专利名称：混凝土桩及用于成型这种桩的螺旋钻机和方法
技术领域：
本发明涉及一种混凝土桩，以及用于成型这种混凝土桩的螺旋钻机和方法。
背景技术：
随着建筑行业的高速发展，建筑工程对地基的设计施工要求越来越高，因此混凝土桩在高层建筑、桥梁、港口和近海建筑等工程中得到越来越广泛的应用。为了使桩基能够满足抗变形，抗震等建筑设计要求，常采用加长桩体、加大桩体直径等方式来提高承载力。但是，加长或加大桩体直径必然会导致增大混凝土的用量，特别是当桩体长度和直径之比过大时，桩体的承载能力会显著下降，因此，通过加长或加大桩体来提高桩体的承载能力往往是徒劳的，同时势必还会造成混凝土的大量浪费。本申请人通过实际研究发现，桩体所受到的垂直和水平载荷在地面以下的浅层受力较大，因此只需加大在地面以下的浅层处的桩体直径便能够大大提高混凝土桩的承载能力，且能够节省混凝土用量。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种混凝土桩，以及用于成型这种混凝土桩的螺旋钻机和方法。采用本发明，不但能够保证并提高桩体承载能力，有效地保持桩体的设计形状，同时还能够大大节省混凝土的用量，在各种地质条件下，能够快速、高质量地进行施工，并降低工程造价。
为了实现上述目的，本发明提供了一种混凝土桩，其由上部，下部以及连接了所述上部和下部的中部一体构成，所述上部的直径大于所述下部的直径。
另外，作为对本发明的进一步改进，所述上部的直径与所述下部的直径之比为(1.2～6)∶1。
另外，作为对本发明的进一步改进，所述中部为倒锥台形，其斜面延长线与混凝土桩的中心轴线的夹角为5°～90°，通常该夹角为45°。
另外，作为对本发明的进一步改进，所述中部由沿混凝土桩轴向设置的多个倒锥台和连接相邻倒锥台的圆柱部分组成。
另外，作为对本发明的进一步改进，所述上部的深度L应大于0.1米。
另外，作为对本发明的进一步改进，在混凝土桩中插有钢筋笼。
另外，作为对本发明的进一步改进，在所述混凝土桩的最外层和周围土层之间形成有水泥浆扩孔护壁层。
本发明还提供了一种用于成型混凝土桩的螺旋钻机，其包括底盘，设置在底盘上的钻塔以及通过钻塔上的升降系统安装在钻塔上的钻具，所述钻具设有带螺旋刀片的空心钻杆，其顶端经动力头与混凝土供料管的一端可相对转动地相互连通，其下端设有钻头，在所述空心钻杆的下端出料口处设有阀板，所述钻具由上部，下部以及连接所述上部和下部的中部一体构成，所述上部的直径大于所述下部的直径。
另外，作为对本发明的进一步改进，所述钻具的上部的直径与其下部的直径之比为(1.2～8)∶1。
另外，作为对本发明的进一步改进，所述钻具的中部为至少一个倒锥台形。所述倒锥台形中部的斜面延长线与混凝土桩的中心轴线的夹角为5°～90°。
另外，作为对本发明的进一步改进，在所述空心钻杆内沿其轴向设有内注浆管，其上端与用于供给水泥浆的外部供浆管相连，所述内注浆管的下端与水泥浆喷嘴连通。
另外，作为对本发明的进一步改进，所述水泥浆喷嘴设置在位于所述钻具底部的螺旋刀片的非受力面下且不应超出所述螺旋刀片的非受力面边缘。喷嘴的数量为一个两个或更多，它们对称于所述空心钻杆的轴线分布。
本发明还提供了一种用于成型混凝土桩的方法，其包括以下步骤当钻具最下端的钻头的钻进深度达到预成型混凝土桩的大直径上部所具有的深度后，开动泥浆泵，经水泥浆喷嘴旋喷出水泥浆，以形成水泥浆扩孔护壁层；当钻具最下端的钻头达到混凝土桩的设计成型深度后，提升钻具，同时，经钻具内的空心钻杆压灌混凝土，混凝土填实钻出的孔以达到混凝土桩的成型高度后，移开钻具，以形成混凝土桩。
作为对本发明方法的进一步改进，所述水泥浆喷嘴的喷射压力为0.1-30Mpa。
作为对本发明方法的进一步改进，在灌注混凝土后，插入钢筋笼。
通过本发明的混凝土桩，不但能够保证并提高桩体承载能力，有效地保持桩体的设计形状，同时还能够大大节省混凝土的用量，例如在同等条件下，用同等数量的混凝土材料，能够提高桩体的承载能力达80％以上。采用本发明中用于成型混凝土桩的螺旋钻机和方法，能够在各种地质条件下，快速、高质量地进行施工，制造出具有特定形状的混凝土桩，并降低工程造价。
从以下附图能够更清楚地理解本发明的特点和优点，其中图1(a)-1(d)分别描述了本发明不同结构的混凝土桩；图2为本发明的螺旋钻机的整体示意图，在该图中可以看到，本发明的螺旋钻机外接有混凝土泵，砼搅拌机和泥浆泵、水泥浆搅拌机；图3为本发明的螺旋钻机的详细正视图；
图4(a)为本发明螺旋钻机中钻具的详细视图；图4(b)为表示水泥浆喷嘴在螺旋刀片上设置结构的局部放大视图；图5(a)-5(f)为表示用于成型本发明混凝土桩的方法过程的示意图。
具体实施例方式
图1(a)-(d)分别描述了本发明不同结构的混凝土桩。从这些附图中可清楚地看到，本发明的混凝土桩10的共同特点在于其由上部10A，下部10C以及连接了上部10A和下部10C的中部10B一体构成。上部10A的直径D大于下部10C的直径d且D∶d的比为(1.2～8)∶1。上部10A的深度L通常大于0.1米。如图1(b)所示，所述中部10B为倒锥台形，其斜面延长线与混凝土桩10的中心轴线I的夹角为5°～90°，通常为45°。在混凝土桩10的最外层和周围土层之间形成有水泥浆护扩孔壁层12。根据实际需要，也可对本发明的混凝土桩10的结构作出一定的改进，如图1(d)所示，可以在混凝土桩10中插入钢筋笼14，或如图1(c)所示，可加厚下部10C和周围土层之间的水泥浆扩孔护壁层12。当插入钢筋笼14时，根据抗水平力的要求，通常，上部10A的深度L＞2.5D。
上面已经论述了本发明的混凝土桩10的结构，下面，参照图2-4(b)对用于形成所述混凝土桩10的本发明螺旋钻机20以及用于该钻机的钻具28进行详细说明。
所述螺旋钻机20包括底盘22，设置在底盘22上的钻塔24以及通过钻塔上的升降系统26安装在钻塔24上的钻具28。钻具28设有带螺旋刀片28a的空心钻杆28b。如图3和4a所示，钻具28的形状与上述混凝土桩10相似，也由具有大直径的上部，倒锥台形的连接中部和具有较小直径的下部一体构成，其具体结构、设计参数与上述混凝土桩的结构和参数相一致，故在这里不作进一步的详细描述。空心钻杆28b的顶端经动力头30与混凝土供料管32的一端可相对转动地相互连通，混凝土供料管32的另一端与混凝土泵41相连以实现向空心钻杆28b内供给混凝土。电动机31能够通过图中未示出的减速机构驱动动力头30转动，从而带动空心钻杆28b转动以进行钻孔作业。在空心钻杆28b内沿其轴向设有一根内注浆管34。内注浆管34上端设有注浆器36，注浆器36经外部供浆管38与水泥浆供给源、即搅拌机40a、水泥浆搅拌机40c和泥浆泵40b相连。内注浆管34的下端与水泥浆喷嘴42相连通。如图4(b)所示，所述水泥浆喷嘴42设置在最下部螺旋刀片28a的非受力面下，且不应超出螺旋刀片28a的非受力面边缘以防止堵塞。这样，在钻孔时，通过水泥浆喷嘴42向周围上壤层喷出由内注浆管34供给的水泥浆，以在周围土壤层上形成水泥浆护壁层12。在本实施例中，喷嘴42的方向与空心钻杆28b的轴向大致垂直，但是本领域普通技术人员应理解，根据实际情况，例如根据土壤特性，在硬土层施工时，可以将喷嘴42的喷射角度改为与水平面呈10°～45°夹角。喷嘴42通常为两个且对称于空心钻杆28b轴线分布，当然也可采用三个或更多。在空心钻杆28b的下端焊接有钻头44，在空心钻杆28b的下端出口和钻头44之间设有封闭空心钻杆28b的下端出口的阀板46，阀板46的下端可铰接在钻头44上且由固定在钻头和阀板上的如弹簧这样的控制装置(图中未示出)来控制阀板46相对于空心钻杆28b下端的开启，以实现混凝土的排出。当然，还可采用其它的装置或结构来控制阀板相对于空心钻杆28b的开启，例如可参见本申请人的授权公告号为ZL96212544.X的实用新型专利。
下面，对本发明中用于形成混凝土桩的方法进行详细说明。
图5(a)-5(f)示意性地表示了用于成型本发明混凝土桩的过程，其中，图5(a)表示了钻具向下进行钻孔同时旋喷水泥浆的步骤，图中的箭头方向表示钻具的钻进方向；图5(b)表示了钻具钻达到设计深度时的状态，图中的箭头方向表示钻具的钻进方向。图5(c)表示了钻具达到设计深度后提升钻具同时压灌砼的步骤，图中的箭头方向表示钻具的提升方向；图5(d)表示了在钻出的孔中填实混凝土的步骤；图5(e)表示了插入钢筋笼的步骤，图中的箭头方向表示钢筋笼的插入方向；图5(f)表示了将钢筋笼插到底的步骤。
如图5(a)-5(f)所示，本发明的方法是这样实现的当钻具最下端的钻头的钻进深度达到预成型混凝土桩的大直径上部所具有深度L后，开动泥浆泵，经注浆供给源、外部供浆管、注浆器、内注浆管和水泥浆喷嘴以0.1-40Mpa的压力旋喷出水泥浆；当钻具最下端的钻头达到混凝土桩预成型的深度H后，提升钻具并停止旋喷水泥浆，同时，打开所述阀板，经空心钻杆压灌混凝土，混凝土填实钻出的孔达到混凝土桩的成型高度后，移开钻具。之后，根据实际需要，可插入钢筋笼，从而形成混凝土桩。
采用这种方法，由于在钻孔的过程中，通过旋喷出水泥浆，可在混凝土桩的最外层和周围土层之间形成水泥浆扩孔护壁层，因此能够防止混凝土以及其中的水分不会渗入周围的土壤中，从而能够有效地保持混凝土桩的设计形状，并减少混凝土用量，特别是所述的倒锥台中部，避免产生塌孔的的危险；同时旋喷出的水泥浆在钻进中被挤压并顺孔壁上升，以起到润滑剂的作用。
以上内容仅是本发明的最佳实施例。显然，在不脱离本发明思想的前提下，本领域普通技术人员可对本发明作出各种变型和改进。例如，可以在混凝土桩中依次用多个倒锥台连接部分连接相邻的直径上部和小直径下部，这些倒锥台形连接部分的斜面延长线与混凝土桩的中心轴线(I)的夹角可均为5°～90°。当前地基加固的理论、在设计上采用桩土共同承担荷载，这样可以充分发挥天然地基的承载力，倒锥台形桩基承载力，由桩体和锥台共同发挥，有较大的扩散角，使桩体间距加大到4-8d后，可以减少桩数1/3-1/2，同样起到来减桩前的承载力效果，此种桩最大特点，可以使地基平衡，横向水平力受到更大的约束，沉降值变低，复合地基呈现柔性。所以加大桩基的浅层部份的横载面积是提高桩基垂直，水平承载力的最有效的方法。
本申请人通过实际研究发现，群桩设计上同样可以采用桩土共同承担荷载理论，用压灌砼桩施工可以解决桩端无沉渣、虚土和孔壁松弛和沉降值变小，提高水平、垂直承载力。应强调的是，在不脱离本发明思想的前提下，所有这些改进均应落入本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种混凝土桩，其特征在于所述混凝土桩由上部(10A)，下部(10C)以及连接所述上部和下部的中部(10B)一体构成，所述上部(10A)的直径D大于所述下部(10C)的直径d。
2.根据权利要求1所述的混凝土桩，其特征在于所述上部(10A)的直径D与所述下部(10C)的直径d的比为(1.2～8)∶1。
3.根据权利要求2所述的混凝土桩，其特征在于所述中部(10B)为倒锥台形，其斜面延长线与混凝土桩的中心轴线(I)的夹角为5°～90°。
4.根据权利要求3所述的混凝土桩，其特征在于所述夹角为45°。
5.根据权利要求2所述的混凝土桩，其特征在于所述中部(10B)由沿混凝土桩轴向设置的多个倒锥台和连接相邻倒锥台的圆柱部分组成。
6.根据权利要求5所述的混凝土桩，其特征在于所述倒锥台的斜面延长线与混凝土桩的中心轴线(I)的夹角为5°～90°。
7.根据权利要求3所述的混凝土桩，其特征在于所述上部(10A)的深度L大于0.1米。
8.根据权利要求1-7中任意一条所述的混凝土桩，其特征在于在所述混凝土桩的最外层和周围土层之间形成有水泥浆扩孔护壁层(12)。
9.根据权利要求1-7中任意一条所述的混凝土桩，其特征在于在所述混凝土桩中插有钢筋笼。
10.根据权利要求9中任意一条所述的混凝上桩，其特征在于在所述混凝土桩的最外层和周围土层之间形成有水泥浆扩孔护壁层(12)。
11.一种用于成型混凝土桩的螺旋钻机，其包括底盘，设置在底盘上的钻塔以及通过钻塔上的升降系统安装在钻塔上的钻具(28)，所述钻具设有带螺旋刀片(28a)的空心钻杆(28b)，其顶端经动力头(30)与混凝土供料管(32)的一端可相对转动地相互连通，其下端设有钻头(44)，在所述空心钻杆的下端出口设有阀板(46)，其特征在于所述钻具由上部，下部以及连接所述上部和下部的中部一体构成，所述上部的直径大于所述下部的直径。
12.根据权利要求11所述的螺旋钻机，其特征在于所述钻具(28)的上部的直径与其下部的直径之比为(1.2～8)∶1。
13.根据权利要求12所述的螺旋钻机，其特征在于所述钻具的中部为至少一个倒锥台形。
14.根据权利要求13所述的螺旋钻机，其特征在于所述倒锥台形中部的斜面延长线与钻杆的中心轴线(I)的夹角为5°～90°。
15.根据权利要求11-14中任意一条所述的螺旋钻机，其特征在于在所述空心钻杆(28b)内沿其轴向设有内注浆管(34)，其上端与用于供给水泥浆的外部供浆管(38)相连，所述内注浆管的下端与水泥浆喷嘴(42)连通。
16.根据权利要求15所述的螺旋钻机，其特征在于所述水泥浆喷嘴(42)设置在位于所述钻具底部的螺旋刀片的非受力面下且不超出所述螺旋刀片的非受力面边缘。
17.根据权利要求16所述的螺旋钻机，其特征在于喷嘴42的数量为两个或更多，它们对称于所述空心钻杆(28b)的轴线分布。
18.一种用于成型混凝土桩的方法，其包括以下步骤当钻具最下端的钻头的钻进深度达到预成型混凝土桩的大直径上部所具有的深度后，开动泥浆泵，经水泥浆喷嘴旋喷出水泥浆，以形成水泥浆扩孔护壁层；当钻具最下端的钻头达到混凝土桩的设计成型深度后，提升钻具，同时，经钻具内的空心钻杆压灌混凝土，混凝土填实钻出的孔达到混凝土桩的成型高度后，移开钻具，以形成混凝土桩。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于所述水泥浆喷嘴的喷射压力为0.1-40Mpa。
20.根据权利要求18或19所述的方法，其特征在于在灌注混凝土后，插入钢筋笼。
全文摘要
本发明涉及一种混凝土桩，其由上部，下部以及连接上部和下部的倒锥台形中部一体构成。上部的直径大于下部的直径上部，中部为倒锥台形且其斜面延长线与混凝土桩10的中心轴线的夹角为5°～90°。本发明还涉及用于成型这种混凝土桩的螺旋钻机和方法。
文档编号E02D5/30GK1435541SQ02103619
公开日2003年8月13日 申请日期2002年1月29日 优先权日2002年1月29日
发明者何庆林, 何霞, 何滨 申请人:何庆林, 何霞, 何滨