逐渐张开，直至油缸活塞杆(11-5)伸出最大行程，可旋转叶片(4)也就实现最大张开量，到达了最大扩底直径值。此时可旋转叶片(4)中的螺旋旋转挤土叶片(4-2)的上面与水平面在径向轴平面内成β倾角，且β＝15～30°之间，可旋转叶片(4)边缘上切削齿Ⅱ(4-1)的安装角为δ角，且δ＝105～120°之间，切削齿Ⅱ(4-1)在扩底工作中形成了很大的切削前角。从而保证了扩底切削下来的岩土向钻具中心方向移动，并随钻具的转动沿叶片向上传输。最后慢慢提升旋转的钻具，满足扩底段设计高度后，通过液压控制系统，收回油缸(11)活塞杆(11-5)的全行程，从而收回可旋转叶片(4)，完成扩底施工。在扩底过程中，被切削下来的岩土在孔底压力混凝土和旋转钻具的作用下，沿可旋转叶片(4)的上面向螺旋柱体挤土叶片由下而上传递，实现扩底残土及时传走。
扩底是在连续泵压灌混凝土的过程中实现，钻头芯管内充满压力混凝土，利用防渗护套 (10)将直动联杆(15)上部密封，防止水泥浆进入直动联杆定位装置(13)内，确保可旋转叶片(4)张关自如。
(二)旋转挤土扩底压灌桩施工设备
旋转挤土扩底压灌桩的施工是由长螺旋挤土桩机、旋转挤土扩底钻具总成、混凝土输送泵及钢筋笼振动器装置等组成。旋转挤土扩底钻具总成由变径法兰、液压油回转器、标准螺旋挤土钻杆、旋转挤土扩底钻头、液压控制系统等组成。液压油回转器一端通过变径法兰与动力头总成输出法兰相联，另一端通过标准螺旋挤土钻杆与旋转挤土扩底钻头相联。液压油回转器的外壳体固定在动力头的悬挂架上，其上设有进出油接口，通过高压胶管与液压控制系统相联。液压油回转器的内体与钻杆刚性相联，其上设有进出油口，利用高压油管，通过标准螺旋挤土钻杆内管腔与旋转挤土扩底钻头相联。标准螺旋挤土钻杆(如图11)上的叶片截面为梯形，其外缘可根据施工岩土的类别确定缺口的大小，或不设缺口。通常情况下，在饱和性岩土、密实性岩土等可压缩性小的岩土层施工，缺口少设、或设小的、或不设。
(三)旋转挤土扩底压灌桩施工方法，如图12所示
(1)桩机就位，旋转挤土扩底钻头对准桩位，如图12(a)所示；
(2)启动动力头，顺时针旋转并释放动力头，此时旋转挤土扩底钻头的可旋转叶片 (4)处于完全闭合状态，标准螺旋挤土钻杆带动旋转挤土扩底钻头竖向向下作挤压排土钻进，直至设计桩深为止，旋转挤土扩底钻头保持原地同向继续旋转，充分挤压桩孔底岩土层，同时，启动混凝土输送泵向柱体芯管(3)内输送混凝土，并保持扩底施工完成前，桩孔底混凝土压力不低于5MPa，如图12(b)所示；
(3)旋转挤土扩底钻头保持原地同向旋转1～3分钟后，再提升旋转挤土扩底钻头 200～350mm左右，钻尖总成(6)绕轴(5)旋转，半圆板(6-1)完全打开；旋转挤土扩底钻头原地继续回转1～3分钟，在桩孔底压力混凝土的作用下，使钻头底端叶片上的岩土充分向上传送，如图12(c)所示；
(4)启动液压控制系统，控制继续旋转的旋转挤土扩底钻头内的油缸(11)工作，通过直动联杆驱动可旋转叶片打开，作扩底切削。油缸(11)内的活塞杆(11-5)带动直动联杆(15)下移，在下移过程中，驱动可旋转叶片(4)逐渐张开，直至可旋转叶片(4)完全打开；
(5)可旋转叶片(4)完全打开后，慢慢提升旋转挤土扩底钻头，可旋转叶片(4)上的切削齿Ⅱ(4-1)进行向上扩底切削工作，观察提升卷扬钢丝绳位移传感器，直至扩底设计高度要求；在扩底过程中，切离下来的岩土在桩孔底压力混凝土及旋转挤土扩底钻头的作用下，沿螺旋叶片由下而上传送；在此过程同时，保持泵送混凝土的连续性，并满足灌注量与提升速度的匹配度，如图12(c)所示；
(6)扩孔完成后，通过液压控制系统，控制油缸(11)内的活塞杆(11-5)带动直动联杆(15)上移，在上移过程中，驱动可旋转叶片(4)逐渐闭合，直至可旋转叶片(4)完全与柱体芯管(3)闭合；
(7)继续提升旋转挤土扩底钻头和泵送混凝土，保持提升速度与泵送量的相匹配，进行桩身灌注，直至桩顶设计标高，停止动力头旋转、旋转挤土扩底钻头提升及泵送混凝土；
(8)移开旋转挤土扩底钻头，放置钢筋笼入桩孔内，用振动器将钢筋笼压入设计标高，完成一次施工，如图12(d)、(e)。
(四)适用范围
旋转挤土扩底压灌桩适应于回填土、黏性土、粉土、砂土、砂砾、全风化岩、强风化软质岩等岩土层。桩径在450～800mm范围内，桩长在32m之内，扩底直径比桩径增加150～ 400mm，可用于交通工程、工业与民用建筑工程等领域。