端头超径灌注桩用钢筋骨架.pdf

本发明公开了一种端头超径灌注桩用钢筋骨架，包括沿同一圆周分布的多根纵向钢筋，沿竖向方向分布、与纵向钢筋连接的多根环形钢筋，位于灌注桩扩孔段内的纵向钢筋上均布设置有径向发散钢筋，发散钢筋由一根直筋弯折成上竖向段、水平段和下竖向段构成，且发散钢筋铰接在纵向钢筋或环形钢筋上；纵向钢筋上对应于每一发散钢筋还设置有卡固定位机构：定位卡和定位片分别焊接在纵向钢筋外侧和内测，位于下方的定位卡正面设有供发散钢筋卡入的开口槽，定位卡侧面开有一个盲孔，盲孔贯穿开口槽并延伸向外，盲孔内从内向外依次设置有插销、弹簧以及调节螺钉。本发明形成的端头超径扩孔桩具有桩底受力面积大、单桩荷载承载力高、单桩底部抗震能力强的优点。

1、  一种端头超径灌注桩用钢筋骨架，包括沿同一圆周分布的多根纵向钢筋(1)，沿竖向方向分布、与纵向钢筋连接的多根环形钢筋(22)，其特征是：所述位于灌注桩扩孔段(25)内的纵向钢筋(21)上均布设置有径向发散钢筋(23)，发散钢筋由一根直筋弯折成上竖向段、水平段和下竖向段构成，且发散钢筋铰接在纵向钢筋或环形钢筋上；纵向钢筋上对应于每一发散钢筋还设置有卡固定位机构：定位卡(26)和定位片(27)分别焊接在纵向钢筋(21)外侧和内测，位于下方的定位卡正面设有供发散钢筋卡入的开口槽(26d)，定位卡侧面开有一个盲孔，盲孔贯穿开口槽并延伸向外，盲孔内从内向外依次设置有插销(26c)、弹簧(26b)以及调节螺钉(26a)。

端头超径灌注桩用钢筋骨架
本申请为专利申请号200710049584.1(发明创造名称：机钻端头超径扩孔的灌注桩施工方法及其专用器具；申请日：2007年7月23日)的分案申请。
技术领域
本发明涉及钢筋混凝土灌注桩的施工方法，特别是具有大直径桩基的灌注桩的施工方法及专用机具，尤其涉及高层、超高层工民建工程在以非基岩为持力层的地质情况下，通过增大桩基底部受力面积，在不改变桩径桩深前提下成倍提高单桩承载力，提高整体抗震能力的施工技术及专用器具。
背景技术
目前在以非基岩为持力层的地质情况下，上部荷载极大的高层、超高层工民建工程为保证不超过地基承载力，一般采用加大桩径、增加桩身长度来提高单桩承载力；但是，加长加大桩体直径必然会导致混凝土用量巨增，而且，当桩体长度和直径之比过大时，桩体的承载力以及抗剪能力显著降低。在有的工程采用人工挖扩桩，但极度危险；也有一些工程采用了机钻端头扩孔的方法，但扩孔能力仅在0.5-1d(d为桩身直径)。
中国专利文件公开了“一种大承载力叠合桩(CN1106491A)，它主要由高压旋喷桩与灌注桩叠合而成”。中国专利文献还披露了一种“高压旋喷插芯扩底槽”(CN1441124A)，其大直径的桩底同样采用高压旋喷方法扩底后，插入钢筋混凝土的沉管桩等形成。有与底部均采用高压旋喷方式形成，存在桩底尺寸难以准确保证的缺点。此外，中国专利文献还公开了一种“灌注桩桩底的处理方法”(CN1051771A)，它是由已成孔的灌注桩孔底岩土中，喷注加压水泥素浆，震捣密实后，再使用注浆管加压灌注形成桩底。它桩底尺寸同样难以保证，且不能加钢筋笼形成钢筋混凝土的大直径桩底。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题而提供一种机钻端头超径扩孔的灌注桩施工方法，以适应高层、超高层工民建工程要求，解决在以非基岩为持力层的地质情况下，在不增加桩径、不加长桩深前提下，通过端头超径扩孔成倍增大桩底受力面积，提高单桩承载力，提高抗震能力。
本发明的目的是这样实现的：一种机钻端头超径扩孔的灌注桩施工方法，按以下步骤进行：
a)采用常规桩工钻机施工至预定扩孔深度；
b)更换扩孔钻头进行扩孔段施工，使桩底形成直径为2～4倍桩身直径的近圆柱体或锥台体；
c)利用重力或外力下放钢筋笼；
d)浇注混凝土形成灌注桩。
本发明的另一目的是提供上述机钻端头超径扩孔的灌注桩施工方法专用的扩孔钻头，以解决端头超径孔的钻孔问题。
本发明的另一目的是这样实现的：一种端头超径灌注桩用扩孔钻头，钻头结构为：用作与钻杆连接的变径接头的下部固联有外环套和内环套，内、外环套之间活动地设置有导向杆，导向杆顶部的内、外环套之间设有弹簧，四组设有刀头的刀架均布铰接在变径接头底部，每组刀架由相互铰接的两个条形刀架组成，且条形刀架的下部固联在导向杆上。
上述导向杆内的注水通道与变径接头内的水通道连通，两个条形刀架内设置有相互连通的水通道，且该水通道经通孔与导向杆内的注水通道连通；每个条形刀架上开有与其内水通道连通、用于冷却刀头的喷孔。
本发明的再一个目的是提供上述机钻端头超径扩孔的灌注桩施工方法专用的，能够收放的钢筋骨架，以解决将预先制作的钢筋骨架从上向下放入端头超径孔、再进行浇注的问题。
本发明的再一目的是这样实现的：一种端头超径灌注桩用钢筋骨架，包括沿同一圆周分布的多根纵向钢筋，沿竖向方向分布、与纵向钢筋连接的多根环形钢筋，位于灌注桩扩孔段内的纵向钢筋上均布设置有径向发散钢筋，发散钢筋由一根直筋弯折成上竖向段、水平段和下竖向段构成，且发散钢筋铰接在纵向钢筋或环形钢筋上；纵向钢筋上对应于每一发散钢筋还设置有卡固定位机构：定位卡和定位片分别焊接在纵向钢筋外侧和内测，位于下方的定位卡正面设有供发散钢筋卡入的开口槽，定位卡侧面开有一个盲孔，盲孔贯穿开口槽并延伸向外，盲孔内从内向外依次设置有插销、弹簧以及调节螺钉。与现有技术相比，本发明具有以下特点和优点：
扩大桩底受力面积
通过端头超径扩孔，根据S＝лR²，端头桩径扩大一倍，桩底受力面积扩大为4倍。
1、提高单桩的荷载承载力
由〔P〕＝1/2U∑f_i L_i+m₀〔σ〕A，知桩底截面积的增大能提高单桩的荷载承载力。
式中：U为桩周各土层的极限桩侧摩阻力；
f_i为桩端阻力折减系数；
L_i为桩身穿过i土层的长度；
m₀为桩身截面周长(M)，按成孔桩径计算；
〔σ〕为桩底地基土的容许承载力(KPa)，＝σ₀+K₂r₂(4d-3)+K’₂r₂(6d)；
A为桩底截面积(M²)；
σ₀为基底地基土的基本承载力。K₂为修正系数，K’₂对于黄土和粘性土为1.0，对于其他土，为K₂的一半，r₂为基底以上土的平均容重。
根据不同直径扩底桩下的单桩承载力的试验(见下表)及公式计算校核，可以看出随着扩底直径的加大，桩能承受的荷载也在急剧增加。

2、提高单桩的底部抗剪能力
底部双层高强度发散钢筋固定在距桩底和桩侧10CM的位置，增强桩底的抗剪能力。
3、提高整体抗震能力
通过扩大桩底受力面积、减小桩底受力荷载、变摩擦桩为端承桩，可减小桩基在振动条件下基础被液化、软化的程度，从而提高整体抗震的能力。
4、构思巧妙、设计新颖、机械结构简单，扩孔效率高
利用条形刀架旋转的离心力张开刀架，对岩土进行切割、剥离、撞击，扩孔效率高。
5、刀架刀头的使用寿命长
钻孔时，经钻杆引入的压力水从变径接头进入导向杆，再经导向杆上的通孔注入条形刀架内的水通道，最后，从刀架上的喷孔喷出，对条形刀架上的硬质含金刀头进行冷却，从而延长了刀架刀头的使用寿命。
6、采用本扩孔头施工，可形成端头超径灌注孔，一方面扩大桩底受力面积(端头桩径扩大1倍，桩底受力面积扩大为4倍)，另一方面极大提高单桩的荷载承载力，最终提高了建筑物的整体抗震能力。
7、钢筋骨架上的发散钢筋可以收拢，也可以放开，收拢时发散筋的上竖向段与竖向筋平行，因而可以方便地从上至下放入端头超径孔中，再置于孔中当发散筋放开后，再经卡固定位机构定位，而处于径向发散位置，有利于灌注桩的现场浇注。
8、可以加快端头超径灌注桩的施工进度，钢筋骨架可以预先焊接制作，其制作可与钻孔同时进行，可缩短工期。
9、预先制作钢筋骨架，有利于保证灌注桩施工质量。
10、发散高强钢筋骨架，有利于提高混凝土灌注桩的抗剪能力，从而增强该型桩基的稳定性。
11、改变桩基荷载的分布形式，提高该型桩基承受动荷载的能力，从而进一步增强该型桩基的稳定性。
附图说明
图1是扩孔钻头的立体图；
图2是图1所示纵向(Y向)剖面图；
图3是图2所示条形刀架的断面图；
图4是图2所示刀头沿A-A线的剖面图；
图5是图2所示刀头底部嵌合在刀架上的示意图；
图6是钢筋骨架置于端头超径孔内的主视图；
图7是图6所示钢筋骨架的俯视图(只示出一个层面上的发散钢筋)；
图8是卡固定位机构与一根发散钢筋的立体示意图(发散钢筋处于收拢位置)；
图9是图8所示卡固定位机构与一根发散钢筋的立体示意图(发散钢筋处于放开位置)；
图10是图8的纵向剖面图；
图11是图9的纵向剖面图；
图12是图10所示定位卡的Z向(垂直于纸面方向)剖面图；
图13是图11所示定位卡的Z向(垂直于纸面方向)剖面图。
具体实施方式
一种机钻端头超径扩孔的灌注桩施工方法，其特征是：按以下步骤进行：
a)采用常规桩工钻机施工至预定扩孔深度；
b)更换扩孔钻头进行扩孔段施工，使桩底形成直径为2～4倍桩身直径的圆柱体或锥台体；
c)利用重力或外力下放钢筋笼；
d)浇注混凝土形成灌注桩。
本发明详细施工步骤如下：
施工工艺为平整场地→放桩位线并复测→钻机就位→校正钻杆对中和垂度→钻孔→出渣→清运土→安放孔口钢护孔管→测量孔深、垂直度→继续钻孔→达到预定扩孔深度，更换钻头→启动防止扩孔段垮塌、并排出钻渣的重泥浆循环系统→检查孔深→清孔底沉积至合格→下钢筋笼→浆液置换→边浇混凝土，边拔出孔口钢护孔管。
图1图2示出，钻头结构为：用作与钻杆连接的变径接头1的下部固联有外环套3和内环套4，内、外环套之间活动地设置有导向杆5，导向杆顶部的内、外环套之间设有弹簧2，四组设有刀头的刀架均布铰接在变径接头底部，每组刀架内都由相互铰接的两个条形刀架(如，条形刀架6、8)组成，且条形刀架6的下部固联在导向杆上。图中变径接头1上有台肩，变径接头用作与钻杆连接。内环套与外环套相当于两根圆管形成的套管，导向杆5活动地设置在内、外环套之间。未受外力作用时，一组的两个条形刀架之间的夹角可为180°，此时弹簧处于未受力状态。图1中，条形刀架6、8为一组，条形刀架10、12为一组，条形刀架7、9为一组，条形刀架11、13为一组。条形刀架6(上端)、8(下端)相互铰接，条形刀架8的上端铰接在变径接头上，条形刀架6的下端与导向杆5固联。另外三组的连接方式与条形刀架6、8完全相同。四组刀架上设有(钢丝)定位绳14，以限制刀架张开角度。导向杆5内的注水通道5a与变径接头1内的水通道1a连通，两个条形刀架6、8内设置有相互连通的水通道6b，且该水通道经通孔与导向杆内的注水通道5a连通；每个条形刀架6上开有与其内水通道连通、用于冷却刀头的喷孔。从喷孔引出冷却水对刀头进行冷却，同时，利用水的压力带出钻孔时的岩屑。所有条形刀架上的刀头按等间距设置，且左、右相邻的两个条形刀架8、12上的刀头错位设置(参见图1，如，条形刀架12上的刀头与条形刀架8上的刀头在同一竖直高度上相互错位；同样，条形刀架10、6上的刀头相互错位)。参见图3，每个条形刀架的结构均为：硬质合金刀头6a的端头呈十字形(图5)，并固定在刀条6c上，刀条嵌设在条架6e上、并经螺钉6d固定。
图1中刀头采用硬质合金钻头，其形状不局限于图示形状，本处仅给出示意。
图6图7示出，端头超径孔由上部钻孔24和下部扩孔段25组成，扩孔段25的直径一般可为钻孔24的2～4倍。扩孔段底部可与水平方向呈0～15度夹角。多根纵向钢筋21沿同一圆周均布在环形钢筋22上，多根环形钢筋沿竖向(图7中)分布并与纵向钢筋连接，位于灌注桩扩孔段内的纵向钢筋上均布设置有径向发散钢筋23，且发散钢筋铰接在纵向钢筋或环形钢筋上；纵向钢筋上对应于每一发散钢筋还设置有卡固定位机构。可以在纵向钢筋上焊接一个限位块作为定位卡固机构，发散钢筋放开时，被纵向钢筋上的限位块挡住而使其定位，并处于与竖向筋垂直的灌注桩的径向位置。
发散钢筋可以是一根直筋，也可以是由一根直筋弯折成上竖向段、水平段和下竖向段构成(也可以说由一根直筋顺时针弯折90度，再逆时针弯折90度而成。
图8图10图12中，发散钢筋处于收拢位置，即其上弯折段位于与竖向钢筋平行的位置。
图9图11图13中，发散钢筋处于放开位置，即其上弯折段位于与竖向钢筋垂直的位置(也是径向位置)。
图10、11、12、13中，卡固定位机构为：定位卡26和定位片27分别焊接在纵向钢筋外侧和内侧，位于下方的定位卡26正面设有供发散钢筋卡入的开口槽26d，定位卡侧面开有一个盲孔，盲孔贯穿开口槽并延伸向外，盲孔内从内向外依次设置有插销26c、弹簧26b以及调节螺钉26a。参见图7，发散钢筋的上竖向段处于竖向位置(与纵向钢筋平行)时，插销由于弹簧作用力，抵靠在发散钢筋上；参见图8，发散钢筋受外力偏转后，位于开口槽底部，插销从开口槽中穿过，将发散钢筋卡固在开口槽中。
本发明的概述如下：
a、特制的扩孔钻头，能让桩底形成直径为1-4d(d为桩身直径)的圆锥体；
b、利用重泥浆、孔内加压等方法维持扩孔段的稳定；
c、利用重力或机械外力使放入桩孔钢筋网的扩孔段底部双层高强度发散钢筋固定在距桩底和桩侧10CM的位置，使高强度发散钢筋在向上(灌注桩的径向上)布满整个扩孔段。