适用于珊瑚岛礁地质的旋转钢管桩的制作方法

本实用新型涉及海洋工程技术领域，涉及珊瑚岛礁地质的岩土加固与基础承载，特别是一种适用于珊瑚岛礁地质的旋转钢管桩。

背景技术：

我国南海的岛礁基本上由珊瑚礁构成，珊瑚礁几乎是我国在南海唯一的陆地国土类型，目前在南海所有的军事、渔政设施无一例外都建在珊瑚礁上，因此解决珊瑚岛礁上的工程建设难题具有重要的国家战略意义。

珊瑚礁是由造礁珊瑚群体死亡后，其遗骸经过破坏，搬运，堆积以及胶结等作用而形成的特殊岩土体，其主要成分为碳酸钙，地层多由钙质砂组成。由于其特殊的生物成因，珊瑚礁岩土具有密度低、多孔隙、易破碎、高压缩、结构性强、脆性大、强度各向异性以及颗粒间易产生胶结现象等工程特性，加之周边海水介质的影响，导致其与常规的陆地岩土之间存在很大的差异性。据探测，岛礁地基大都由钙质砂组成，颗粒质脆，在剪切作用(如垂直向下贯入)下会导致大量的颗粒破碎，砂砾棱角的折断和颗粒间的研磨，大大影响钙质砂的力学承载特性，其岩土性能指标，如地基承载力允许值，桩侧摩阻力标准值等都相比于普通陆地岩石性能指标较低，大大影响了打入桩基的抗拔、抗弯承载力。大量的试验和工程实例表明，基于常规岩土地质的桩基础成桩工法在钙质砂土中是不适用的。

另外，成桩工法对桩侧摩阻力影响较大。由于钙质砂挤土加密效应不明显，打入桩基的桩侧摩阻力和桩端阻力较低，这直接导致了珊瑚礁岩土钙质砂桩基承载力低。因此，改变传统成桩方式，减小前期贯入桩基时对岛礁钙质砂颗粒破碎和结构破坏程度，避免钙质砂地层因巨大应力发生结构断裂甚至塌陷的危险；后期辅以注浆技术，将固化浆液材料通过注浆机注入桩基附近地层颗粒内部，增强地层强度，将管桩与地基固化成一个整体，降低地层渗透性，防止地基发生沉降、变形破坏，这是解决当前问题的重要研究方向，目前针对珊瑚礁地质的桩基础施工方法较少。

专利号cn201620547227.2的“适用于珊瑚礁地质的钢管桩”专利以及专利号cn201610403979.6的“适应于珊瑚礁地质的钢管桩及其注浆方法”专利中采取的方法是钻孔灌注成桩工艺，专利着重描述打入钢管之后的如何灌浆加固以提高珊瑚礁地质中基础承载力。

专利号cn201610383294.x的“适用于深水以及珊瑚礁地质的钢管复合桩基础”专利，描述了一种混凝土桩体及在桩体外部增加钢护筒结构，以达到增加基础承载力尤其是水平承载力的目的。

上述方法虽然可以部分提高后期珊瑚礁地质中桩基础承载力，但都忽略了前期钻机钻孔时对珊瑚礁地层土体的扰动甚至结构的破坏，这对珊瑚礁地质中桩基础承载力有着十分重要的影响。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了在安装钢管桩时，对珊瑚礁地层钙质砂土颗粒破碎过大，结构破坏严重，造成打入桩安装失败或成桩后周边钙质砂地层结构不稳定，承载力过低等问题，设计了一种适用于珊瑚岛礁地质的旋转钢管桩。

实现上述目的本实用新型的技术方案为，一种适用于珊瑚岛礁地质的旋转钢管桩，包括圆柱形的桩体，所述桩体为中空状；连接顶盖，设置于所述桩体的顶端，用于连接旋转动力设备、反循环吸力装置和注浆设备；数组锯齿组，设置于所述桩体的底端，用于破碎和钻进地层。

进一步的，所述锯齿组包括内锯齿和外锯齿，所述内锯齿设置在桩体的内侧，所述外锯齿设置在桩体的外侧，所述内锯齿和外锯齿形成倒置的羊角状。

进一步的，所述外锯齿的外顶边与桩体的侧壁斜角设置，所述内锯齿的外顶边与桩体的侧壁斜角设置。

进一步的，所述外锯齿的外顶边与桩体的侧壁斜角为45°角，所述内锯齿的外顶边与桩体的侧壁斜角为45°角。

进一步的，所述锯齿组还包括中锯齿，所述中锯齿设置在桩体侧壁的正下方。

进一步的，所述连接顶盖为外螺纹盖。

进一步的，所述锯齿组的数量是6个。

进一步的，所述桩体的壁厚与外径比为0.05-0.2。

一种适用于珊瑚岛礁地质的旋转钢管桩的使用方法，包括以下步骤：

a：利用连接顶盖将桩体安装到外部动力机械装置上，确定桩体的打入位置；

b：利用锯齿组对珊瑚礁地层土体进行环形钻进破碎，形成环形破碎带；同时：沿桩体外壁向下注入泥浆，使泥浆与碎渣混合，沿桩体内壁在锯齿组处注入压缩空气，使桩体内外形成压力差，混合后的泥浆与碎渣沿桩体内壁上升并排出，在桩体内外壁形成通道；

c：桩体到达目标位置且碎渣清除后，停止注入泥浆，沿通道注入浆液，待通道孔口溢出浆液后停止注入浆液；

d：将桩体和外部动力机械装置分离。

进一步的，所述步骤b中，将混合后的泥浆与碎渣收集到沉淀池，经沉浆池沉淀净化后，再循环使用泥浆。

本实用新型的有益效果是：旋转钻进可以减小下贯阻力，有效减少对地基周围钙质砂土层扰动及结构破坏；钢管桩清孔排渣，压力可以使泥浆细小颗粒渗入钙质砂空隙，填满结构细小间隙，增强中心留土的承载力。钻进清孔完毕后，形成注浆通道，沿通道注入浆液，进行注浆加固，增强珊瑚礁地层强度，提高地基承载力。最大程度减小对钙质砂地层的扰动，保护钙质砂地层结构稳定性同时创造出注浆通道，辅以注浆技术将钢管桩与钙质砂地层紧密结合，从而增强地层强度和增强地基承载力。

附图说明

图1是本申请钢管桩的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是图2中a-a处的剖视图。

图4是钢管桩下钻的状态示意图；

图5是钢管桩清渣结束的状态示意图；

图6是钢管桩注浆的状态示意图。

以上各图中，1、钢管桩；2、连接顶盖；3、锯齿组；31、内锯齿；32、外锯齿；33、中锯齿。

具体实施方式

为更进一步阐述本实用新型为达成预定实用新型目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本实用新型的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下：

一种适用于珊瑚岛礁地质的旋转钢管桩，如图1至图3所示，包括圆柱形的桩体1，该桩体1为中空状，中空的桩体用于注入浆体，该桩体1的桩口大小与桩壁厚度视实际工程需要决定，根据试验，桩体1的壁厚与外径比为0.05-0.2，能够取得较好的使用效果。在桩体1的顶端设置连接顶盖2，该连接顶盖2用于连接外部旋转动力设备、反循环吸力装置和注浆设备，其可以是外螺纹盖，该桩体1的向下旋转方向应当和连接顶盖2的锁紧方向相同，以防桩体1在向下旋转过程中脱落。

在桩体1的底端设置数组锯齿组3，其用于破碎和钻进地层。该锯齿组3均为一次性不回收的锯齿结构，焊接在桩体1的底端，其尖部向下。该锯齿组3包括内锯齿31和外锯齿32，内锯齿31设置在桩体1的内侧，外锯齿32设置在桩体1的外侧，其大小视桩体的口径而定，约为桩体口径的1％—10％，内锯齿31和外锯齿32呈倒三角型，内锯齿31和外锯齿32形成倒置的羊角状，外锯齿32的外顶边与桩体1的侧壁斜角设置，内锯齿31的外顶边与桩体1的侧壁斜角设置，上述斜角为45°该斜角可以根据实际情况进行设计，在此不做具体的限定。桩体1在向下旋转过程中，桩体1侧壁的两侧均对珊瑚礁地质进行切割，在其侧壁的两侧均形成一个环形腔，以此保证桩壁周边土体全部被破碎，提升钢管桩贯入速度，保证成桩质量，节省施工时间。图中，锯齿组3的数量是6个，该数量需要根据锯齿组3的材料、结构以及珊瑚礁等多重因素进行考虑。在上述基础上，所述锯齿组3还包括中锯齿33，该所述中锯齿33设置在桩体1侧壁的正下方，其与内锯齿31和外锯齿32组成放射状的钻角，提高桩体1的下钻效果。

该旋转钢管桩在使用时，将其安装在一个能够提供向下旋转的动力装置上就行。在钢管桩旋转钻进时，破碎钢管桩管壁两侧临近土体，旋转钻进，明显减小下贯阻力，同时最大程度保护原有珊瑚礁钙质砂地层原有结构，避免地层钙质砂结构在受到巨大冲击应力时结构断裂，防止成桩倾斜甚至失败，同时保持珊瑚礁地层原有结构完整性，提高后期基础承载力。

针对本申请的旋转钢管桩，提供了一种使用方法，其主要思路是：以钢管桩自身作为掘进机构，简化工序；桩体旋转钻进，既减小管桩下贯阻力，又能够有效减少对钻坑周围地层钙质砂土层扰动及结构破坏，避免影响其他临近位置成桩；管壁内外侧及底部设置锯齿结构，能够破碎管壁内外两侧土体；钻进与清孔工序同时进行；完毕后钢管桩内外壁及底部形成注浆通道，沿通道注入浆液，与钢管中心、底部和外部地基土体结合，增强珊瑚礁地层强度，提高地基承载力，具体的参考图4至图6，包括以下步骤：

a：利用连接顶盖2将桩体1安装到外部动力机械装置上，确定桩体1的打入位置。

b：利用锯齿组3对珊瑚礁地层土体进行环形钻进破碎，形成环形破碎带；同时：沿桩体1外壁向下注入泥浆，使泥浆与碎渣混合，通过空气压缩机，沿桩体1内壁在锯齿组3处注入压缩空气，使桩体1内外形成压力差，混合后的泥浆与碎渣沿桩体1内壁上升并排出，在桩体1内外壁形成通道。在钢管桩内形成“视密度”比泥浆还要小的气、沙、浆混合物，使钢管桩内外形成较大的压力差，外侧的泥浆压力推动钢管桩内侧的气、沙、浆混合物与部泥浆一起沿钢管桩内壁上升并排出，从而达到清除桩底沉渣的效果。清孔过程中，泥浆混合液在巨大压力作用下自下而上沿桩体1内壁向上流动，流动过程中，泥浆中的细小颗粒在压力作用下渗透到桩体1内部中心未被破碎的、保留完整的钙质砂土柱，填满钙质砂的结构孔隙，待后期凝固后，提高其强度和承载力，且该方法与其他清孔换浆方法相比，所需设备简单，泥浆用量最少，时间最快，更适宜在远离陆地的珊瑚岛礁环境下操作，且清孔能力不会随着孔深的增加而出现急剧下降。本步骤中，为节省泥浆，降低成本，将混合后的泥浆与碎渣收集到沉淀池，经沉浆池沉淀净化后，再循环使用泥浆，从而形成完整的泥浆循环系统。

c：桩体1到达目标位置且碎渣清除后，停止注入泥浆，在钢管桩管壁两侧及其底部形成无碎渣的内壁空隙通道，更换高压灌浆设备沿通道注入浆液，使浆液沿内壁通道向下部贯入并向钢管内部岩土渗入，当浆液下灌至底端时，透过底部锯齿组3结构空隙流入外壁通道一侧，在高压的作用下，一部分向外壁旁侧及下部土体渗入，另一部分沿外壁通道向上蔓延填充至地层表面，停止注入浆液。将钢管桩与珊瑚岛礁地层结合成整体，从而提高地基承载力。

d：将桩体1和外部动力机械装置分离，钢管桩安装完成。

在此基础上，移动各个设备进行下一根管桩施工。

以上参考了优选实施例对本实用新型进行了描述，但本实用新型的保护范围并不限制于此，在不脱离本实用新型的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来，且不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。因此，任何落入权利要求的范围内的所有技术方案均在本实用新型的保护范围内。