现场灌注大直径钢筋混凝土管桩的工艺方法和设备 【技术领域】
本发明涉及土建施工的地基加固技术，具体为桩基工程的现场灌注大直径钢筋混凝土管桩的工艺方法和设备技术，国际专利主分类号拟为Int.Cl7.E02D 11/00。
背景技术
土建施工的地基加固技术常采用预应力管桩。目前使用的预应力管桩直径范围在300-800mm之间，可称为小直径管桩。对于直径小于450mm的预应力管桩，一般可采用静压法将管桩压入土层，但对于直径450mm-800mm的管桩，只能采用振动法沉入，而对于直径800-1500mm的大直径管桩，以上两种方法均不能实现沉桩。大直径管桩相对于小直径管桩具有更大的承载力，在地基处理时能使地基获得更可靠的稳定性，从而提高建筑的安全性，是目前地基施工市场的重要需求。
有关现场灌注混凝土空心管桩(小直径)的文献已见一些报道：例如，《管桩混凝土抗压强度及管桩抗弯实验验证》(蒋元海，江苏建材，2001年第3期)、《高强度预应力混凝土管桩应用前景广阔》(蒋元海，适用技术市场，1994.第1期)、《先张法预应力混凝土薄壁管桩的生产及应用开发》(蒋元海，云南建材，2002.第1期)等文提供了先张法预应力混凝土管桩(PTC)和高强混凝土管桩(PHC)在我国实验、开发和实用的有关情况，但无论PTC和PHC哪种形式，两种管桩均不能与桩上部的基础构成桩基础结构，而只能作为复合地基，同时振动法沉入管桩的施工方法会产生很大噪音和油气污染。
目前检索到与本发明设备(钻机)相关的现有技术文献为两篇：一篇是“现浇混凝土薄壁管桩机”(专利号02263293.X)，另一篇是“用于成型混凝土桩的螺旋钻机”(专利号02203243.6)。文献1介绍了一种施工用现浇混凝土薄壁管桩机。它采用复式地基沉模结构，其钻杆的上半部分是单层钢管，上接振动头，下半部分是双层内外套管空腔结构，下接活瓣桩靴结构、成模润滑造浆器，单层钢管长度远大于双层内外空腔，结构复杂，特别是该钻机采用振入法成管桩，噪音大、污染多，且只适用软土地基处理，所形成地管桩直径也不能太大，应用范围受到约束。专利文献2介绍了一种用于成型混凝土桩的螺旋钻机。该钻具带有螺旋刀片，但其钻杆分为上、中、下三个部分，且下端接有钻头，结构十分复杂。该钻机通过钻头和螺旋刀片的旋转钻进，成孔后为实芯的圆柱体结构，不能形成管桩，同时由于目前钻杆设备的局限性，成桩直径不能太大，应用范围也受到很大约束。
对于现场灌注大直径钢筋混凝土管桩的方法和设备技术，特别是采用普通混凝土代替预应力混凝土制造大直径钢筋混凝土管桩技术，以及适用于大直径钢筋混凝土管桩施工的管桩钻机技术，目前尚未发现更接近的文献报道。
【发明内容】
针对现有技术的不足，本发明解决的技术问题就是提供一种现场灌注大直径钢筋混凝土管桩的工艺方法。它使用普通混凝土替代预应力混凝土，采用现场浇注方法，直接制成承载力更大的大直径钢筋混凝土管桩。本发明方法具有取料容易，操作简单，成本低廉，无污染，应用范围广等特点。该工艺方法可适用于复合地基，桩基础工程以及基坑支护工程。
本发明解决的另一个技术问题就是同时提供一种适用于所述的大直径钢筋混凝土管桩施工方法的管桩钻机。它具有结构简单，动力消耗少，操作容易，适用范围广等特点。
本发明解决所述现场灌注大直径钢筋混凝土管桩工艺方法技术问题的技术方案是：设计一种现场灌注大直径钢筋混凝土管桩的工艺方法，包括：钻孔、灌注、提钻、压笼和成桩等工艺过程，其特征在于所述的钻孔工艺采用管桩钻机直接钻出筒管状的桩基孔；所述灌注工艺使用的混凝土为超流态普通混凝土，配方为水泥∶水∶细石∶砂子＝1∶0.45～0.55∶1.72～1.8∶0.26～0.28；所述水泥选用标号为325～625号的普通硅酸盐水泥或硅酸盐水泥，细石为粒径0.5～1.0cm的石子，砂子采用砂率0.45～0.50的中砂；所述灌注工艺的泵送压力为2～4Mpa；所述钻进和提钻工艺的钻进和提钻速度均为4～6m/10分钟。
本发明解决所述现场灌注大直径钢筋混凝土管桩设备技术问题的技术方案是：设计一种可现场灌注大直径钢筋混凝土管桩的管桩钻机，包括可移动的底盘、固定在底盘上的塔身及安装在其上端依次机械相连的升降系统、动力装置、传动系统和钻杆，从钻杆上部至其末端并贴附其身设有注料管，其特征在于所述的钻杆为空芯钻杆，并且其外部沿其长度焊接有等经的螺旋刀片。
本发明所述的工艺方法不使用现有技术使用的素混凝土或改进的高强混凝土，而采用普通混凝土现场来制造大直径钢筋混凝土管桩，在满足管桩强度要求的同时，降低了成桩成本，提高了其抗弯和抗剪的能力。本发明工艺方法所适用的管桩钻机，结构简单，操作容易，可比较容易地施工成大直径筒管状(具有一定厚度的环状断面的)桩基，可以提高桩基的承载能力，具备更广泛的适用性。本发明工艺方法和设备适用于填土、砂土、粉土等土层，特别是对于地质条件特殊而承载力要求又很高的工程，更能发挥其优势。在现场浇灌施工中，相对于振入法成管桩工艺，本发明无泥浆、无油气，无噪音，无震动等污染，对相临基础也无影响，综合成本低，特别适合在环保要求高的城建、市政或公路建设工程以及隐蔽工程中使用，具有广阔的应用前景和巨大的市场价值。
【附图说明】
图1为本发明所述的管桩钻机的整体结构示意图；
图2为本发明所述的管桩钻机空芯钻杆5的断面结构示意图；
图3为本发明所述的管桩钻机空芯钻杆5下端的局部放大结构示意图；
图4为本发明所述的管桩钻机空芯钻杆5钻入地面后的断面结构示意图。
【具体实施方式】
下面结合实施例及其附图对本发明作进一步叙述：
本发明设计的现场灌注大直径钢筋混凝土管桩的工艺方法，包括：钻孔、灌注、提钻、压笼和成桩等工艺过程。这些工艺过程与现有技术没有本质区别，同时也意味着这些现有技术是本发明工艺方法的基础技术。本发明的特征在于所述的钻孔工艺采用管桩钻机直接钻出筒管状的桩基孔。所述的筒管状桩基孔是指横断面为具有一定厚度的圆环状的桩基孔。实施例使用的管桩钻机可以直接钻出内径为600-1500mm、壁厚为100-200mm筒管状地桩基孔。具体桩基孔内径和管桩壁厚(圆环内外径之差)的大小取决于工程的需要和管桩钻机钻杆直径设计。
本发明所述灌注工艺所用的混凝土为超流态普通混凝土，其配方为：水泥∶水∶细石∶砂子＝1∶0.45-0.55∶1.72-1.8∶0.26-0.28(水灰比0.45～0.55)，所述的水泥选用标号为325～625号的普通硅酸盐水泥或硅酸盐水泥，细石为粒径0.5～1.0cm的石子，砂子采用砂率0.45～0.50的中砂。在所述的水泥配方中，还可以加入添加剂，以进一步改善其性能。添加剂为减水剂和UWB-1缓凝型絮凝剂。减水剂为萘系减水剂为SNF-6、NN0或UNF-4，UWB-1缓凝型絮凝剂为聚丙烯酰。添加剂的用量按水泥1的0.003～0.0075比例加入，也即按1.2kg/m3-3.0kg/m3水泥的比例加入。减水剂与絮凝剂之间的比例按常规比例配置。
所述混凝土具体实施例的工艺参数为(参见表-1)：初凝时间控制为8～18h，坍落度21cm～25cm。受测试块为边长150mm的立方体，养护温度20±3度，湿度≥90％，养护时间28天。由表-1的实验数据可以看出：超流态混凝土的强度等级可达C15-C20。
本发明方法灌注时，通过输送泵(图中没画出)和所述的送料管4压入所述的超流态混凝土，输送泵的泵送压力为2～4Mpa。灌注时，可通过调整所述的泵送压力来控制出料口混凝土的流量，使其在8-10m3/小时(指一个出料口时。如多料口时为其总量)的范围内工作。灌注时，还需要通过所述的提升系统1匀速提升钻杆5，直至设计标高，提升钻杆5的速度为4-6m/10分钟。过快的提升速度，易造成塌孔的危险；提升速度过慢时，灌注的效率不高。
(表1) 型号 及标号 水泥 (kg) 沙 (kg) 水 (kg) 石子 (kg) 添加剂 (kg)轴心抗压强度 (MP)普硅酸盐325 400 690 190 105 1.5 10.8硅酸盐425 400 700 200 100 1.8 12.3硅酸盐625 400 700 210 110 3 14.7
本发明灌注混凝土后，需要压笼。所谓的压笼就是把钢筋笼压入管桩(已灌注好混凝土的筒管形桩基孔)内。压笼也要达到设计标高。实施例使用的主筋为II级螺纹钢筋，规格为φ6-12。压笼采用常用的压入机械设备。
本发明工艺方法在压笼后，常温养护即可成桩——现场灌注的大直径钢筋混凝土管桩。
本发明所述的工艺方法由于是采用现场灌注混凝土后压入钢筋笼的工艺方法，可以适用于填土、砂土、粉土等土层等。当本发明工艺方法用于作复合地基管桩时，可做封顶，有利于桩基安全；而当用于桩基础时，可按设计要求预留受力主筋，使之与上部的基础构成桩基础结构，亦可作为很好的深基坑支护。同时，本发明工艺方法不会产生油气和噪声污染，具有绿色生产的含义。
与本发明工艺方法相适应，本发明同时设计了一种用于现场灌注大直径钢筋混凝土管桩工艺方法的管桩钻机。本发明设计的管桩钻机(以下简称钻机，参见图1)，包括可移动的底盘8、固定在底盘8上的塔身7以及安装在其上端依次机械相连的升降系统1、动力装置2、传动系统3和钻杆5，从钻杆5上部至其末端并贴附其身设有注料管4，其特征在于所述的钻杆5为空芯钻杆5，并且其外部沿其长度焊接有等径的螺旋刀片6。
本发明所述的管桩钻机的进一步特征在于所述空芯钻杆5为无缝钢管，直径400-1100mm，管壁厚10-20mm；所述螺旋刀片6本身的径向长度为100-200mm，螺距为200-400mm。
本发明的钻机钻进时，由空芯钻杆5(参见图1、2、3和4)上部的动力装置2和传动装置3带动空芯钻杆5(以下简称钻杆)旋转，同时依靠钻杆5本身的重力向下钻入施工土层9。动力装置2由两台功率为50千瓦的电机组成，转速10-23转/分钟，以4-6m/10分钟速度钻进。钻进时，由于压力的作用，土体进入钻杆5的空芯部分(钻杆5的下端没有钻头)，形成圆柱形土柱；同时，钻杆5外侧螺旋刀片6将土柱周围的土旋转带出。当钻进到达设计标高时，停止钻进。此时即可形成所述的筒管体结构(参见图4)。本发明钻机所述的提升系统1、动力装置2和传动装置3均为现有技术。
在所述钻机钻进成孔过程中，钻杆5顶部的注料管4与混凝土输送泵断开。当钻进到达设计标高时，将两者连接后，由输送泵以2～4Mpa的压力经注料管4向所钻筒管形桩基孔底压灌所述的超流态混凝土。超流态混凝土由注料管4末端的出料口进入桩基孔空腔内。出料口应位于螺旋到片6的非受力侧，内置瓣塞结构，防止土堵塞出料口。出料口可设计一个，也可设计为多个。当设计多个时，应沿钻杆5的圆周均匀布置。灌注混凝土时，出料口内置瓣塞会自动打开，使混凝土流入桩基孔空腔内。注料管和出料口的结构是现有技术，本发明没有给出其结构示意图。