一种黄土地区静压扩底桩旋切挤扩装置及其施工方法

1.本发明属于扩底桩设备技术领域，具体涉及一种黄土地区静压扩底桩旋切挤扩装置及其施工方法。


背景技术：

2.扩底桩因其抗倾覆能力较强而被广泛应用于西部输电线、桥梁桩基等工程中，目前，扩底桩的施工方法主要包括钻孔灌注扩底桩和高压旋喷扩底桩两类，前者施工工序较为复杂，且对钻孔周围土体扰动较大；后者虽然可以确保边旋喷边扩底，但施工过程中引起的误差较大，且施工噪音、泥浆等对环境污染较大，加之泥浆水浸入湿陷性黄土层中还会使得桩侧负摩阻力增大，从而影响桩基承载性能。采用静压法施作扩底桩能有效解决上述问题，但采用预制扩底桩进行施工时，由于扩大端的存在，难以直接用静压法施工，因此，设计一种黄土地区静压扩底桩旋切挤扩装置尤为重要。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种黄土地区静压扩底桩旋切挤扩装置，使得桩周黄土得到有效挤密，从而降低黄土湿陷性。
4.本发明的另一目的在于提供一种黄土地区静压扩底桩旋切挤扩装置的施工方法。
5.本发明所采用的技术方案是，一种黄土地区静压扩底桩旋切挤扩装置，包括模具桩，模具桩由多个螺纹连接的直桩单元筒和扩大端旋切结构组成，位于直桩单元筒底部的直桩筒内部设置有电机，直桩筒的底端设置有环形导轨，扩大端旋切结构包括四片曲面旋切刀片，四片曲面旋切刀片围在一起形成倒圆锥形桩尖，倒圆锥形桩尖的顶部与环形导轨通过圆弧形合页铰接；每个曲面旋切刀片上均固定有液压杆，液压杆的输出端伸向曲面旋切刀片的内壁，四根液压杆的非顶进端部均固定在支座上，电机的电机转轴底端固定在支座的中心位置处。
6.本发明的特点还在于，
7.电机通过支架固定在直桩筒内壁。
8.本发明所采用的另一技术方案是，一种黄土地区静压扩底桩旋切挤扩装置的施工方法，具体为：
9.步骤1，在测定好的桩位埋设护筒，然后将旋接之后的部分模具桩体用抱压机压入地基土中，待地面以上未压入土中的桩高适合旋接直桩单元筒时，停止压入，进行旋接作业，旋接与压入交替进行，重复循环上述施工过程，直至压入的桩长达到设计要求时，停止直桩筒的旋接和压入，直桩段的成孔作业完成；
10.步骤2，液压杆的四个输出端同时输出顶进，推动四片曲面旋切刀片向四个方向挤扩，直至达到设计的扩底角度要求，进行初步支护后控制液压杆缓慢收缩，液压杆收缩带动四片曲面旋切刀片向内聚合，形成圆锥形桩尖形式，第一次挤土完成；
11.步骤3，聚合完成后，使四片曲面旋切刀片水平转动一定角度，电机3带动四片曲面
旋切刀片沿着环形导轨转动；旋转一定角度之后，再次进行挤土，在收尾阶段，进行最后一次挤土后，四片曲面旋切刀片达到所设计的挤扩角度时，保持液压杆伸缩长度不变，即保持扩底角度不变，启动电机，通过转轴和液压杆的传动，带动四片曲面旋切刀片沿环形导轨进行水平旋转，对未挤到的土体进行旋切，使扩大头形成一个类圆台体空间，至此，扩底作业完成；
12.步骤4，在扩底完成后，下放旋喷头和输浆导管至模具桩底部，然后收缩液压杆长度以带动各曲面旋切刀片向内聚合，之后缓慢拔出并拆卸拔出地面以上的直桩筒，待模具桩全部拔出后，进行清孔作业，清孔完成后进行灌注作业，采用边振动边灌注的方法，待灌注完成后，撤出孔口位置的护筒，至此静压模具灌注扩底桩施工完成。
13.本发明的有益效果是，采用扩底模具进行静压法施工的扩底桩达到压桩和成孔的目的，随着桩模具的压入使得桩周黄土得到有效挤密，降低湿陷性，从而提高单桩承载力。采用扩大端旋切工具进行扩大端成孔可降低扩大端人工施工的风险，实现机械化、标准化扩大端生成，成孔后模具可撤出进行二次利用，减小工程成本。由于旋切挤扩作用，桩周土掉落较少，降低清孔的工作量，施工工序也较为简单，从而提高施工效率。
附图说明
14.图1是本发明一种黄土地区静压扩底桩旋切挤扩装置的模具桩示意图；
15.图1-1是本发明一种黄土地区静压扩底桩旋切挤扩装置中直桩筒的结构示意图；
16.图1-2是本发明一种黄土地区静压扩底桩旋切挤扩装置中底部直桩筒的结构示意图；
17.图2是本发明一种黄土地区静压扩底桩旋切挤扩装置挤扩示意图；
18.图3是本发明一种黄土地区静压扩底桩旋切挤扩装置中液压杆的结构示意图；
19.图4是本发明一种黄土地区静压扩底桩旋切挤扩装置中曲面旋切刀片示意图；
20.图5是本发明一种黄土地区静压扩底桩旋切挤扩装置中旋切刀片转动示意图；
21.图6是本发明一种黄土地区静压扩底桩旋切挤扩装置进行挤扩作业示意图；
22.图7是本发明一种黄土地区静压扩底桩旋切挤扩装置挤扩完成效果图；
23.图8是本发明一种黄土地区静压扩底桩旋切挤扩装置的旋切示意图。
24.图中，1.直桩单元筒，2.直桩筒，3.电机，4.转轴，5.液压杆，6.曲面旋切刀片，7.环形导轨。
具体实施方式
25.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
26.本发明一种黄土地区静压扩底桩旋切挤扩装置，如图1所示，为模具桩的整体轮廓示意图，模具桩是由多个如图1-1所示的可螺旋接高的直桩单元筒1和如图1-2所示的旋切扩底装置通过螺纹旋接共同组成。其中直桩单元筒1通过旋接不同数量的直桩筒2来满足不同的桩长设计要求。位于直桩单元筒1底部的直桩筒2内部设置有电机3，电机3通过支架固定在直桩筒2内壁。
27.如图2～图4所示，直桩筒2的底端设置有环形导轨7，扩大端旋切结构包括四片曲面旋切刀片6，四片曲面旋切刀片6围在一起形成倒圆锥形桩尖，该倒圆锥形桩尖的顶部与
环形导轨7通过圆弧形合页铰接；每个曲面旋切刀片6上均固定有液压杆5，液压杆5的输出端伸向曲面旋切刀片6的内壁，四根液压杆5的非顶进端部均固定在支座上，电机3的转轴4的底端固定在支座的中心位置处；挤扩原理如图2所示，液压杆5的四个输出端同时输出顶进，推动四片曲面旋切刀片6切削土体的同时向外挤扩，完成扩大端旋切生成和挤土动作。
28.转动原理如图5所示，电机3提供转力带动转轴4旋转，转轴4的底端与支座焊接固定，切削时电机3带动四片曲面旋切刀片6沿着环形导轨7转动，以实现对不同角度区域的土体进行旋切和挤扩作业。
29.具体操作步骤为：在测定好的桩位埋设护筒，然后将旋接之后的部分模具桩体用抱压机压入地基土中，待地面以上未压入土中的桩高适合工人旋接直桩筒时，停止压入，工人进行旋接作业，旋接与压入交替进行，重复循环上述施工过程，直至压入的桩长达到设计要求时，停止直桩筒的旋接和压入，直桩段的成孔作业完成。
30.如图6所示，在直桩段成孔作业完成后，桩长达到了设计要求，则进行扩底作业。挤扩原理如图2所示，液压杆5的四个输出端同时输出顶进，推动四片曲面旋切刀片6向四个方向挤扩，直至达到设计的扩底角度要求，如图7所示。进行初步支护后控制液压杆5缓慢收缩，液压杆5收缩带动四片曲面旋切刀片6向内聚合，形成圆锥形桩尖形式，第一次挤土完成。
31.聚合完成后，使四片曲面旋切刀片6水平转动一定角度，转动原理如图5所示，电机3提供转力带动转轴4旋转，转轴4的底端又与支座焊接固定，所以电机3带动四片曲面旋切刀片6沿着环形导轨7转动；旋转一定角度之后，再次进行挤土，挤扩原理与第一次挤土过程相同；可根据扩孔的优劣程度，依次转动角度，进行多次的挤土过程，尽可能使扩大头空间的挤土过程对称、有序进行，使所挤扩的空间对称、均匀分布。
32.进行最后一次挤土后，如图8所示，四片曲面旋切刀片6达到所设计的挤扩角度时，保持液压杆5伸缩长度不变，即保持扩底角度不变，启动电机3，通过转轴4和液压杆5的传动，带动四片曲面旋切刀片6沿环形导轨7进行水平旋转，对未挤到的土体进行旋切，使扩大头形成一个比较完整的类圆台体空间，至此，扩底作业完成。
33.在扩底完成后，下放旋喷头和输浆导管至模具桩底部，然后收缩十字形液压杆长度以带动各旋切刀片向内聚合；在拔桩过程中，缓慢提拉并拆卸拔出地面以上的直桩单元筒；若拔出地面的桩体高度过长，地面以上的桩体重量会对拔桩机进行拔桩作业增加负荷，通过螺旋拆卸地面以上的直桩单元筒，减轻拔桩机的负荷。
34.当压入的桩身过长，在拔桩时桩体与桩周土会产生较大的负摩阻力，造成的的危害一是增大了拔桩机的负荷，二是可能会带动桩周土体向上变形或移动，甚至造成塌孔，对此主要采取的措施有：1、桩身外表面尽可能选用表面光滑的材料，或对桩身外表面进行打磨抛光处理。2、在进行压入作业前，对桩身外表面涂刷凡士林等其它润滑材料。通过降低桩体外表面的粗糙程度，以此来降低拔桩时产生的负摩阻力，有效避免上述危害。
35.在缓慢提升模具桩的同时，位于桩底部的旋喷头进行旋喷作业，喷射混凝土护壁，对孔壁进行先期支护，模具桩的提升速度与旋喷头的提升速度应保持一致。待模具桩全部拔出后，停止旋喷作业，撤出旋喷头，检查孔底渣土的沉淀厚度，若超过规定，则进行一次清孔作业，清孔完成后，下放钢筋笼及注浆导管进行灌注作业，采用边振动边灌注的方法，待灌注完成后，撤出孔口位置的护筒，至此静压模具灌注扩底桩施工完成。
36.本发明较传统钻孔灌注扩底桩和高压旋喷扩底桩的施工方法具有以下优点：
37.采用旋切与挤扩相结合的方法进行扩大端施工，可降低扩大端人工施工的风险，实现机械化、标准化扩大端生成，还可有效减小清孔作业量，是一种低振动、小噪音、无污染的压桩扩底方法。采用静压法将桩模具压入并旋切扩大端成孔，使得桩周黄土得到有效挤密，降低黄土湿陷性，从而提高单桩承载力。模具桩的直桩由若干段单元直桩筒螺旋拼接组成，单元直桩筒便于运输、储存、搬运和拆卸，通过螺旋接高，可满足不同桩长的设计要求。通过控制液压杆不同的伸缩长度，可满足对不同扩底角度的施工要求，具有灵活施工的特点。采用刚性送桩器进行抱压将本发明的桩模具压入土中，模具桩达到指定高程时，在模具桩底部通过旋切挤扩装置进行扩底作业，待完全成孔后，再将桩体模具用抱压机拔出，实现了一机两用，节约压桩成本，简化施工流程。成孔后模具可撤出进行二次利用，减小工程成本。