本发明涉及建筑施工领域，具体涉及一种挤密螺纹大直径筒桩、成桩装置及其施工方法。
背景技术
随着我国工程建设的飞速发展，各类公路，铁路，桥梁等基础建设工程越来越多。在各类工程建设中，对基础工后沉降及不均匀沉降一般都有较高的要求。因此，对地基的处理具有极其重要的工程意义。目前，在软土地基中，当浅埋基础不能满足地基强度和变形要求时常采用桩基础。采用桩基加固软土地基，具有施工速度快，工期短，耗用材料少，施工简便等优点，因此桩基加固逐渐成为应用最为广泛的地基加固方法。
挤密螺纹桩是一种采用常规混凝土灌注和独立的施工工法形成的桩。其桩身周围的螺纹结构使桩土之间作用面增加，从而增大了侧摩阻力。另外，这种螺纹结构还使桩土之间产生一个机械咬合作用，在螺纹段产生抗剪力，大大提高了桩体承载力。挤密螺纹桩具有强度高，工期短，功效高，沉降小，抗震，不污染，施工及成桩质量不受地下水影响等优点，目前已在工程实践中应用成功。但是，挤密螺纹桩不适合做成大直径桩。其一、若做成挤密大直径桩，则需挤压大量周围土体，会产生强烈的挤土效应，导致土体破坏，地面隆起，在群桩中，还会导致邻近已成型的桩产生上浮。其二、由于对土体的挤压程度过大，打桩的阻力也将过大，使得成桩效率降低，施工困难。其三、将挤密螺纹桩做成大直径桩时，混凝土用量大，不利于充分发挥材料性能，且造价较高。
有鉴于此，针对目前挤密螺纹桩不适合做成大直径桩的问题予以研究改良，提供一种挤密螺纹大直径筒桩，旨在通过该技术，达到解决问题与提高实用价值性的目的。
技术实现要素：
本发明目的在于提供一种挤密螺纹大直径筒桩，以解决挤密螺纹桩若做成大直径桩将产生的强烈挤土效应的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种挤密螺纹大直径筒桩，一种大直径筒状的、外侧带有螺纹的、对周围土体产生挤密作用的混凝土灌注桩桩体，所述桩体壁厚为外径大小的18％～25％，所述桩体由混凝土灌注而成，所述混凝土提前配制好并运送至施工现场，施工过程中抽样做混凝土试块，并测定28天龄期抗压强度，抗压强度不小于设计要求；所述桩体下部设有环形桩尖，桩身外周围为粗牙梯形螺纹，所述粗牙梯形螺纹间距为700mm～900mm，螺牙外伸距离为100-150mm，螺牙外侧厚度为60-80mm，螺牙内侧厚度为145-175mm。
进一步的，所述环形桩尖材质为钢材。
本发明还提供了一种挤密螺纹大直径筒桩的成桩装置，所述挤密螺纹大直径筒桩为一种大直径筒状的、外侧带有螺纹的、对周围土体产生挤密作用的混凝土灌注桩桩体，所述桩体壁厚为外径大小的18％～25％，所述桩体由混凝土灌注而成，所述混凝土提前配制好并运送至施工现场，施工过程中抽样做混凝土试块，并测定28天龄期抗压强度，抗压强度不小于设计要求；所述桩体下部设有环形桩尖，桩身外周围为粗牙梯形螺纹，所述粗牙梯形螺纹间距为700mm～900mm，螺牙外伸距离为100-150mm，螺牙外侧厚度为60-80mm，螺牙内侧厚度为145-175mm；所述的挤密螺纹大直径筒桩的成桩装置主体为成孔器，所述成孔器包括内套管，带螺纹的外套管、环形桩尖和受料斗，所述内套管和和外套管通过连接装置连接在一起，外套管上端外侧设有受料斗，所述环形桩尖上端设有凸台，下端为锥形，所述内套管与环形桩尖的内台阶支承面相连，外套管与环形桩尖的外台阶支承面相连，所述内套管、外套管以及环形桩尖的尺寸与桩设计尺寸相对应，带螺纹的外套管外侧螺纹与桩设计螺纹相对应。
本发明还提供了一种挤密螺纹大直径筒桩施工方法，所述挤密螺纹大直径筒桩为一种大直径筒状的、外侧带有螺纹的、对周围土体产生挤密作用的混凝土灌注桩桩体，所述桩体壁厚为外径大小的18％～25％，所述桩体由混凝土灌注而成，所述混凝土提前配制好并运送至施工现场，施工过程中抽样做混凝土试块，并测定28天龄期抗压强度，抗压强度不小于设计要求；所述桩体下部设有环形桩尖，桩身外周围为粗牙梯形螺纹，所述粗牙梯形螺纹间距为700mm～900mm，螺牙外伸距离为100-150mm，螺牙外侧厚度为60-80mm，螺牙内侧厚度为145-175mm；所述的挤密螺纹大直径筒桩的成桩装置主体为成孔器，所述成孔器包括内套管，带螺纹的外套管、环形桩尖和受料斗，所述内套管和和外套管通过连接装置连接在一起，外套管上端外侧设有受料斗，所述环形桩尖上端设有凸台，下端为锥形，所述内套管与环形桩尖的内台阶支承面相连，外套管与环形桩尖的外台阶支承面相连，所述内套管、外套管以及环形桩尖的尺寸与桩设计尺寸相对应，带螺纹的外套管外侧螺纹与桩设计螺纹相对应；所述挤密螺纹大直径筒桩施工方法包括以下步骤：1)、钻机就位，埋好环形桩尖，使成孔器的内外套管分别顶住桩尖的内外台阶支承面；2)、启动钻机，钻进至设计标高；3)、灌注混凝土，提升内外套管；4)、成桩，钻机移位，完成单根桩体的施工。
进一步的，具体步骤如下：
a：预制内套管，带螺纹的外套管及环形桩尖；
b：钻机就位，埋好环形桩尖，使成孔器的内外套管分别顶住桩尖的内外台阶支承面，检验成孔器的垂直度；
c：启动钻机，内外套管同时正向回转并施加向下的加压力，使内外套管同时向下钻进，当沉管达到桩长设计标高时，停止钻进；
d：通过受料斗灌注混凝土，使混凝土落入内外管间的环形空腔中；
e：双管空腔中混凝土达到适量后，启动钻机，反向回转并施加向上的提拔力，边提升双管边灌注混凝土；
f：双管提升至地面后，停止灌注混凝土；
g：清理双管重复利用，钻机移至下一孔位，按上述步骤进行下一桩的施工。
进一步的，所述步骤a中的内外套管的强度需满足施工要求，事先计算施工中套管所需承受最大扭拒，选择钢材和厚度。
进一步的，所述步骤c中正向回转内外套管并施加向下的加压力，控制回转速度与加压力的大小，使回转速度与下沉速度匹配，下沉速度等于回转转速与外套管上螺纹螺距的乘积；所述步骤e中反向回转内外套管并施加向上的提拔力，控制回转速度与提拔力的大小，使回转速度与提升速度匹配，提升速度等于回转转速与外套管上螺纹螺距的乘积。
进一步的，所述步骤e中上提双管后环形桩尖与双管分离，环形桩尖留在底部，与灌注的混凝土共同构成桩体。
进一步的，当采用素混凝土桩不能满足承载力要求，且桩体承受拉力时，需要安置钢筋笼；否者，不需要放置钢筋笼；具体安置钢筋笼的方法是：步骤f混凝土灌注完毕，移开内外套管后，吊起钢筋笼并定位，将钢筋笼插入灌注好的混凝土中。
进一步的，所述钢筋笼由纵向受力钢筋和箍筋焊接而成的圆筒状的钢筋结构，直径为筒桩内外径的平均值。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提供的一种挤密螺纹大直径筒桩，桩体壁厚为外径大小的18％～25％，筒桩能有效控制挤土与孔隙水压，弥补了挤密螺纹桩若做成大直径桩将产生的强烈挤土效应的缺点。本发明将桩体设计为筒桩，大大减少了混凝土用量，降低了工程成本。与同直径实心桩相比，筒状的桩体结构使施工过程产生的挤土效应减少56.2％～67.2％。对于截面积相同的桩来说，筒桩与土体的接触面积远远大于一般桩与土体的接触面积，因此增大了桩侧阻力。同时，桩身周围的粗牙梯形螺纹结构使桩土之间产生紧密的机械咬合作用，使得材料性能得到更充分的利用。桩身外周围带有粗牙梯形螺纹，所述粗牙梯形螺纹间距为700mm～900mm，螺牙外伸距离为100-150mm，螺牙外侧厚度为60-80mm，螺牙内侧厚度为145-175mm，该螺纹结构使桩土之间产生一个机械咬合作用，在螺纹段产生抗剪力，大大提高了桩体承载力。
(2)本发明提供的一种挤密螺纹大直径筒桩，桩体下部设有环形桩尖，在向下钻进的过程中，环形桩尖相当于钻头。内外套管顶住环形桩尖，并在向下钻进的过程中将压力传递给环形桩尖，向下钻进。该环形桩尖与该挤密螺纹大直径筒桩的成桩装置配套使用，便于挤密螺纹大直径筒桩的施工，混凝土浇筑后环形桩尖与成孔器的双管分离，环形桩尖留在底部，与灌注的混凝土共同构成桩体。
(3)本发明还提供了一种挤密螺纹大直径筒桩的施工方法，该施工工艺较为简单，成桩质量稳定，易于控制。成桩过程中，无泥浆污染，不出土，且为弱挤土桩，环境友好。该施工方法能保证施工安全、优质、高效，对于软土地基加固有重要工程意义。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的钻机就位，埋设环形桩尖，连接成孔器示意图；
图2是本发明优选实施例的成孔器向下钻进成孔示意图；
图3是本发明优选实施例的沉管达到设计标高示意图；
图4是本发明优选实施例的向双管空腔灌注混凝土示意图；
图5是本发明优选实施例的反向回转提升双管示意图；
图6是本发明优选实施例的双管提升至地面示意图；
图7是本发明优选实施例的钻机移位，放置钢筋笼，完成单桩施工示意图；
图8是本发明优选实施例的内外套管与环形桩尖连接示意图。
其中，1、内套管；2、带螺纹外套管；3、外套管外侧螺纹；4、环形桩尖；5、连接装置；6、受料斗；7、混凝土；8、钢筋笼；9、成桩后桩体；10、内台阶支承面；11、外台阶支承面。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
参见图1至图7，一种挤密螺纹大直径筒桩，主体为一种大直径筒状的、外侧带有螺纹的、对周围土体产生挤密作用的混凝土灌注桩桩体，所述桩体壁厚为外径大小的18％～25％，常用外径为800mm，1000mm，1200mm，1500mm等。所述桩体由混凝土灌注而成，所述混凝土提前配制好并运送至施工现场，施工过程中抽样做混凝土试块，并测定28天龄期抗压强度，抗压强度不小于设计要求。其中，复合地基筒桩增强体混凝土强度等级不宜低于c15，建筑筒桩混凝土强度等级不宜低于c30。所述桩体下部设有环形桩尖，优选的，所述环形桩尖材质为钢材。桩身外周围为粗牙梯形螺纹，所述粗牙梯形螺纹间距为700mm～900mm，螺牙外伸距离为100-150mm，螺牙外侧厚度为60-80mm，螺牙内侧厚度为145-175mm，该螺纹结构使桩土之间产生一个机械咬合作用，在螺纹段产生抗剪力，大大提高了桩体承载力。与同直径实心桩相比，本发明提供的壁厚为外径大小的18％～25％筒状的桩体结构使施工过程产生的挤土效应减少56.2％～67.2％。桩体壁厚过小，易导致桩体承载力不足，壁厚为外径10％的桩与壁厚为外径20％的桩相比，桩体极限承载力减少了40％～50％，在大荷载或偏心压力作用下，桩体易发生破坏，且壁厚过小，对施工要求较高，不便于施工。桩体壁厚过大，会产生强烈的挤土效应，且混凝土用量增加，壁厚为外径30％的桩与壁厚为外径20％的桩相比，挤土效应增加了41.2％，混凝土用量增加了31.3％，强烈的挤土效应会导致钻孔阻力增大，施工困难，混凝土用量过大则不利于充分发挥材料性能。
本发明还提供了一种挤密螺纹大直径筒桩的成桩装置，其主体为成孔器，所述成孔器包括内套管，带螺纹的外套管、环形桩尖和受料斗，所述内套管和和外套管通过连接装置连接在一起，外套管上端外侧设有受料斗，所述环形桩尖上端设有凸台，下端为锥形，所述内套管与环形桩尖的内台阶支承面相连，外套管与环形桩尖的外台阶支承面相连，如图8所示。所述内套管、外套管以及环形桩尖的尺寸与桩设计尺寸相对应，带螺纹的外套管外侧螺纹与桩设计螺纹相对应。
使用该挤密螺纹大直径筒桩的成桩装置对该挤密螺纹大直径筒桩进行施工，具体步骤如下：
步骤a：根据桩体设计尺寸制作内套管1、带螺纹3及受料斗6的外套管2和环形桩尖4。例如，当桩体内外直径分别为600mm和1000mm，桩体壁厚为200mm。内套管直径为600mm，外套管直径为1000mm，外套管外侧带有粗牙梯形螺纹，螺纹螺距为800mm，螺牙外伸120mm，螺牙内外侧厚度分别为70mm和160mm。
步骤b：钻机就位，埋好环形桩尖4，使成孔器的内外套管1和2分别顶住桩尖4的内外台阶支承面，检验成孔器的垂直度。
步骤c：启动钻机，内外套管1和2同时正向回转并施加向下的加压力，使内外套管1和2同时向下钻进。控制回转速度与加压力的大小，使回转速度与下沉速度匹配，下沉速度等于回转转速与外套管2上螺纹3螺距的乘积。即双管1和2每转动一周，应下沉一个螺距的高度。当沉管1和2达到桩长设计标高时，停止钻进。
步骤d：通过受料斗6灌注混凝土7，使混凝土7落入内外管1和2之间的环形空腔中。
步骤e：双管1和2空腔中混凝土7达到适量后，启动钻机，反向回转并施加向上的提拔力，边提升双管边灌注混凝土7。控制回转速度与提拔力的大小，使回转速度与提升速度匹配，提升速度等于回转转速与外套管2上螺纹3螺距的乘积。即双管1和2每转动一周，应提升一个螺距的高度。
步骤f：双管1和2提升至地面后，停止灌注混凝土7。
当采用素混凝土桩不能满足承载力要求，且桩体承受拉力时，需要安置合适的钢筋笼。否者，不需要放置钢筋笼。具体是：步骤f混凝土灌注完毕，移开内外套管后，马上吊起钢筋笼并定位，将钢筋笼插入灌注好的混凝土中。所述钢筋笼由纵向受力钢筋和箍筋焊接而成的圆筒状的钢筋结构，直径为筒桩内外径的平均值。
步骤g：清理双管重复利用，钻机移至下一孔位，按上述步骤进行下一桩的施工。
本发明所提供的挤密螺纹大直径筒桩施工方法，施工工艺较为简单，成桩质量稳定，易于控制。成桩过程中，无泥浆污染，不出土，且为弱挤土桩，环境友好。该施工方法能保证施工安全、优质、高效，对于软土地基加固有重要工程意义。
根据本发明所提供的施工方法，形成一种大直径筒状的、外侧带有螺纹的、对周围土体产生挤密作用的混凝土灌注桩桩体。桩体为筒状，大大减少了混凝土用量，降低了工程成本。桩身外周围带有粗牙梯形螺纹，螺纹结构使桩土之间产生一个机械咬合作用，在螺纹段产生抗剪力，充分利用材料性能，大大提高了桩体承载力，具有重要的工程意义和推广应用价值。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。