专利名称：一种带尖齿的新型灌注桩扩底装置及方法
技术领域：
本发明属于基础工程领域，涉及一种带尖齿的新型灌注桩扩底装置及方法，可广泛应用于各种地基的钻孔灌注桩施工，尤其对于含砾卵石层及软土地基，其优越性更加明显。
背景技术：
目前，钻孔灌注桩在高层建筑地基施工中应用越来越多，其直径大、施工简单、承载力高的优势使其具有广泛的应用前景。但是，常规钻孔灌注桩施工时，桩端存在虚土和难以清理的沉渣，吴立春等在文《桩底沉渣对钻孔灌注桩承载力影响的试验研究》(工程勘察 2009年增刊第2期)中指出，桩端沉渣过厚不仅会大幅降低桩端承载力(文中试验最大降幅达50%)，对桩侧摩阻力的发挥也有较大影响，从而导致单桩承载力下降明显(试验中最大降幅达到25%)。蒋建平等人在文《桩端岩土差异对超长桩影响的对比研究》(岩石力学与工程学报2004年第18期)中，通过对两根桩长72m、直径lm、桩端沉渣分别为0和30mm 的超长灌注桩对比试验发现，在荷载14700kN时，后者沉降量达前者的2. 8倍，单桩承载力差异明显。针对此缺陷，工程界一直在研究其改进工艺，在现有的改进工艺中，通过扩底方法压实虚土和沉渣，从而提高单桩承载力的研究思路逐渐成为主流，其中专利申请号 200710157293. 4，公开号CNlOl 135151A的“高承载力的预制与现浇钢砼组合桩身的爆破成桩方法”通过爆破桩端土体，用砼浇注底座的方法形成扩底桩；专利申请号200720014694. X，公开号CN201087400Y的“高承载力沉管灌注扩底桩”和专利号200720091935. 0，公开号 CN201080793Y的“新型长螺旋压浆钻杆”均采用扩底的机械设备形成桩端底座空间，用砼浇注底座的方法形成扩大头。就工艺的复杂程度而言，不论是爆破扩底还是机械扩底方法，都是人为地将整个扩底工艺分成扩底和浇砼两个环节，并针对扩底环节进行改进，形成扩底空间后，通常采用控制浇砼的方法形成扩大头，显然此方法需要特殊机械且工艺复杂。针对采用注浆方式改善桩端土体性质的工艺措施，由于较为复杂的施工工艺常常会造成浆液难以控制，导致大量的注浆材料被浪费，尤其当桩端附近存在含砾卵石类岩土层或渗透性较好的软土地基时，浆液会向四周大范围渗流，导致桩端附近的土体无法形成扩头底座，达不到预先的设计目的。工程界也提出了其他改进工艺，如专利申请号 95111174. 4，公开号CN1144332A的“一种测试或提高钻孔灌注桩承载力的方法及其专用皮囊”将一个预留注浆管和出浆管的专用皮囊随钢筋笼下放至桩底，通过注浆实现扩底和压实虚土及沉渣的目的，但是皮囊的高弹性表皮材料在面对含砾卵石层或其他硬质地基时， 其扩底作用难以发挥，对桩端虚土和沉渣的压实效果非常有限，同时对于桩端存在带棱角的碎石时，皮囊材料易破损进而导致工艺失效。
发明内容
基于以上问题，本发明的目的是提供一种带尖齿的新型灌注桩扩底装置及方法， 将扩底工艺中扩底和浇砼两个环节合并在一起，不仅能达到压实桩端虚土和沉渣，提高单桩承载力的工程目的，而且简化了桩端扩底的工艺环节，节省了注浆材料，同时解决了在含砾卵石层等硬质地基和软土地基中注浆扩底效果差的工程问题。本发明一种带尖齿的新型灌注桩扩底装置，包括进浆口(1)、出浆口 O)、止浆上挡板⑶、止浆下挡板⑷、尖齿(5)、封闭伸缩环(6)、预留注浆管(7)以及预留出浆管⑶， 其特征在于
所述进浆口(1)、出浆口 O)、止浆上挡板(3)、止浆下挡板(4)及封闭伸缩环(6)相互间紧密连接，封闭伸缩环(6)为可折叠的高强度柔性材料，如SBC120聚乙烯丙纶复合卷材、 PVC、EVA、PE、ECB等抗拉强度高且能产生较大塑性变形的材料，在注浆压力作用下产生一定的变形但不破裂，有利于最大限度地挤密周边土体；
所述止浆下挡板(4)下方均勻分布有尖齿(5)，所述尖齿( 为金属材料或高强度土工材料，如钢材、高强度复合塑料、人工或天然石材、混凝土等高强度材料，在注浆压力作用下止浆下挡板(4)产生下向位移，尖齿( 可有效深入土体，并与挤密土体共同形成承载体。进一步的，上述技术方案中，所述止浆上挡板(3)、止浆下挡板(4)及封闭伸缩环 (6)在封闭伸缩环(6)扩展后，形成以圆盘状扩头体。圆盘状的扩头体具有如下的技术优势
(1)扩头体形成过程及其对桩端土体的挤压过程同时进行，形成的扩头体性状完全匹配桩端土体的各薄弱点；
(2)扩头体配合下部尖齿，可有效深入桩端土体内，具有挤压加固和改善桩端土体应力状态的独特效果。进一步的，上述技术方案中，所述止浆上挡板C3)及止浆下挡板(4)采用金属材料或高强度土工材料制作，如铁板、人工石材、高强塑料等较常见的材料，易于加工生产和推一种带尖齿的新型灌注桩扩底方法，其特征在于，所述方法如下
(1)首先进行常规灌注桩的钻孔施工，桩孔成型后，将扩底装置水平布设于灌注桩钢筋笼底部，并采用螺纹或机械连接依次连接预留注浆管(7)与进浆口(1)、预留出浆管(8)与出浆口 O)，随灌注桩钢筋笼下放至桩孔中；
(2)完成常规灌注桩的浇砼施工后，调节注浆流量和注浆压力对桩端扩底装置进行高压注浆；
(3)预先制备并埋设于桩端的扩底装置下端配有尖齿，在高压注浆的压力作用下，止浆上挡板⑶与止浆下挡板⑷之间的空间被填充、扩大，封闭伸缩环(6)扩展，尖齿对桩端四周土体进行有效挤压，从而达到压实桩端虚土和沉渣，形成圆盘状扩头体(14)，提高桩体承载力的目的。进一步的，上述技术方案中，所述步骤O)中，注浆时，压力注浆泵(11)的注浆压力、储浆器(1 的容量、搅拌机(π)的搅拌速度以及圆盘状扩头体(14)的注浆量可以根据桩体设计承载力、桩端岩土体的工程特性以及桩端扩底装置各部件的强度等因素进行综合设定。该技术方案使得本发明可广泛应用于各种地基的钻孔灌注桩施工，尤其对于含砾卵石层及软土地基，其优越性更加明显。本发明的优点在于它简化了桩端扩底的工艺环节，浇砼的同时利用扩底装置在高压注浆压力作用下的充分扩展形成扩头底座。同时，封闭环境下加压扩底，大大提高了注浆材料的利用率，而且带尖齿的扩底装置不仅结构简单，便于规模化生产。与现有各种扩底装置及方法相比，在常规地基扩底时工艺环节更加简单易行，在含砾卵石等硬质地基和软土地基扩底时，不仅避免了注浆材料的无谓消耗，而且能够实现定点注浆和有效扩底，形成桩端扩头底座并充分压实虚土和沉渣，从而大幅提高桩体承载力，具有很高的经济价值和工程价值。
图1 一压浆前灌注桩结构示意图； 图2—压浆前桩端扩底装置示意图； 图3—压浆后灌注桩结构示意图4一压浆后桩端扩底装置示意图； 图5—桩端扩底装置俯视剖面图； 图6—桩端扩底装置仰视剖面图。各图中结构包括进浆口(1)、出浆口 O)、止浆上挡板(3)、止浆下挡板、尖齿 (5)、封闭伸缩环(6)、预留注浆管(7)、预留出浆管(8)、注浆管(9)、出浆管(10)、压力注浆泵(11)、储浆器(12)、搅拌机(13)、圆盘状扩头体(14)、岩土体(15)、桩孔(16)。
具体实施例方式下面结合附图进一步说明本发明。图1所示为压浆前灌注桩结构示意图。施工过程中，首先进行常规钻孔灌注桩的钻孔施工，桩孔16成型后，将扩底装置水平布设在灌注桩钢筋笼底部，并采用螺纹或机械连接依次连接进浆口 1与预留注浆管7、预留注浆管7与注浆管9、出浆口 2与预留出浆管 8、预留出浆管8与出浆管10。在桩外地面上，将搅拌机13、储浆器12和压力注浆泵11依次连接完毕并最终与注浆管连接，形成完整注浆系统后，可对桩孔内灌注砼，完成浇砼成桩工艺。图2所示为压浆前桩端扩底装置示意图。预制的桩端扩底装置为圆盘状，其外径比桩孔直径小2 5cm，扩底装置中进浆口 1和出浆口 2位于止浆上挡板3上部两侧，且距边缘2、cm。止浆上挡板3与止浆下挡板4间用封闭伸缩环6连接，压浆前，封闭伸缩环6折叠铺设于止浆上下挡板之间，尖齿5均勻密布于止浆下挡板4表面。图3所示为压浆后灌注桩结构示意图。桩身浇砼完成后应进行对桩端扩底装置进行压浆，压浆过程中，压力注浆泵11的注浆压力、储浆器12的容量、搅拌机13的搅拌速度以及圆盘状扩头体14的注浆量应考虑桩体设计承载力、桩端岩土体15的工程特性以及桩端扩底装置各部件的强度等因素进行综合设定。图4所示为压浆后桩端扩底装置示意图。浆液经过搅拌机13搅拌、储浆器12和压力注浆泵11加压，经过注浆管9和预留注浆管7，由进浆口 1注入扩底装置内腔，管内及腔内的空气经由出浆口 2，沿预留出浆管8和出浆管10被排到地面，使整个扩头装置内充满浆液并充分扩展挤压桩端岩土体15。图5所示为桩端扩底装置俯视剖面图，反映了止浆上挡板3、进浆口 1、出浆口 2以及封闭伸缩环6之间的布置关系。图6所示为桩端扩底装置仰视剖面图，反映了止浆下挡板4上尖齿5的分布情况及其与封闭伸缩环6之间的布置关系。本发明的关键技术在于桩端扩底装置，在桩端扩底套的预先制作过程中，首先应保证进浆口、出浆口、止浆上挡板、止浆下挡板以及封闭伸缩环之间连接紧密，只有这样才能实现整套装置的封闭注浆扩展。另外，选择扩底装置各部件的制作原材料时，止浆上挡板、止浆下挡板和尖齿应优先考虑金属材料或高强度土工材料制作，封闭伸缩环应优先考虑高强度柔性材料制作，同时，还应结合不同工程实际，生产不同材质、不同规格和不同极限承载压力的扩底产品。例如，在遇到含砾卵石层等硬质地基时，应优先考虑硬度大、强度高的材料，这样才能在挤压含砾卵石岩土层时保证装置不被破坏而漏浆，有效压实桩端附近的砾卵岩土层；而遇到软土地基时，应首先考虑硬度小、弹性好的材料，这样既能实现扩底装置的大范围扩展，保证软土的充分压实，又能节约工程成本，达到经济高效的目的。同时，本发明的扩底装置及方法还可在矩形桩、方形桩等其他断面的桩基端部加固中使用。本发明的其他配套设施，包括各注浆管、出浆管、注浆设备和密封材料等，可参考类似工程选用，本发明无特殊要求。
权利要求
1.一种带尖齿的新型灌注桩扩底装置，包括进浆口(1)、出浆口 O)、止浆上挡板(3)、 止浆下挡板、尖齿(5)、封闭伸缩环(6)、预留注浆管(7)以及预留出浆管(8)，所述进浆口(1)、出浆口 O)、止浆上挡板(3)、止浆下挡板(4)及封闭伸缩环(6)相互间紧密连接； 其特征在于所述止浆下挡板(4)下方均勻分布有尖齿(5)，所述止浆上挡板(3)、止浆下挡板(4) 及封闭伸缩环(6)在封闭伸缩环(6)扩展后，形成带尖齿的圆盘状扩头体(14)。
2.根据权利要求1所述的一种带尖齿的新型灌注桩扩底装置，其特征在于所述封闭伸缩环(6)为SBC120聚乙烯丙纶复合卷材、PVC、EVA、PE或ECB等抗拉强度高且具有一定变形能力的材料。
3.根据权利要求1所述的一种带尖齿的新型灌注桩扩底装置，其特征在于所述尖齿 (5)为钢材、高强度复合塑料、人工石材、天然石材或混凝土高强度材料。
4.根据权利要求1所述的一种带尖齿的新型灌注桩扩底装置，其特征在于所述止浆上挡板( 及止浆下挡板(4)为金属材料或高强度土工材料。
5.根据权利要求4所述的一种带尖齿的新型灌注桩扩底装置，其特征在于所述止浆上挡板C3)及止浆下挡板(4)为铁板、人工石材或高强塑料。
6.一种带尖齿的新型灌注桩扩底方法，其特征在于，所述方法如下6. 1首先进行常规灌注桩的钻孔施工，桩孔成型后，将扩底装置水平布设于灌注桩钢筋笼底部，并采用螺纹或机械连接依次连接预留注浆管(7)与进浆口(1)、预留出浆管(8)与出浆口 O)，随灌注桩钢筋笼下放至桩孔中；6. 2完成常规灌注桩的浇砼施工后，调节注浆流量和注浆压力对桩端扩底装置进行高压注浆；6. 3预先制备并埋设于桩端的扩底装置下端配有尖齿，在高压注浆的压力作用下，止浆上挡板⑶与止浆下挡板⑷之间的空间被填充、扩大，封闭伸缩环(6)扩展，尖齿对桩端四周土体进行有效挤压，从而达到压实桩端虚土和沉渣，形成圆盘状扩头体(14)，提高桩体承载力的目的。
7.根据权利要求6所述的一种带尖齿的新型灌注桩扩底方法，其特征在于所述步骤6.2中，注浆时，压力注浆泵(11)的注浆压力、储浆器(1 的容量、搅拌机 (13)的搅拌速度以及圆盘状扩头体(14)的注浆量可以根据桩体设计承载力、桩端岩土体的工程特性以及桩端扩底装置各部件的强度等因素进行综合设定。
全文摘要
本发明属于基础工程领域，涉及一种带尖齿的新型灌注桩扩底装置及方法。本发明一种带尖齿的新型灌注桩扩底装置，包括进浆口(1)、出浆口(2)、止浆上挡板(3)、止浆下挡板(4)、尖齿(5)、封闭伸缩环(6)、预留注浆管(7)以及预留出浆管(8)，所述进浆口(1)、出浆口(2)、止浆上挡板(3)、止浆下挡板(4)及封闭伸缩环(6)相互间紧密连接；所述止浆下挡板(4)下方均匀分布有尖齿(5)，所述止浆上挡板(3)、止浆下挡板(4)及封闭伸缩环(6)在封闭伸缩环(6)扩展后，形成带尖齿的圆盘状扩头体(14)。本发明的优点在于它简化了桩端扩底的工艺环节，浇砼的同时利用扩底装置在高压注浆压力作用下的充分扩展形成扩头底座。
文档编号E02D5/44GK102168421SQ20111006130
公开日2011年8月31日 申请日期2011年3月15日 优先权日2011年3月15日
发明者吴顺川, 高永涛 申请人:北京科技大学