新型变刚度复合桩及其施工方法和施工方法中采用的长螺旋钻机.pdf

本发明公开了一种新型变刚度复合桩，包括置换层和芯桩，芯桩竖向分布于置换层中心，构成置换层的原料在初始灌入桩孔时处于超流态状态。本发明还公开了一种新型变刚度复合桩的施工方法和该方法中采用的长螺旋钻机，其方法包括以下步骤：(1)长螺旋钻机钻杆钻进至设计桩底标高，制备水泥土浆；(2)边压浆边向上反螺旋提钻杆，在上提长螺旋钻机钻杆并压浆的过程中通过压入不同材料形成不同刚度的功能层；(3将芯桩由钢套管中心植入桩孔中的水泥土浆内。上述施工方法制成的复合桩具有承载力高、无废弃泥浆排放和无挤土效应的有益效果，且能够适应不同土质和土层的刚度要求，可在不降低刚度的前提下节省材料成本的目的。

1.  一种新型变刚度复合桩，包括置换层和芯桩，芯桩竖向分布于置换层中心，其特征是：所述置换层包含搅拌均匀的水泥和/或泥土和/或建筑垃圾和/或煤渣和/或矿渣和/或工业废料，构成所述置换层的原料在初始灌入桩孔时处于超流态状态；所述芯桩端部距离桩孔底部间隔一定距离，桩孔中的所述置换层由沿高度方向分布的多段不同刚度的功能层构成。

2.  根据权利要求1所述的新型变刚度复合桩，其特征是：所述功能层包括处于桩孔底部的高强承载端和上水泥土层，高强承载端采用强度远高于水泥土层的材料，所述高强承载端包括水泥砂浆或细石混凝土。

3.  根据权利要求1所述的新型变刚度复合桩，其特征是：所述功能层包括上水泥土层和下高强材料层，下高强材料层采用强度远高于上水泥土层的材料，所述芯桩端部进入下高强材料层，下高强材料层包括水泥砂浆或细石混凝土。

4.  根据权利要求1所述的新型变刚度复合桩，其特征是：所述功能层包括上水泥土层和下高强材料层，下高强材料层采用强度远高于上水泥土层的材料，所述芯桩整体处于上水泥土层中，下高强材料层包括水泥砂浆或细石混凝土。

5.  根据权利要求1所述的新型变刚度复合桩，其特征是：所述功能层包括上高强材料层、中水泥土层和高强承载端，所述上高强材料层和高强承载端均包括水泥砂浆或细石混凝土，所述芯桩进入中水泥土层中。

6.   根据权利要求1所述的新型变刚度复合桩，其特征是：所述功能层包括上高强材料层、中水泥土层和高强承载端，所述上高强材料层和高强承载端均包括水泥砂浆或细石混凝土，所述芯桩整体处于上高强材料层中。

7.   根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的新型变刚度复合桩，其特征是：所述芯桩带有内孔，内孔中注满置换层材料。

8.  一种权利要求1所述新型变刚度复合桩的施工方法，其特征是：包括以下步骤：
     (1) 用振动或锤击或静压方式向桩位中心土层沉入钢套管，钢套管直径大于芯桩直径10～80cm，当桩基涉及的工程带有地下建筑或预留沉降高度时，所述钢套管长度等于或略高于芯桩植入水泥土浆中后浆面的上升高度与空灌高度之和；当桩基涉及的工程不带地下建筑并预留沉降高度时所述钢套管长度等于或略高于芯桩2植入水泥土浆中后浆面的上升高度；
    (2) 用长螺旋钻机钻进至设计桩底标高，在钻进同时，利用钻进取出的土，按照规定的配合比，在地表用高速搅拌机制成超流态的水泥土浆；
    (3) 再用专用泵将水泥土浆通过长螺旋钻机钻杆内腔压入桩孔内，边旋转边上提长螺旋钻机钻杆，通过计算芯桩插入水泥土浆中的溢出量确定芯桩上拔过程中的停止压浆位置，该停止压浆位置以使芯桩插入水泥土浆中后向上满起的水泥土浆接近桩孔最上端为准；
(4) 将芯桩由桩孔中心植入桩孔中的水泥土浆内；
(5) 在水泥土浆初凝之前拔出钢套管。

9.  根据权利要求8所述的新型变刚度复合桩的施工方法，其特征是：步骤（3）中旋转边上提长螺旋钻机钻杆的初始阶段向长螺旋钻机钻杆内腔压入强度高于桩体其他部位水泥土的水泥土浆或水泥浆或水泥砂浆或细石混凝土，使芯桩下端部形成高强度桩承端。

10.  一种权利要求8所述的新型变刚度复合桩的施工方法中采用的长螺旋钻机，其特征是：所述长螺旋钻机为双动力双钻杆长螺旋钻机，双动力双钻杆长螺旋钻机包括机座，所述机座上设置有横向轨道，横向轨道上设置钻机本体，所述钻机本体配置有横向驱动装置以驱动其横向移动，所述钻机本体上设置有至少两排钻机架，每个钻机架上均设置有螺旋钻机和钻杆，所述横向驱动装置和螺旋钻机均与PLC连接。

新型变刚度复合桩及其施工方法和施工方法中采用的长螺旋钻机
技术领域
    本发明涉及建筑基础工程领域，尤其涉及一种新型变刚度复合桩。本发明还涉及新型变刚度复合桩的施工方法。本发明还涉及上述施工方法中采用的长螺旋钻机。
背景技术
水泥土复合桩的结构是外层为水泥土，内层为高强度芯桩，属于基桩范畴，施工方法为植桩法。与同径的钻孔灌注桩及预应力管桩相比，该复合桩能提高单桩承载力，明显降低材料成本，无泥浆排放及挤土效应。根据工程不同用途，可以选择不同规格或类型的芯桩。
    目前国内水泥土形成主要方法是采用高压旋喷法或深层搅拌法将预制好的水泥浆液与地基土进行混合而成，受地层变化及施工设备的限制，水泥浆液与地基土无法充分搅拌均匀，使水泥土层的强度以及其他各项质量指标表现较差，从而影响芯桩与水泥土之间的结合力，降低芯桩的承载能力，导致增大芯桩的沉降量；另外，由于水泥土均匀性差，在芯桩植入时还会产生侧向挤土效应。
发明内容
鉴于背景技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种在施工过程中对周围土体影响较小、不会产生废弃泥浆且承载能力更高的新型变刚度复合桩。本发明所要解决的技术问题还包括提供一种上述新型变刚度复合桩的施工方法。本发明所要解决的技术问题还包括提供一种上述施工方法中采用的长螺旋钻机。
本发明是采取如下技术方案来完成的：新型变刚度复合桩，包括置换层和芯桩，芯桩竖向分布于置换层中心，所述置换层包含搅拌均匀的水泥和/或泥土和/或建筑垃圾和/或煤渣和/或矿渣和/或工业废料，构成所述置换层的原料在初始灌入桩孔时处于超流态状态；所述芯桩端部距离桩孔底部间隔一定距离，桩孔中的所述置换层由沿高度方向分布的多段不同刚度的功能层构成。
本发明还提供了上述新型变刚度复合桩的施工方法，包括以下步骤：
(1) 用振动或锤击或静压方式向桩位中心土层沉入钢套管，钢套管直径大于芯桩直径10～80cm，当桩基涉及的工程带有地下建筑或预留沉降高度时，所述钢套管长度等于或略高于芯桩植入水泥土浆中后浆面的上升高度与空灌高度之和；当桩基涉及的工程不带地下建筑并预留沉降高度时所述钢套管长度等于或略高于芯桩2植入水泥土浆中后浆面的上升高度；
    (2) 用长螺旋钻机钻进至设计桩底标高，在钻进同时，利用钻进取出的土，按照规定的配合比，在地表用高速搅拌机制成超流态的水泥土浆；
    (3) 再用专用泵将水泥土浆通过长螺旋钻机钻杆内腔压入桩孔内，边旋转边上提长螺旋钻机钻杆，通过计算芯桩插入水泥土浆中的溢出量确定芯桩上拔过程中的停止压浆位置，该停止压浆位置以使芯桩插入水泥土浆中后向上满起的水泥土浆接近桩孔最上端为准；
(4) 将芯桩由桩孔中心植入桩孔中的水泥土浆内；
(5) 在水泥土浆初凝之前拔出钢套管。
本发明还提供了上述新型变刚度复合桩的施工方法采用的长螺旋钻机，所述长螺旋钻机为双动力双钻杆长螺旋钻机，双动力双钻杆长螺旋钻机包括机座，所述机座上设置有横向轨道，横向轨道上设置钻机本体，所述钻机本体配置有横向驱动装置以驱动其横向移动，所述钻机本体上设置有至少两排钻机架，每个钻机架上均设置有螺旋钻机和钻杆，所述横向驱动装置和螺旋钻机均与PLC连接。
本发明提供的新型变刚度复合桩及其施工方法具有以下有益效果：
(1) 采用长螺旋钻杆（尤其是双动力双钻杆长螺旋钻机）取土成孔，利用原土或其他廉价材料造浆，减少土方外运，做到资源循环利用，同时采用钻杆快速连接技术，桩长可以超过70m，解决了软土地区桩长受限问题。
(2) 由于在地表制作水泥土浆，可实行水泥土配合比个性化，精细化控制，故水泥土强度与均匀性更有保证，同时采用高速搅拌制成超流态水泥土浆，能提高水泥土强度，在芯桩植入时浆液上溢而不产生侧向挤土效应。
(3) 采用下沉一定长度钢套管，钢套管深度内不用压浆，节省水泥用量，同时还消除在芯桩植入时水泥土浆排放至地表而污染环境。
（4）通过压入不同刚度的材料后，能够适应不同土质和土层的刚度要求，可在不降低刚度和摩阻力的前提下节省材料成本的目的，甚至有所提高。
同传统复合桩工法相比，水泥用量降低约30%，施工效率提高50%以上。
附图说明
本发明有如下附图：
图1为本发明第一种实施例提供的新型变刚度复合桩的结构剖视示意图。
图2为本发明第二种实施例提供的新型变刚度复合桩的结构剖视示意图。
图3为本发明第三种实施例提供的新型变刚度复合桩的结构剖视示意图。
图4为本发明第四种实施例提供的新型变刚度复合桩的结构剖视示意图。
图5为本发明第五种实施例提供的新型变刚度复合桩的结构剖视示意图。
图6为步骤（1）之前沉入钢套管时的操作示意图。
图7为步骤（1）用长螺旋钻机钻杆钻进至设计桩底标高的操作示意图。
图8为步骤（2）边压浆边旋转上提钻杆的操作示意图。
图9为步骤（3）植入芯桩的操作示意图。
图10为步骤（4）拔出钢套管的操作示意图。
图11为芯桩中注入有置换层材料的新型变刚度复合桩的结构剖视示意图。
图12为双动力双钻杆长螺旋钻机的结构示意图。
具体实施方式
附图表示了本发明的技术方案及其实施例，下面再结合附图进一步描述其实施例的各有关细节及其工作原理。
参照图1所示，本发明第一种实施例提供的新型变刚度复合桩，包括置换层1和芯桩2，芯桩2包括砼方桩或预应力管桩或钢管桩或型钢等，芯桩2竖向分布于置换层1中心，所述置换层1包含搅拌均匀的水泥和/或泥土和/或建筑垃圾和/或煤渣和/或矿渣和/或工业废料，即可以用水泥与泥土、建筑垃圾、煤渣、矿渣和工业废料其中之一混合搅拌均匀，也可以与其中的几种混合搅拌均匀，该廉价材料以钻孔产生的原土为主，为了增强强度还可以再加入砂子和细石等，构成所述置换层1的原料在初始灌入桩孔时处于超流态状态（该超流态状态以使芯桩2在插入刚注入的置换层1时不会对桩孔侧壁产生大力挤压，而只会向上升起液面的状态为准），以便芯桩2能够插入而不产生侧向挤土；所述芯桩2端部距离桩孔底部间隔一定距离，桩孔中的所述置换层1由沿高度方向分布的多段不同刚度的功能层构成，功能层包括处于桩孔底部的高强承载端11和上水泥土层12，高强承载端11采用强度远高于上水泥土层12的材料，高强承载端11包括水泥砂浆或细石混凝土，上水泥土层12一般采用上述廉价材料与水泥等混合搅拌而成。本实施例提供的新型变刚度复合桩具有以下有益效果：1）提高单桩的承载能力，减小桩顶沉降，开发利用桩端持力层承载潜力；2）由于单桩承载能力提高，可通过优化基桩设计方案（如缩短桩长，减少桩数，减小桩径），降低工程造价；3）通过压入不同刚度的材料后，能够适应不同土质和土层的刚度要求，可在不降低刚度和摩阻力的前提下节省材料成本的目的，甚至有所提高。
参照图11所示，在上述第一种实施例中，所述芯桩2带有内孔21，内孔21中注满置换层材料。注满芯桩2内孔21的置换层1材料可提高芯桩的承载力和强度
参照图2所示，本发明第二种实施例提供的新型变刚度复合桩与第一种实施例基本相同，区别仅在于：所述功能层包括上水泥土层12和下高强材料层13，下高强材料层13采用强度远高于上水泥土层12的材料，所述芯桩2端部进入下高强材料层13，下高强材料层13包括水泥砂浆或细石混凝土。
参照图3所示，本发明第三种实施例提供的新型变刚度复合桩与第一种实施例基本相同，区别仅在于：所述功能层包括上水泥土层12和下高强材料层13，下高强材料层13采用强度远高于上水泥土层12的材料，所述芯桩2整体处于上水泥土层12中，下高强材料层13包括水泥砂浆或细石混凝土。
参照图4所示，本发明第四种实施例提供的新型变刚度复合桩与第一种实施例基本相同，区别仅在于：所述功能层包括上高强材料层14、中水泥土层15和高强承载端11，所述上高强材料层14和高强承载端11均包括水泥砂浆或细石混凝土，所述芯桩2进入中水泥土层15中。
参照图5所示，本发明第五种实施例提供的新型变刚度复合桩与第一种实施例基本相同，区别仅在于：所述功能层包括上高强材料层14、中水泥土层15和高强承载端11，所述上高强材料层14和高强承载端11均包括水泥砂浆或细石混凝土，所述芯桩2整体处于上高强材料层14中。
参照图6-10所示，本发明提供的新型变刚度复合桩的第一种施工方法，包括以下步骤：
(1) 用振动或锤击或静压方式向桩位中心土层沉入钢套管4，钢套管4直径大于芯桩直径10～80cm，当桩基涉及的工程带有地下建筑或预留沉降高度时，所述钢套管4长度等于或略高于芯桩植入水泥土浆中后浆面的上升高度与空灌高度之和；当桩基涉及的工程不带地下建筑并预留沉降高度时所述钢套管4长度等于或略高于芯桩2植入水泥土浆中后浆面的上升高度；
    (2) 用长螺旋钻机钻进至设计桩底标高（当桩长超出单螺旋钻杆的最长长度时，一般可以用双动力双钻杆长螺旋钻机，采用接杆的方式钻进到更深的土层中，在现有的技术水平下单螺旋钻杆的极限长度在40-50米之间），在钻进同时，利用钻进取出的土，按照规定的配合比，在地表用高速搅拌机制成超流态的水泥土浆；
    (3) 再用专用泵将水泥土浆通过长螺旋钻机钻杆5内腔压入桩孔内，边旋转边上提长螺旋钻机钻杆5，通过计算芯桩插入水泥土浆中的溢出量确定芯桩上拔过程中的停止压浆位置，该停止压浆位置以使芯桩插入水泥土浆中后向上满起的水泥土浆接近桩孔最上端为准，一般在所述钻杆5底部接近钢套管4底部时停止压浆；当桩端需要加强以增强摩阻力和端部承载面积时，可以在旋转上提长螺旋钻机钻杆5的初始阶段向长螺旋钻机钻杆5内腔压入强度高于桩体其他部位水泥土的水泥土浆或水泥浆或水泥砂浆或细石混凝土，使芯桩下端部形成高强度桩承端3，该桩承端3增加了芯桩端部在桩孔底部的承载面积，也增强了摩阻力。
(4) 将芯桩2由桩孔中心植入桩孔中的水泥土浆内，所述芯桩2包括砼方桩或预应力管桩或钢管桩或型钢；该步骤中若芯桩中空，则植入前用钢板将芯桩封底，芯桩2底部插入至桩承端一定深度。
(5) 在水泥土浆初凝之前拔出钢套管4。
参照图12所示，本发明还提供了上述置换式压灌水泥土复合桩的施工方法中采用的长螺旋钻机，该长螺旋钻机可以为单螺旋钻杆的钻机，也可以为双动力双钻杆长螺旋钻机，双动力双钻杆长螺旋钻机包括机座16，所述机座16上设置有横向轨道17，横向轨道17上设置钻机本体18，所述钻机本体18配置有横向驱动装置以驱动其横向移动，所述钻机本体18上设置有至少两排钻机架19，每个钻机架19上均设置有螺旋钻机20和钻杆5，纵向驱动装置、横向驱动装置和螺旋钻机20均与PLC连接。操作者可以通过控制连接PLC的操作平台控制纵向驱动装置、横向驱动装置和螺旋钻机20，进而实现钻杆5与桩孔的对位，实现双钻杆5的切换，切换时只需通过横向移动钻机本体18即可依次将双钻杆对准桩孔，从而实现双钻杆5的快速、准确地对接。在本实施例中，机座16会配置纵向移动装置，该纵向移动装置可以是设置在机座16底部的驱动轮，也可以将机座16设置于纵向轨道21上，所述机座16配置有纵向驱动装置以驱动其纵向移动。
为了增强芯桩2的承载力，本发明还提供了第二种施工方法，该方法与第一种施工方法基本相同，区别仅在于增加了以下步骤：步骤（3）中向上反螺旋提钻杆的初始阶段向长螺旋钻机钻杆5内腔压入强度高于桩体其他部位水泥土的水泥土浆或水泥浆或细石混凝土，使芯桩2下端部形成高强度桩承端3。