一种改变桩外土体的施工装置及其施工方法

技术领域

本发明是涉及一种可广泛应用在建筑工程、桥梁工程、市政工程、水利工程等各种需要基础承载力的领域，具体地说是涉及一种改变桩外土体的施工装置及其施工方法。

背景技术

随着城市日益加速发展，高层建筑日渐增多，对桩的承载力提出了更高的要求。

现有的提高桩承载力的方法是采取直径大、桩身长的钻具打桩，但光靠扩大设备桩径及增大挤土扭矩来满足市场需求显然是不经济的，因为桩机设备增大，必然导致运输及安装周期变长，耗能加大。

其次，现有的打桩机打桩只是直接将钻具钻至预设深度，然后提钻泵送混凝土成桩，这种成桩工艺的弊端是：下钻目的单一，未充分利用下钻的作用。这种施工工艺没有改变桩身周围土体的抗剪切力，成桩后桩体的混凝土与桩身周围土体易分离、没有适配性，使得桩体的承载力和侧摩阻力减弱。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种改变桩外土体的施工装置及其施工方法，在不增大设备体积的情况下，通过在桩身周围添加固结材料，改变桩身周围土体的力学性能，提高土体自身强度使单桩承载力，侧摩阻力增强，桩身与周围土体的适配性趋于一致，从而达到用最小成本，实现设备能耗降低、桩机体量减小而单桩承载力大幅提高。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种改变桩外土体的施工装置，包括：桩机1、牵引绳动力轮2、牵引绳3、动力头4、挤压钻具5、旋转接头8、储料箱9、通气管10和风源11；所述桩机1上设有牵引绳动力轮2，牵引绳动力轮2上设有牵引绳3，牵引绳3牵引动力头4；动力头4与旋转接头8和挤压钻具5依次连接；挤压钻具5上设有中心管6、导流气道7和储料箱9；旋转接头8与导流气道7连通，并通过通气管10连接风源11；储料箱9与导流气道7连通；当挤压钻具5向下挤压地层时，启动风源11，此时储料箱9中装有固结材料，风源中的风会将储料箱9中的固结材料通过导流气道7输送至挤压钻具底端。

优选地，还包括：注浆管12和混凝土源13；所述注浆管12一端与动力头4连接，另一端与混凝土源13连接。

优选地，所述挤压钻具5为全螺杆钻具、半螺杆钻具或者双向螺旋挤扩钻具。

优选地，所述固结材料为水泥或者水泥的混合物质。

优选地，所述风源11为空气泵或者变频风机。

优选地，改变桩外土体的施工装置的施工方法，包括以下步骤：

步骤1：准备下钻；

步骤2：下钻后边钻边输送固结材料至钻头处，直至钻至设计深度；

步骤3：桩外土体改变结束。

优选地，所述步骤1包括：测量定位；桩机1、牵引绳动力轮2、牵引绳3、动力头4、挤压钻具5、旋转接头8、储料室9、固结材料、通气管10和风源11就位；移动桩机1使挤压钻具5对准预定位置，调平并稳固桩机5，保证挤压钻具5的垂直度；向储料箱加入固结材料后升钻。

优选地，所述步骤2包括：启动动力头4，启动风源11；这样使得固结材料、风和土体在挤压钻进的过程中拌合挤密。

本发明的有益效果是：

1、与现有技术相比本发明的施工方法，充分开发利用了钻具下钻时的作用。在下钻时边钻边风压送入固结材料，使得地层土体与固结材料拌合挤密，大大改变了桩身周围的土体环境，使得地层土体更加密实，从而增大了桩身周围土体的抗剪切力，改善了土体的受力机理，提高了单桩的承载能力，达到了与大桩身同样的承载效果，使得运用本发明的施工方法桩机设备体量更小、功耗更低，更加绿色环保。

2、由于挤压钻具自重很大，不易控制钻速，本发明在挤压钻具上设置了导流气道，使得气体通过导流气道进入地层时，会给挤压钻具一个向上的作用力，当加大风源的气体压力时，向上的作用力也就越大，反之作用力变小，因此本发明的风源吹送气体不仅具有改变地层土体的作用，而且具有抵消挤压钻具自重、调节钻速的作用，具有多重技术效果。

3、本发明将储料箱外置在钻具上，方便随时加入固结材料，所以本发明可以根据地层土体的变化随意搭配固结材料，便于改造地层土体，使得地层土体与桩身适配性更强。

附图说明

图1为本发明改变桩外土体施工装置的整体示意图。

图2为图1的局部放大图。

图中：1—桩机，2—牵引绳动力轮，3—牵引绳，4—动力头，5—挤压钻具，6—中心管，7—导流气道，8—旋转接头，9—储料箱，10—通气管，11—风源，12—注浆管，13—混凝土源。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

下面结合实例对本发明做进一步详细描述，但不局限于实例。

由图1、图2可知，一种改变桩外土体的施工装置，包括：桩机1、牵引绳动力轮2、牵引绳3、动力头4、挤压钻具5、旋转接头8、储料箱9、通气管10和风源11。所述桩机1为履带式桩机或者步履式桩机便于移动，桩机1上设有牵引绳动力轮2，牵引绳动力轮2由电机或者内燃机驱动，牵引绳动力轮2上设有牵引绳3，牵引绳3通过桩机顶端的定滑轮牵引动力头4，达到起放挤压钻具5的目的，且由于挤压钻具自重大其依靠自身重力也可钻入地层。动力头4是施工钻具工作的动力源，可以是电机驱动或者液压马达驱动，动力头4与旋转接头8通过法兰连接，旋转接头8和挤压钻具5可以法兰连接或者通过销子插拔式连接。动力头4、旋转接头8和挤压钻具5上的中心管6依次连通。挤压钻具5上设有导流气道7，旋转接头8与导流气道7连通，并通过通气管10连接风源11。旋转接头8由内外圆环两部分组成，内圆环外壁有环形凹槽，外圆环内壁有环形凹槽，当内圆环固定套接在外圆环内时，此时内外圆环之间就形成环形管路，环形管路与通气管10连通，内圆环环身内有空心细管可与导流气道7密封连接，且与内外圆环形成的环形管路连通，在钻具旋转时，连接通气管10的外圆环并不旋转，内圆环随钻旋转，以此将动力头4做的功传导至挤压钻具5上。挤压钻具5上的中心管6是内置在挤压钻具5中的空心管路，导流气道7外置在挤压钻具外壁上，且延伸至挤压钻具5的两端，其进口与旋转接头8内圆环环身内的空心细管连通，出口在挤压钻具底端。储料箱9通过支架固定设置在挤压钻具5上，储料箱9为带有密封盖的圆台形储料箱，打开时可以装入固结材料，合闭时储料箱与挤压钻具5形成密封空间，使得固结材料在钻进的过程中不易飞洒在外面，储料箱9与导流气道7连通，当准备下钻时向储料箱9中加入固结材料，挤压钻具5向下挤压地层时，此时打开风源11，风源11中的风经过通气管10进入旋转接头8，经由旋转接头8进入储料箱上面的导流气道7，然后进入储料箱9，并带动储料箱9中固结材料一起进入储料箱下面的导流气道7，直至从钻具底端的导流气道7吹出，这样就使得固结材料在挤压钻进的过程中与地层土体拌合挤密。

进一步的，所述导流气道7为圆形钢管。如果挤压钻具为直杆钻具，通过固定支架将圆形钢管固定在挤压钻具5的外壁；如果挤压钻具为螺杆钻具可将圆形钢管穿过螺牙后固定在挤压钻具5的外壁上。

进一步的，本发明中的挤压钻具5是具有挤压土体功能钻具，可选用全螺杆钻具、半螺杆钻具或者双向螺旋挤扩钻具。螺杆钻具在施工时，由于钻进过程中钻头会切削土壤，使钻具周围的土壤受力特点改变，这样使得随风送入的固结材料会和地层土体充分混合，从而改变土体性质，使得土体抗剪强度变强。当然也可以选用设置有搅拌片的直杆钻具，在直杆钻具底端设置有搅拌片，也可达到挤压、搅拌土体的效果。

进一步的，所述固结材料为水泥或者水泥的混合物质，该水泥的混合物质是：粉碎固态建筑垃圾、豆石或者加有混凝土速凝剂的物质。

该水泥的混合物质还可以是：包括水泥、石屑、石灰粉、HEC固化改良剂、高岭土混合而成，当然固结材料的具体百分比，可以根据不同施工地区的地层环境随时加减。如在延安地区可以减小石屑的比重，具体质量百分为：水泥40%，石屑10%，石灰粉20%，HEC固化改良剂15%，高岭土15%；在榆林北部地区可以加大石屑和石灰的比重，因为该地区松软土层厚，具体质量百分为：水泥35%，石屑20%，石灰粉30%，HEC固化改良剂10%，高岭土5%；在宝鸡地区，由于该地区土壤水分相对大，可以加大HEC固化改良剂，具体质量百分为：水泥30%，石屑15%，石灰粉25%，HEC固化改良剂20%，高岭土10%。

进一步的，所述风源11为空气泵、变频风机或者其他具有出风功能的空气压缩机。

进一步的，动力头4可以是市售的动力头。

本发明一种改变桩外土体的施工装置的施工方法，包括以下步骤：

步骤1：准备下钻。

具体包括：测量定位；桩机1、牵引绳动力轮2、牵引绳3、动力头4、挤压钻具5、旋转接头8、储料室9、固结材料、通气管10、风源11、注浆管12和混凝土源13就位；移动桩机使挤压钻具对准预定位置，调平并稳固桩机，保证挤压钻具的垂直度；向储料箱加入固结材料后升钻，所述混凝土源为是连接有市售混凝土或者自制混凝土的泵车。

步骤2：下钻后边钻边输送固结材料至钻头处，直至钻至设计深度；

具体包括：启动动力头4，下放牵引绳3，启动风源11，这样使得固结材料、风和土体在挤压钻进的过程中拌合挤密。

进一步的步骤为：

启动动力头4后下放牵引绳3，使动力头4带动挤压钻具5，正向钻至地层30cm—100cm。

启动风源，此时产生的风经由通气管10进入旋转接头8，经由旋转接头8进入储料箱上面的导流气道7，然后进入储料箱9，并带动储料箱9中固结材料一起进入储料箱下面的导流气道7，直至从钻具底端的导流气道7吹出。

随钻随观察风源的压力指针变化情况，如果压力指针摆幅过大，则减小钻杆转速，否则加大钻杆转速，直至钻入预设深度；当然也可根据施工需要随时关闭或者启动风源，一般情况在钻入设计深度三分之二后停止风源，固结材料输送终止。

二次测量定位。下钻后进行第二次钻杆检验或校正，随钻随检验桩孔的垂直度，确保钻杆垂直钻入地层，此时可以通过直接观察法和测量法判断钻杆是否垂直于桩位。

步骤3：桩外土体改变结束。

此时分两种情况：

第一种桩外土体改变结束，不需要成桩操作，此时，关闭风源，逆向缓慢将挤压钻具钻出，交由后续施工队施工或成桩。

第二种桩外土体改变结束，需要成桩操作，此时可以依次进行如下操作：

灌浆阶段：将混凝土源13中的混凝土，通过注浆管12动力头4、旋转接头8泵送至挤压钻具中心管6中，再通过中心管6输送到挤压钻具5的底端，即：钻头处，边逆向提钻边灌注混凝土。在钻头上设计有单向活门，单向活门的作用起单向阀的作用，在钻具钻进过程中防止土壤进入钻具内部，且可顺利泵出水泥浆；在提钻过程中，单向活门可顺利泵出混凝土，完成灌注形成桩体。

沉放钢筋笼：当挤压钻具5提出桩孔之后，要迅速清理孔口浮土，将预先吊起的钢筋笼沉入混凝土中，沉入过程中不能完全卸载，直到钢筋笼沉入到指定深度，完成钢筋笼的沉放。

下放钢筋笼后振动：下放钢筋笼后，开启振动器，使钢筋笼完全置于桩中；可以采用下拉式传力杆或者其他的振动器将钢筋笼完全沉放在混凝土桩中。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性地包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者还是包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。