压浆螺旋钢管桩设备以及打桩方法

1.本发明属于土木工程中的桩基工程领域，尤其涉及一种压浆螺旋钢管桩设备以及打桩方法。


背景技术：

2.建筑、桥梁、海上风电等领域常使用到桩基。桩基的形式多样，其中螺旋钢管桩因其施工时间短、绿色环保、场地限制较少、承载能力较高等优势，在各个领域的应用也愈发广泛。螺旋钢管桩在旋进过程中会对桩周土体产生扰动，产生不确定性因素会导致承载力的降低。后压浆技术的引入能够有效地解决上述问题，是一种提高承载力的手段，同时还能减少土壤对钢管的腐蚀。
3.后压浆技术主要用于增强岩土体的强度和刚度，提高其稳定性能和承载力。目前，后压浆技术在灌注桩上的应用十分广泛，后压浆的工艺越来越成熟，后压浆的类型也发展为桩端压浆、桩侧压浆、组合压浆、分布式压浆。
4.但是，对于软土地区承载能力低以及后压浆桩基在动水条件下注浆体被冲刷和腐蚀环境下桩基被腐蚀的问题，亟待解决。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种压浆螺旋钢管桩设备以及打桩方法，它能够有效解决桩基在动水环境下浆液被冲释、分散的问题。
6.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
7.一种压浆螺旋钢管桩设备，包括至少两根钢管以及连接相邻两个所述钢管的连接件、桩端压浆组件以及注浆装置，最下方的所述钢管的外表面配置有螺旋叶片；
8.所述钢管的内腔设置有所述桩端压浆组件，所述桩端压浆组件包括至少两根导管以及桩端压浆头，至少两根所述导管依次连接，所述桩端压浆头包括三通体，所述三通体为
“⊥”
字形结构，所述三通体的竖直段与最下方的所述导管的底端连接，所述三通体的两个水平段分别连接压浆器；最下方的所述钢管的底端为倒三角形结构，且倒三角形结构的侧壁开设通孔，用于供所述压浆器伸出；
9.所述注浆装置包括钻机、搅拌储浆装置、压浆泵、输浆管；所述钻机用于对所述钢管施加下压动力与旋转扭矩；所述搅拌储浆装置能够通过所述压浆泵和所述输浆管向所述导管注入水泥、水玻璃混合浆液。
10.优选地，在上述的压浆螺旋钢管桩设备中，最下方的所述钢管的侧壁设置有第一注浆孔，所述搅拌储浆装置能够通过所述压浆泵和所述输浆管向所述钢管的内壁与所述导管的外壁之间的空间注入水泥、水玻璃混合浆液。
11.优选地，在上述的压浆螺旋钢管桩设备中，所述钢管外壁黏贴有frp材料层，所述cfrp材料层为布条，所述布条缠绕黏贴在所述钢管的外表面。
12.优选地，在上述的压浆螺旋钢管桩设备中，所述连接件上设置有第二注浆孔。
13.优选地，在上述的压浆螺旋钢管桩设备中，最下方的所述钢管以外的所述钢管也设置有所述螺旋叶片，最下方的所述钢管配置的所述螺旋叶片多于其余的所述钢管配置的所述螺旋叶片。
14.优选地，在上述的压浆螺旋钢管桩设备中，还包括压力传感器、压浆参数采集仪、后台处理器，所述压力传感器布设在所述输浆管上，所述压浆参数采集仪用于将所述压力传感器的测量数据传输至所述后台处理器；所述后台处理器根据所述搅拌储浆装置的重量变化得到压浆量的数据，以实现对压浆量与压浆压力的动态控制。
15.一种压浆螺旋钢管桩设备打桩方法，包括上述的压浆螺旋钢管桩设备以及步骤：
16.s1，将所述钻机与第一段所述钢管连接，该第一段所述钢管内设置有所述桩端压浆组件；
17.s2，第一段所述钢管安装完成后，所述桩端压浆组件的第一段所述导管连接下一段所述导管，然后第一段所述钢管通过所述连接件连接下一段所述钢管，且使得下一段所述钢管套在下一段所述导管外；
18.s3，按照步骤s2的方式延长所述钢管和所述导管，直至所述钢管安装至预设的深度；
19.s4，使得所述压浆器伸出最下方的所述钢管的底端的通孔；
20.s5，所述搅拌储浆装置通过所述压浆泵和所述输浆管向所述导管注入水泥、水玻璃混合浆液，使得浆液从所述压浆器流出，直至注浆完成。
21.优选地，在上述的压浆螺旋钢管桩设备打桩方法中，在所述钻机下压旋转所述钢管之前，要在所述钢管外壁黏贴上一层cfrp材料。
22.优选地，在上述的压浆螺旋钢管桩设备打桩方法中，在安装所述钢管的同时，向所述钢管与所述导管之间的空间注入水泥、水玻璃混合浆液，浆液通过所述钢管侧面的第一注浆孔流出，以进行注浆。
23.优选地，在上述的压浆螺旋钢管桩设备打桩方法中，还包括压力传感器、压浆参数采集仪、后台处理器，所述压力传感器布设在所述输浆管上，所述压浆参数采集仪将所述压力传感器的测量数据传输至所述后台处理器；所述后台处理器根据所述搅拌储浆装置的重量变化得到压浆量的数据，以实现对压浆量与压浆压力的动态控制。
24.本发明的压浆螺旋钢管桩设备以及打桩方法的有益效果在于：当钢管安装至预设的深度后，使得压浆器从最下方的钢管的底端通孔伸出，搅拌储浆装置通过压浆泵和输浆管向导管注入水泥、水玻璃混合浆液，水泥、水玻璃混合浆液从压浆器流出，且能够快速凝结，能够有效解决动水环境下，浆液被冲释、分散的问题。
25.此外，这样的注浆方式使得钢管底端周围的浆液范围较大，进一步提高防护效果。
附图说明
26.图1是本发明实施例压浆螺旋钢管桩设备的整体结构示意图；
27.图2是本发明实施例钢管的外部示意图；
28.图3是本发明实施例钢管的结构层图；
29.图4是本发明实施例最下方的钢管的外部结构图；
30.图5是本发明实施例最下方的钢管的内部结构图；
31.图6是本发明实施例最下方的钢管的底端剖视图；
32.图7是本发明实施例连接件的结构图；
33.图8是本发明实施例桩端压浆组件的分解图；
34.图9是本发明实施例桩端压浆组件的安装示意图；
35.图10是本发明实施例桩端压浆头的结构示意图；
36.图11是本发明实施例桩端压浆头的立体图；
37.图12是本发明实施例注浆前后的对比图。
38.图中部件名称和标号如下：
39.钢管1、通孔11、连接件2、第二注浆孔21、cfrp材料层3、第一注浆孔4、螺旋叶片5、导管6、外螺纹601、内螺纹602、桩端压浆头7、三通体702、压浆器703、钻机8、树脂胶9、搅拌储浆装置10、压浆泵11、输浆管12、压力传感器13、压浆参数采集仪14、后台处理器15、水泥a、底端水泥a1。
具体实施方式
40.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
41.如图1、图4-图6以及图8-图11所示，本实施例公开了一种压浆螺旋钢管桩设备，该压浆螺旋钢管桩设备包括至少两根钢管1以及连接相邻两个钢管1的连接件2、桩端压浆组件以及注浆装置，最下方的钢管1的外表面配置有螺旋叶片5；
42.钢管1的内腔设置有桩端压浆组件，桩端压浆组件包括至少两根导管6以及桩端压浆头7，至少两根导管6依次连接，桩端压浆头7包括三通体702，三通体702为
“⊥”
字形结构，三通体702的竖直段与最下方的导管6的底端连接，三通体702的两个水平段分别连接压浆器703；最下方的钢管1的底端为倒三角形结构，且倒三角形结构的侧壁开设通孔11，用于供压浆器703伸出；
43.注浆装置包括钻机8、搅拌储浆装置10、压浆泵11、输浆管12；钻机8与钢管1顶部连接，用于对钢管1施加下压动力与旋转扭矩，钢管1的整个安装过程保持匀速；搅拌储浆装置10能够通过压浆泵11和输浆管12向导管6注入水泥、水玻璃混合浆液。
44.本实施例的压浆螺旋钢管桩设备以及打桩方法的有益效果在于：当钢管1安装至预设的深度后，使得压浆器703从最下方的钢管1的底端通孔11伸出，搅拌储浆装置10通过压浆泵11和输浆管12向导管6注入水泥、水玻璃混合浆液，水泥、水玻璃混合浆液从压浆器703流出，且能够快速凝结，能够有效解决动水环境下，浆液被冲释、分散的问题。
45.此外，如图12所示，底端水泥a1面积大于其余部位水泥a的横截面积。也即这样的注浆方式使得钢管1底端周围的浆液范围较大，进一步提高防护效果。本实施例使得桩端广大头的半径增加，承载性能的提升更显著。
46.具体地，如图8-图11所示，导管6竖直延伸，且导管6的数量为至少两根。相邻的两根导管6分别具有外螺纹601、内螺纹602，以使得相邻的两根导管6螺纹连接，实现拼接。
47.具体地，钢管1也即桩的内壁两端刻有螺纹，可与连接件2连接。最下方的钢管1布置了三个螺旋叶片5，各螺旋叶片5间隔0.3m，螺旋叶片5直径0.25m，钢管1长3m，外径90mm，
桩内壁顶端端刻有螺纹，可与连接件连接。螺旋叶片5中间对称布置第一注浆孔4，孔径4mm。
48.作为优选方案，如图7所示，连接件2上均匀设置四个第二注浆孔21。作为优选方案，最下方的钢管1的侧壁设置有第一注浆孔4，在安装钢管1的过程中，搅拌储浆装置10能够通过压浆泵11和输浆管12向钢管1的内壁与导管6的外壁之间的空间注入水泥、水玻璃混合浆液，浆液从第一注浆孔4、第二注浆孔21流出，提高最终的注浆均匀性。
49.作为优选方案，如图3所示，钢管1外壁黏贴有cfrp材料层3，cfrp材料层3为布条，布条通过树脂胶9缠绕黏贴在钢管1的外表面，从而能够解决钢管1被冲刷以及腐蚀的问题，提高钢管1的抗冲刷以及抗腐蚀的能力。面对不同的土壤环境、海水环境有很好的抗腐蚀型，桩基长期承载性能有保障。
50.如图2和图4所示，作为优选方案，最下方的钢管1以外的钢管1也设置有螺旋叶片5，最下方的钢管1配置的螺旋叶片5多于其余的钢管1配置的螺旋叶片5。
51.作为优选方案，本实施例还包括压力传感器13、压浆参数采集仪14、后台处理器15，压力传感器13布设在输浆管12上，压浆参数采集仪14用于将压力传感器13的测量数据传输至后台处理器15；后台处理器15根据搅拌储浆装置10的重量变化得到压浆量的数据，以实现对压浆量与压浆压力的动态控制。实现压浆量与压浆压力的动态控制，同时对注浆材料的外加剂配比也能进行实时调控，以应对不同土层环境。
52.基于上述的压浆螺旋钢管桩设备，本实施例的压浆螺旋钢管桩设备打桩方法，包括步骤：
53.s1，将钻机8与第一段钢管1连接，该第一段钢管1内设置有桩端压浆组件；
54.s2，第一段钢管1安装完成后，桩端压浆组件的第一段导管6连接下一段导管6，然后第一段钢管1通过连接件2连接下一段钢管1，且使得下一段钢管1套在下一段导管6外；
55.s3，按照步骤s2的方式延长钢管1和导管6，直至钢管1安装至预设的深度；
56.s4，使得压浆器703伸出最下方的钢管1的底端的通孔11；
57.s5，搅拌储浆装置10通过压浆泵11和输浆管12向导管6注入水泥、水玻璃混合浆液，使得浆液从压浆器703流出，直至注浆完成。
58.作为优选方案，在钻机8下压旋转钢管1之前，要在钢管1外壁黏贴上一层cfrp材料。
59.作为优选方案，在安装钢管1的同时，向钢管1与导管6之间的空间注入水泥、水玻璃混合浆液，浆液通过钢管1侧面的第一注浆孔流出，以进行注浆。
60.作为优选方案，压浆参数采集仪14将压力传感器13的测量数据传输至后台处理器15；后台处理器15根据搅拌储浆装置10的重量变化得到压浆量的数据，以实现对压浆量与压浆压力的动态控制。
61.本实施例可以根据实际情况从表1选择不同配比的水泥、水玻璃混合浆液。
62.表1
63.水泥—水玻璃浆不同条件下的凝胶时间(m＝3.0)
[0064][0065][0066]
本实施例选择双液注浆形式，更好的满足对软土的固化，以及防止减少地下水冲刷的影响，减少了注浆体的凝结时间以及析水率。
[0067]
本实施例整体的具体打桩过程为：
[0068]
在下压旋桩之前，要在钢管1外壁黏贴上一层cfrp材料层3。将cfrp材料制成布条，在钢管1和cfrp布条上刷上树脂胶9，将cfrp布条缠绕黏贴在钢管1上。具体地，钢管1外层如果存在铁锈，应在贴cfrp之前利用角磨机除锈，首先用cfrp专用树脂底胶对钢管1外壁进行涂抹，静止一段时间待底胶部分凝固后，随后贴上塑料薄膜对树胶进行保护，静置一天。将cfrp树脂面胶均匀涂抹在cfrp布条，随后贴于钢管1外壁，最后用刮板将cfrp布条与钢管1间的气泡排出，有利于cfrp材料与钢管黏贴更加紧密牢固。
[0069]
将钢管1与钻机8连接，同时进行桩侧注浆，水灰比为0.5，注浆压力控制在0.6mpa，操作人员可以通过现场实时数据，对注浆压力进行控制，在注浆前，将水泥浆和水玻璃按照比例混合搅拌均匀，采用双液注浆的形式，浆液从浆液从第一注浆孔4、第二注浆孔21流出。分段下压螺旋成桩，对每一段钢管1匀速下压，旋桩速度控制在1～1.5m/min。当一段钢管1安装完成后，通过连接件2连接下一段钢管，安装至设计深度。
[0070]
本实施例采用钻进和压力注浆同时进行的形式，能够显著提升桩的抗压承载性能，同时在每段延长钢管1的末端设有螺旋叶片，适当增加可螺旋叶片的数量，桩侧压浆形成的桩-注浆体柱更加完整，其承载性能有显著提升，同时保护桩身减少腐蚀。
[0071]
桩端压浆需要在成桩后进行，首先要进行清水开塞，使得压浆器703伸出最下方的钢管1的底端的通孔11；搅拌储浆装置10通过压浆泵11和输浆管12向导管6注入水泥、水玻璃混合浆液，使得浆液从压浆器703流出，直至注浆完成。
[0072]
本实施例在成桩完成后进行桩端压浆，使桩端持力土层进一步充填、密实，持力土层土壤得力学特性的待改善，使桩端形成桩端扩大头，桩基承载力得到显著提升。
[0073]
注浆过程采用压力和压浆量同时控制，通过后台处理器15获得注浆压力变化数据对注浆压力大小进行及时调整，当压浆量达到设计要求时，调整注浆压力大小达到注浆终
止压力，注浆终止压力为压浆终止的判据条件，维持稳定时间不少于5min；当压浆量大于设计要求的80％时，调整注浆压力大小大于1.2倍的注浆终止压力，维持稳定时间不少于5min。
[0074]
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。