CFG变径倒锥台阶型桩以及制备方法和钻具与流程

本发明涉及建筑技术领域，尤其是涉及一种cfg变径倒锥台阶型桩以及制备方法和钻具。

背景技术：

在改革开放的浪潮中，建筑业有了飞速发展，建筑工程对地基的设计、施工要求越来越高，砼桩和钢筋砼桩在高层建筑、桥梁、港口等工程中得到广泛应用，为了使砼桩和钢筋砼桩满足抗弯、抗剪切，提高承载力和抗震要求等设计要求，对砼桩和钢筋砼桩的形状进行改变。不但能满足设计要求，节约原材料用量，还能提高工程质量及缩短施工进度。

以现有设备建造的传统桩型，其纵横断面通常是不随桩长而变化的圆形或方形桩，其承载力主要由桩侧的摩阻力及桩端的端承力组成。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种cfg变径倒锥台阶型桩以及制备方法和钻具，以解决现有设备所建造的传统桩型结构形式单一，承载力不高的技术问题。

为解决上述技术问题，第一方面，本发明提供一种钻具，其包括：依次同轴套设的外套筒钻具、中间套筒钻具和中心钻具；所述中心钻具设置有第一联动装置；所述中间套筒钻具设置有第二联动装置；所述外套筒钻具设置有第三联动装置；在所述外套筒钻具被向上提升时，所述第三联动装置能够套设并锁定于所述第二联动装置上，所述第二联动装置能够套设并锁定于所述第一联动装置上。

进一步地，所述中心钻具包括：空心钻杆、可开合的钻头和第一螺旋叶片；所述第一螺旋叶片沿所述空心钻杆的轴向设置于所述空心钻杆的外壁上，所述钻头连接于所述空心钻杆的下端，所述第一联动装置同轴设置于所述空心钻杆的上端，在所述第一联动装置上设置有第一法兰盘。

进一步地，所述中间套筒钻具包括：第一套筒钻具和第二螺旋叶片，所述第二螺旋叶片沿所述第一套筒钻具的轴向设置于所述第一套筒钻具的外壁上，所述第一套筒钻具上设置有多个排土孔，所述第二联动装置同轴设置于所述第一套筒钻具的上端，在所述第二联动装置的上端设置有第二法兰盘。

进一步地，所述外套筒钻具包括：第二套筒钻具、第三螺旋叶片和护筒，所述第三螺旋叶片沿所述第二套筒钻具的轴向设置于所述第二套筒钻具的外壁上，所述第二套筒钻具上设置有多个排土孔，所述第三联动装置设置于所述第二套筒钻具的上端，所述护筒设置于所述外套筒钻具上端，且在所述护筒上设置有用于与卷扬机钢丝绳相连的弹簧装置，所述弹簧装置上设置限位装置，在所述第三联动装置的上端设置有第三法兰盘。

进一步地，所述第一联动装置包括第一四方柱体，所述第一四方柱体同轴设置有截面为圆形的第一套孔，所述第一套孔用于固定在所述中心钻具的上端；

所述第二联动装置包括第二四方柱体，所述第二四方柱体同轴设置有截面为方形的第二套孔，所述第二套孔用于套入所述第一联动装置；

所述第三联动装置包括圆柱体，所述圆柱体同轴设置有截面为方形的第三套孔，所述第三套孔用于套入所述第二联动装置。

为解决上述技术问题，第二方面，本发明还提供一种根据所述钻具制备的cfg变径倒锥台阶型桩，其包括主体桩身，所述主体桩身上设置有至少两个倒锥台阶型体。

进一步地，所述倒锥台阶型体的横截面为圆形，纵剖面为倒梯型。

进一步地，所述倒锥台阶型体的倒圆锥盘斜面延长线与主体桩身中心轴线的夹角角度范围宜为：30°～45°。

为解决上述技术问题，第三方面，本发明还提供一种根据所述的钻具以制备cfg变径倒锥台阶型桩的方法，其包括如下步骤：

通过动力装置使中心钻具顺时针/逆时针转动，同时向下移动；

中心钻具的第一联动装置接近中间套筒钻具的第二联动装置时，由辅助设备卷扬机提升外套筒钻具，外套筒钻具的第三联动装置套设并锁定于中间套筒钻具的第二联动装置上，然后带动中间套筒钻具同步提升，中间套筒钻具的第二联动装置最后套设并锁定于中心钻具的第一联动装置上，此时各个联动装置互相锁定；

通过动力装置使各个钻具同时顺时针/逆时针转动，并向下移动；

各个钻具钻至各自设计深度时，停止转动，钻机主卷扬提升中心钻具，中心钻具的下端钻头打开，砼泵启动，开始压灌砼，边压灌砼边提升中心钻具，之后依次提升中间套筒钻具、外套筒钻具，直至外套筒钻具提出孔口标高，同时砼也压灌至设计标高。

进一步地，所述辅助设备卷扬机提升外套筒钻具时包括如下步骤：

在外套筒钻具上安装一个护筒，在护筒上设置有弹簧装置，辅助设备卷扬机通过钢丝绳、弹簧装置与护筒连接，利用弹簧装置的弹性使外套筒钻具的第三联动装置能够自动穿套在中间套筒钻具的第二联动装置上；同理利用弹簧装置的弹性使中间套筒钻具的第二联动装置能够自动穿套在中心钻具的第一联动装置上，并且在弹簧装置上设置有限位装置，在弹簧装置的形变量达到预设长度时，限位装置控制辅助设备卷扬机停止工作。

采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

本发明提供了一种钻具，该钻具上的各个联动装置为叠加相套式，与辅助设备卷扬机相配合，从而能够形成多个倒锥台阶型钻孔，依次提升钻具同时压灌砼得以实现一种cfg变径倒锥台阶型桩。

本发明提供了一种cfg变径倒锥台阶型桩，其承载力不但有传统桩体的桩侧摩阻力及桩端端承力，而且倒锥台阶型体的倒锥圆盘斜面，可把部分垂直竖向向下的力分解为锥面的切向力和法向力，桩周土形成被动受压应力状态和挤扩状态，桩周摩擦力增大，综合提高了单桩的承载力，降低了沉降量。结构改变了功能，该桩的承载力可用太沙基(terzaghi)的地基承载力公式计算。

本发明提供了一种制备方法，该方法通过将钻具与辅助设备卷扬机相结合，从而形成具有上述结构和功能的cfg变径倒锥台阶型桩。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明钻具处于初始状态的结构示意图；

图2为本发明钻具处于提升状态的结构示意图；

图3为本发明中心钻具的结构示意图；

图4为本发明第一联动装置的结构示意图；

图5为本发明中间套筒钻具的结构示意图；

图6为本发明第二联动装置的结构示意图；

图7为本发明外套筒钻具的结构示意图；

图8为本发明第三联动装置的结构示意图；

图9为本发明cfg变径倒锥台阶型桩的结构示意图；

图10至图16为本发明钻具的施工步骤示意图。

图中，1为卷扬机，2为钢丝绳，3为中心钻具，31为第一法兰盘，32为第一联动装置，33为空心钻杆，34为第一螺旋叶片，35为钻头，4为中间套筒钻具，41为第二法兰盘，42为第二联动装置，43为第一套筒钻具，44为第二螺旋叶片，45为钻排土孔，5为外套筒钻具，51为第三法兰盘，52为第三联动装置，53为第二套筒钻具，54为第三螺旋叶片，55为钻排土孔，56为护筒，71为主体桩身，72为倒锥台阶型体；8为砼泵。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

实施例一

结合图1至图2所示，本实施例提供一种钻具，其包括：依次同轴套设的外套筒钻具5、中间套筒钻具4和中心钻具3；所述中心钻具3设置有第一联动装置32；所述中间套筒钻具4设置有第二联动装置42；所述外套筒钻具5设置有第三联动装置52；在所述外套筒钻具5被向上提升时，所述第三联动装置52能够套设并锁定于所述第二联动装置42上，所述第二联动装置42能够套设并锁定于所述第一联动装置32上。

可见，本实施例中钻具的各个联动装置为叠加相套式，该钻具上的各个联动装置可以与辅助设备卷扬机1相配合，从而能够形成多个倒锥台阶型钻孔，依次提升钻具同时压灌砼得以实现一种cfg变径倒锥台阶型桩。

结合图3至图4所示，本实施例中所述中心钻具3包括：空心钻杆33、可开合的钻头35和第一螺旋叶片34；所述第一螺旋叶片34沿所述空心钻杆33的轴向设置于所述空心钻杆33的外壁上，所述钻头35连接于所述空心钻杆33的下端，所述第一联动装置32同轴设置于所述空心钻杆33的上端，在所述第一联动装置32上设置有第一法兰盘31。

结合图5至图6所示，本实施例中所述中间套筒钻具4包括：第一套筒钻具43和第二螺旋叶片44，所述第二螺旋叶片44沿所述第一套筒钻具43的轴向设置于所述第一套筒钻具43的外壁上，所述第一套筒钻具43上设置有多个排土孔45，所述第二联动装置42同轴设置于所述第一套筒钻具43的上端，在所述第二联动装置42的上端设置有第二法兰盘41。

值得说明的是，中间套筒钻具4可根据设计需求由多个叠加相套组成。中间套筒钻具4由多个叠加相套时，除套筒直径及长度不同外，结构均相同。

结合图7至图8所示，本实施例中所述外套筒钻具5包括：第二套筒钻具53、第三螺旋叶片54和护筒56，所述第三螺旋叶片54沿所述第二套筒钻具53的轴向设置于所述第二套筒钻具53的外壁上，所述第二套筒钻具53上设置有多个排土孔55，所述第三联动装置52设置于所述第二套筒钻具53的上端内侧，所述护筒56设置于所述第二套筒钻具53的上端外侧，且在所述护筒56上设置有用于与卷扬机1钢丝绳2相连的弹簧装置，所述弹簧装置上设置限位装置，弹黄装置拉伸或压缩到一定程度限位装置使其辅助设备卷扬机1停止工作，限位裝置实现自动停止动作。在所述第三联动装置52的上端设置有第三法兰盘51。

值得说明的是，第一螺旋叶片34、第二螺旋叶片44和第三螺旋叶片54既可以为正螺旋式，也可以为反螺旋式，此处不再局限。

本实施例中的联动装置的几何形状也可以根据实际需要灵活设置，以如下一种优选方式举例说明：

所述第一联动装置32包括第一四方柱体，所述第一四方柱体同轴设置有截面为圆形的第一套孔，所述第一套孔用于固定在所述空心钻杆33的上端；所述第二联动装置42包括第二四方柱体，所述第二四方柱体同轴设置有截面为方形的第二套孔，所述第二套孔用于套入所述第一联动装置32；所述第三联动装置52包括圆柱体，所述圆柱体同轴设置有截面为方形的第三套孔，所述第三套孔用于套入所述第二联动装置42。

其中，在各个钻具的联动装置上端设置有直径大于正方柱型横截面对角线的法兰盘其功能：促使相应的联动装置互锁到位；将中心钻具3竖向压力传递给其他套筒钻具。

综上，本实施例中的钻具可以配合辅助设备使用，辅助设备由卷扬机1、钢丝绳2、护筒56组成。该种钻具联接与组合主要由钻具上可解锁的联动装置所实现。具体地，在钻机动力头下端设置卷扬机1，卷扬机1通过钢丝绳2连接上下滑动的护筒56。该辅助设备为联动装置互动提供服务。辅助设备、联动装置使得多套筒钻具成孔为多个倒锥台阶型钻孔、依次提升钻具同时压灌砼得以实现一种cfg变径倒锥台阶型桩。

实施例二

结合图9所示，本实施例二在实施例一的基础上还提供一种根据实施例一所述钻具制备的cfg变径倒锥台阶型桩，其包括主体桩身71，所述主体桩身71上设置有至少两个倒锥台阶型体72。优选地，主体桩身71上的各段横截面由上到下不断变化。

进一步地，所述倒锥台阶型体72的横截面为圆形，纵剖面为倒梯型。倒锥台阶型体72的倒圆锥盘斜面，可把部分垂直竖向向下的力分解为锥面的切向力和法向力。

其中，所述主体桩身71侧面与水平面的夹角角度略小于或等于90°。

优选地，所述倒锥台阶型体72的倒圆锥盘斜面延长线与主体桩身中心轴线的夹角角度范围宜为：30°～45°。

优选地，所述主体桩身71可根据设计要求桩身中插有钢筋笼。

综上，本实施例提供的cfg变径倒锥台阶型桩包括主体桩身71，所述主体桩身71上设置有至少两个倒锥台阶型体72，其承载力不但有传统桩体的桩侧摩阻力及桩端端承力，而且倒锥台阶型体72的倒锥圆盘斜面，可把部分垂直竖向向下的力分解为锥面的切向力和法向力，桩周土形成被动受压应力状态和挤扩状态，桩周摩擦力增大，综合提高了单桩的承载力，降低了沉降量。

实施例三

结合图10至图16所示，本实施例三还提供一种根据实施例一所述的钻具以制备cfg变径倒锥台阶型桩的方法，其包括如下步骤：

通过动力装置(例如：动力电机)使中心钻具3顺时针/逆时针转动，同时向下移动；

中心钻具3的第一联动装置32接近中间套筒钻具4的第二联动装置42时，由辅助设备卷扬机1提升外套筒钻具5(具体地，卷扬机1通过钢丝绳2提升护筒56，护筒56带动提升外套筒钻具5)，外套筒钻具5的第三联动装置52套设并锁定于中间套筒钻具4的第二联动装置42上，然后带动中间套筒钻具4同步提升，中间套筒钻具4的第二联动装置42最后套设并锁定于中心钻具3的第一联动装置32上，此时各个联动装置互相锁定(这里面的互锁至少可以理解为径向限位，当然轴向上在卷扬机1的作用下也具有相应限位作用)；

通过动力装置(例如：动力电机)使各个钻具同时顺时针/逆时针转动，并向下移动；

各个钻具钻至各自设计深度时，停止转动，钻机主卷扬提升中心钻具3，中心钻具3的下端钻头35打开(露出出料口)，砼泵8启动，开始压灌砼，边压灌砼边提升中心钻具3，之后依次提升中间套筒钻具4、外套筒钻具5(其中，钻头35横界面尺寸略大于中间套筒钻具4下口尺寸，中间套筒钻具4等径螺旋叶片下端最后一层螺旋叶片，渐变螺旋叶片不含，横截面尺寸略大于外套筒钻具5套筒口内径)，直至外套筒钻具5提出孔口标高，同时砼也压灌至设计标高。

进一步地，所述辅助设备卷扬机1提升外套筒钻具5时包括如下步骤：在外套筒钻具5上安装一个护筒56，在护筒56上设置有弹簧装置，辅助设备卷扬机1通过钢丝绳2、弹簧装置与护筒56连接，利用弹簧装置的弹性使外套筒钻具5的第三联动装置52能够自动穿套在中间套筒钻具4的第二联动装置42上；同理利用弹簧装置的弹性使中间套筒钻具的第二联动装置能够自动穿套在中心钻具的第一联动装置上。并且在弹簧装置上设置有限位装置，在弹簧装置的形变量达到预设长度时，限位装置控制辅助设备卷扬机1停止工作。

设置倒锥台阶型体72的原则：桩基或地基处理范围内上部存在(地下水位以上)地层结构稳定、压缩性较小、承载力较高、层厚较大的地层时可设置两个或多个倒锥台阶型体72。

注：钻机主卷扬提升钻具过程中，辅助设备卷扬机1相应配合。中间套筒钻具4为多数时，此种联动装置均可叠加相套互锁到位,形成倒梯型多台阶倒锥台阶型桩。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。