专利名称:带有高喷陀螺钻头的成桩机械及其成桩方法
技术领域：
本发明涉及一种建构筑物的桩基础施工机械及施工方法，尤其是一种带有高喷陀螺钻头的成桩机械及其成桩方法。
背景技术：
在建筑、桥梁、市政、水利、码头工程的桩基施工中通常采用螺旋钻成桩，现有的螺旋钻除钻头的一小部分外，其余部分的螺片直径都是相等的且长螺旋钻的螺旋分布长度与桩长等长，其旋转阻力很大。实施大口径长桩施工时，由于其阻力巨大而使动力极高，或不得已缩小桩径、桩长，因此往往不能满足设计要求。而短螺旋钻螺旋部分虽然短，但需分若干次钻进提土，在软土中无法实现。螺旋钻用在沿海的淤泥质粘土中，由于粘性土的清除困难，使其无法应用。带护筒的螺旋钻施打大口径长桩时，拔筒十分困难，且造价极高。现有的螺旋钻靠螺片上提，将孔中土体带出地面，然后再清除，如中国ZL200410094076.1中的方法。
所以，在沿海淤泥、淤泥质粘土、粉质粘土深厚，以及粉细砂护壁困难、风化岩等地质特点的地方，现有的长、短螺旋钻、带套筒的螺旋钻以及钻孔、沉拔管桩机都存在着技术、承载力和成本方面的缺陷。
发明内容本发明所要解决的技术问题是，提供一种可以适用不同地质及承载力要求的，可以不用护筒，不开挖护壁，且能进入一定深度硬土层的成桩机械及其方法，即带有高喷陀螺钻头的成桩机械及其成桩方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种带有高喷陀螺钻头的成桩机械，包括移动系统、底盘、桩架、动力系统、钻杆、钻头和高压注砼系统，钻头位于钻杆的头部，钻头中间部分的螺片为等径螺片，上部螺片和下部螺片直径逐渐减小，形成上、下两个尖，整个钻头为呈陀螺形的陀螺钻头；还装有高压旋喷系统，在钻头上有多个高压旋喷口。
所述多个高压旋喷口为位于陀螺钻头的上部、中部和下部的上高喷口、中高喷口和下高喷口。
所述钻杆为套管钻管，在上高喷口的下方有泥浆上排放口，在下高喷口的上方有泥浆下排放口，套管钻管内套管的内部空间一分为二，一边为高压注砼系统的高压注砼通道，另一边为与泥浆上排放口和泥浆下排放口相通的排泥浆通道，在内外套管之间为高压旋喷通道，高压旋喷通道中设置有与上高喷口、中高喷口和下高喷口相通的上高喷口通道、中高喷口通道和下高喷口通道。
所述高压注砼系统由高压混凝土泵、输砼导管和注砼口构成，输砼导管插入高压注砼通道，通过高压注砼通道和形成在陀螺钻头下尖的注砼口注砼。
在螺片上还设置有止土阀和耙齿。
一种带有高喷陀螺钻头的成桩机械的成桩方法，用于在大口径桩硬土层成桩或护壁成孔困难的液化粉细砂地质中成桩，依次包括以下步骤a.用陀螺钻机钻进，当钻进到达设计深度后，陀螺钻头上尖部的高压旋喷系统开启，利用射流旋转喷射切割土体，使土体成为泥浆后流入泥浆上排放口，沿钻杆内管中的排泥浆通道排出地面；b.在高压旋喷系统开启的同时，同步上提钻头和启动通过陀螺钻头钻尖下部的高压注砼系统，使流态混凝土从通过钻杆内管的高压注砼通道，从钻头下尖的注砼口注入到由陀螺钻等径螺片挤压形成的中部柱体桩孔内，直至达到设计标高，形成素混凝土的桩身。
还包括在混凝土初凝前，将钢筋笼插入素混凝土的桩身。
在步骤a之前还包括当钻进困难时，启动高压旋喷系统，通过下高喷口，用射流切割土体形成泥浆，使泥浆从下排浆口经排泥浆通道至地面，以保证在粉砂硬地层中钻进到设计深度。
在步骤b中还包括提钻并高压注混凝土的同时，启动高压旋喷系统，通过中高喷口向桩周土高压旋喷射入水泥浆，使混凝土桩外形成一定厚度的水泥土体包裹混凝土芯桩，形成混凝土芯桩与其外围的水泥土桩共同组成的组合桩。
本发明的有益效果是1、将现有的螺旋钻头改为上、下两个尖，使其成为陀螺状，再将上部螺片全部去掉，只保留钻杆，这样带陀螺钻头的钻具在钻进、提钻时的扭力和阻力就会降低50～70％，所以施工动力大大降低；反之，在相等动力的条件下，可以加大陀螺钻头的螺径以增大桩径，加大钻杆长度以增加桩长。为超大口径、超长、超大承载力的施工创造了条件，克服了螺旋压灌桩由于阻力极大而使桩长、桩径受限制的局限性。
2、由于陀螺钻头的中间仍保留若干等径螺片，这部分螺片与螺片间的夹土形成一柱状体，整个柱体随钻杆上提时，在陀螺钻头的下部形成一柱状孔。注浆系统同步向此孔注浆。而陀螺钻头的中部柱体则替代了螺旋钻大口径桩中的大径护筒，也替代了钻孔桩中的泥浆护壁。
3、由于本发明设备配有高喷系统和排泥系统，钻进时，用下尖喷射，造泥排泥，保证钻进深度；注砼成桩时用上尖造泥排泥，以保证提钻成孔，注砼成桩，且连续进行。克服了大口径长桩利用普通螺旋钻时靠护筒护壁且往复多次提土的不足，还排除了大口径套管螺旋压灌桩在拔套管时的困难。
总之，高喷陀螺钻一种机械解决了螺旋压灌桩、套管护壁式螺旋压灌桩以及钻孔灌注桩三种工艺各自的或共同的缺陷，使在粉土、粉沙或护壁成孔困难的大口径超长桩及以非开挖、不用护筒的情况下轻巧实现。
图1是本发明的带有高喷陀螺钻头的成桩机械的组成示意图。
图2是本发明的陀螺钻头的结构图。
图3是本发明的陀螺钻头的套管钻管横剖面图。
图4是本发明的带有高喷陀螺钻头的成桩机械的第1种成桩方法示意图。
图5是本发明的带有高喷陀螺钻头的成桩机械的第2种成桩方法示意图。
图中，1、桩架；2、底盘；3、移动系统；4、动力系统；5、套管钻杆；6、高压旋喷注浆系统；8、陀螺钻头；9、等径螺片；10、上部螺片；11、下部螺片；12、注砼口；13、高压注砼通道；4、高压混凝土泵；15、输砼导管；16、排泥浆通道；17、高压旋喷通道；18、上高喷口通道；19、下高喷口通道；20、上高喷口；21、中高喷口；22、下高喷口；23、泥浆上排放口；24、止土阀；25、中高喷口通道；26、耙齿；27、泥浆下排放口。
具体实施方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细说明如图1、2所示，本发明的带有高喷陀螺钻头的成桩机械，包括安装在移动系统3上的底盘2、桩架1、打桩的动力系统4、套管钻管5、陀螺钻头8和高压砼系统，陀螺钻头8位于套管钻杆5的头部，钻头中间部分为等径螺片9，上部螺片10和下部螺片11直径逐渐减小，形成上、下两个尖，整个钻头为呈陀螺形；还装有高压旋喷系统6，在钻头上装有多个高压旋喷口。一般情况下等径螺片9部分的长度为1~2米。
所述多个高压旋喷口为位于陀螺钻头8的上部、中部和下部的上高喷口20、中高喷口21和下高喷口22。
如图3所示，钻杆为套管钻管5，在上高喷口20的下方有泥浆上排放口23，在下高喷口22的上方有泥浆下排放口27，套管钻管5内套管的内部空间一分为二，一边为高压注砼系统的高压注砼通道13，另一边为与泥浆上排放口23和泥浆下排放口27相通的排泥浆通道16，在内外套管之间为高压旋喷通道17，高压旋喷通道17中设置有与上高喷口20、中高喷口21和下高喷口22相通的上高喷口通道18、中高喷口通道25和下高喷口通道19。
高压注砼系统由高压混凝土泵14、输砼导管15和注砼口12构成，输砼导管15插入高压注砼通道13，通过高压注砼通道13和形成在陀螺钻头8下尖的注砼口12注砼。
在螺片上还设置有当钻逆转时起挡土作用的止土阀24和起破碎作用的耙齿26。
下面，对采用上述机械的成桩法分别进行详细说明如图4所示，带有上述高喷陀螺钻头的成桩机械的成桩方法，用于在大口径桩硬土层成桩或护壁成孔困难的液化粉细砂地质中成桩，依次包括以下步骤a.用陀螺钻机钻进，当钻进困难时，启动高压旋喷系统，通过下高喷口，用射流切割土体形成泥浆，使泥浆从下排浆口经排泥浆通道至地面，以保证在粉砂等硬地层中钻进到设计深度。
b.当钻进到达设计深度后，陀螺钻头上尖部的高压旋喷系统开启，利用射流旋转喷射切割土体，使土体成为泥浆后流入泥浆排放口，沿钻杆内管中的排泥浆通道排出地面；c.在高压旋喷系统开启的同时，同步上提钻头和启动通过陀螺钻头钻尖下部的高压注砼系统，使流态混凝土从通过钻杆内管的高压注砼通道，从钻头下尖的注砼口注入到由陀螺钻等径螺片挤压形成的中部柱体桩孔内，直至达到设计标高，形成素混凝土的桩身。
d.在混凝土初凝前，将钢筋笼插入素混凝土的桩身。
当然，如果没有钻进困难，可以省略步骤a。
如图5所示，带有上述高喷陀螺钻头的成桩机械的成桩方法，用于混凝土压注加高压旋喷组成组合桩，依次包括以下步骤a.用陀螺钻机钻进，当钻进困难时，启动高压旋喷系统，通过下高喷口，用射流切割土体形成泥浆，使泥浆从下排浆口经排泥浆通道至地面，以保证在粉砂等硬地层中钻进到设计深度。
b.当钻进到达设计深度后，陀螺钻头上尖部的高压旋喷系统开启，利用射流旋转喷射切割土体，使土体成为泥浆后流入泥浆排放口，沿钻杆内管中的排泥浆通道排出地面；c.在高压旋喷系统开启的同时，同步上提钻头和启动通过陀螺钻头钻尖下部的高压注砼系统，使流态混凝土从通过钻杆内管的高压注砼通道，从钻头下尖的注砼口注入到由陀螺钻等径螺片挤压形成的中部柱体桩孔内，同时启动高压旋喷系统，通过中高喷口向桩周土高压旋喷射入水泥浆，使混凝上桩外形成一定厚度的水泥土体包裹混凝土芯桩，形成混凝土芯桩与其外围的水泥土桩共同组成的组合桩，直至达到设计标高d.在混凝土初凝前，将钢筋笼插入混凝土的桩身。
当然，如果没有钻进困难，可以省略步骤a。
由于混凝土芯桩与其外围的水泥土桩共同组成组合桩，芯桩承受上部荷载；水泥土桩(环状)增大芯桩的侧摩阻力和抗水平推力，此种工法可供芯桩的承载力提高30％~100％或以上，具有极高的经济效益。
综上所述，在密实度很高的粉土、粉砂中，要成大口径的桩，挤土成孔困难或不可能时，它可以利用陀螺钻头上尖上的高喷注浆系统成圆周状靠喷射破坏土体造成泥浆，使泥浆从钻杆内管的排泥通道中向上排出地面，同时向上提钻成孔，设在下尖的注浆系统向孔内同步压注浆等填料成桩，这是现有的长螺旋钻与短螺旋钻都无法实现的。
利用钻头上的高喷注浆系统，可以向桩周土喷射水泥浆或其他任何可以加固土体的材料，使桩周土的密实度、强度提高，从而大大提高桩的竖向承载力和抗水平推力，此功能达到的性价比要比其现有成桩方法优越得多。
上述方法也可用于非开挖管道的施工。
综上所述，本发明的内容并不局限在的实施例中，相同领域内的有识之士可以在本发明的技术指导思想之内可以轻易提出其他的实施例，但这种实施例都包括在本发明的范围之内。
权利要求
1.一种带有高喷陀螺钻头的成桩机械，包括移动系统、底盘、桩架、动力系统、钻杆、钻头和高压注砼系统，其特征在于，钻头位于钻杆的头部，钻头中间部分的螺片为等径螺片(9)，上部螺片(10)和下部螺片(11)直径逐渐减小，形成上、下两个尖，整个钻头为呈陀螺形的陀螺钻头(8)；还装有高压旋喷系统(6)，在钻头(8)上有多个高压旋喷口。
2.根据权利要求
1所述的带有高喷陀螺钻头的成桩机械，其特征在于，所述多个高压旋喷口为位于陀螺钻头(8)的上部、中部和下部的上高喷口(20)、中高喷口(21)和下高喷口(22)。
3.根据权利要求
2所述的带有高喷陀螺钻头的成桩机械，其特征在于，所述钻杆为套管钻管(5)，在上高喷口(20)的下方有泥浆上排放口(23)，在下高喷口(22)的上方有泥浆下排放口(27)，套管钻管(5)内套管的内部空间一分为二，一边为高压注砼系统的高压注砼通道(13)，另一边为与泥浆上排放口(23)和泥浆下排放口(27)相通的排泥浆通道(16)，在内外套管之间为高压旋喷通道(17)，高压旋喷通道(17)中设置有与上高喷口(20)、中高喷口(21)和下高喷口(22)相通的上高喷口通道(18)、中高喷口通道(25)和下高喷口通道(19)。
4.根据权利要求
3所述的带有高喷陀螺钻头的成桩机械，其特征在于，所述高压注砼系统由高压混凝土泵(14)、输砼导管(15)和注砼口(12)构成，输砼导管(15)插入高压注砼通道(13)，通过高压注砼通道(13)和形成在陀螺钻头(8)下尖的注砼口(12)注砼。
5.根据权利要求
3所述的带有高喷陀螺钻头的成桩机械，其特征在于，在螺片上还设置有止土阀(24)和耙齿(26)。
6.一种带有高喷陀螺钻头的成桩机械的成桩方法，用于在大口径桩硬土层成桩或护壁成孔困难的液化粉细砂地质中成桩，依次包括以下步骤a.用陀螺钻机钻进，当钻进到达设计深度后，陀螺钻头上尖部的高压旋喷系统开启，利用射流旋转喷射切割土体，使土体成为泥浆后流入泥浆上排放口，沿钻杆内管中的排泥浆通道排出地面；b.在高压旋喷系统开启的同时，同步上提钻头和启动通过陀螺钻头钻尖下部的高压注砼系统，使流态混凝土从通过钻杆内管的高压注砼通道，从钻头下尖的注砼口注入到由陀螺钻等径螺片挤压形成的中部柱体桩孔内，直至达到设计标高，形成素混凝土的桩身。
7.根据权利要求
6所述的带有高喷陀螺钻头的成桩机械的成桩方法，其特征在于，还包括在混凝土初凝前，将钢筋笼插入素混凝土的桩身。
8.根据权利要求
6所述的带有高喷陀螺钻头的成桩机械的成桩方法，其特征在于，在步骤a之前还包括当钻进困难时，启动高压旋喷系统，通过下高喷口，用射流切割土体形成泥浆，使泥浆从下排浆口经排泥浆通道至地面，以保证在粉砂硬地层中钻进到设计深度。
9.根据权利要求
6或8所述的带有高喷陀螺钻头的成桩机械的成桩方法，其特征在于，在步骤b中还包括提钻并高压注混凝土的同时，启动高压旋喷系统，通过中高喷口向桩周土高压旋喷射入水泥浆，使混凝土桩外形成一定厚度的水泥土体包裹混凝土芯桩，形成混凝土芯桩与其外围的水泥土桩共同组成的组合桩。
专利摘要
本发明公开了一种带有高喷陀螺钻头的成桩机械及其成桩方法，包括移动系统、底盘、桩架、动力系统、钻杆、钻头及高压注砼系统，钻头位于钻杆的头部，钻头中间部分的螺片为等径螺片，上部螺片和下部螺片直径逐渐减小，形成上、下两个尖，整个钻头呈陀螺形；还装有高压旋喷系统，在钻头上有多个高压旋喷口。在粉细砂或液化严重、护壁成孔困难的地层中利用陀螺钻头上端的高压旋喷系统射流切割土体倒成孔自下往上成孔、钻头下端同步注浆法成桩；可以通过钻头高喷系统向桩周土喷射水泥浆作成水泥土桩或与注砼形成的芯桩组成组合桩。成孔不用套筒，动力和造价降低，适用大口径超大承载力桩及非开挖的管道施工。
文档编号E21B10/44GK1995685SQ200710056418
公开日2007年7月11日 申请日期2007年1月8日
发明者雷玉华 申请人:天津雷华科技有限公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan