本發明創造涉及建筑領域樁施工基礎，具體的涉及一種螺旋柱體擠土鉆頭及利用其的成樁施工方法。

背景技術：

在建筑樁基礎中，螺旋擠土泵壓灌混凝土樁因施工效率高，適應地層廣，成樁承載力高，節能減排等優點被廣泛應用。其中螺桿樁、雙向螺旋擠擴樁和螺旋錐體擠土樁是典型代表，在具體的實施中都有應用。螺桿樁是一種非排土擠土樁，它采用專用的螺桿樁施工設備來完成，設備制造成本高。設備的同步控制技術是核心，即在樁長的范圍內，鉆具每正(反)轉一轉，向下(上)移動一個螺距，確保所成巖土螺牙的不擾動，保持原有巖土的應力狀況。在具體實施中，樁埋深巖層的性質也影響同步控制技術的精度。在軟地層，鉆進阻力小，同步控制精度較好；在較硬或硬地層，擠土鉆進阻力大，要求施工設備具有很大的輸出扭矩(大于500KN.m)，這樣的設備制造費用更高，質量更大，對施工現場要求更高，造成施工輔助費用更高。現實中，螺桿樁只適應于軟地層的施工，無法應用于硬巖層，這對基樁埋深內巖層性質有了限定，也就限定了螺桿樁的應用范圍。雙向螺旋擠擴樁是利用雙向螺旋擠土鉆頭擠擴成孔，泵壓灌混凝土，后置鋼筋籠成樁，呈柱體樁型。其擠擴成孔采用先鉆后擠的方式，它是利用雙向螺旋擠擴鉆頭中柱體螺旋鉆頭部分將土體旋鉆出來，并通過螺旋葉片由下而上運送到錐體芯管部分，旋鉆下來的巖土通過錐體芯管逐漸擠入樁孔側壁，對于比較復雜的地層如黏土層、夾礫石層等，旋鉆下來的巖土會阻塞螺旋葉片所形成的運輸通路，從而產生憋鉆現象。施工中雙向螺旋擠擴鉆頭的上部與光桿鉆具聯接，光桿鉆具的外徑遠小于擠擴鉆頭所形成的孔徑，由于地層的不同，擠擴孔壁的穩定性有時很差，會出現塌落現象，產生埋鉆。螺旋錐體擠土樁是采用螺旋錐體擠土鉆頭直接擠擴成孔，泵壓灌混凝土，后置鋼筋籠而成，所成的樁是柱體型，樁的承載力是由端阻和側摩阻構成，側摩阻的大小是由樁徑、樁長及不同樁周巖土層的極限側阻力標準值來決定。同一地質條件，要獲得高承載力的樁只能加大樁徑或加長樁長來保證。螺旋錐體擠土鉆頭只具備鉆進時直接擠擴成樁孔，不具備擴孔擴徑的功能。

技術實現要素：

為了解決上述問題，本發明創造提供一種螺旋擠土成樁質量更好、成本更低，功效更高，更加環保的施工方法和鉆頭。

本發明創造采用的技術方案是：包括螺旋擠土葉片、聯節和芯管，聯節與芯管焊接成一體結構，在聯節和芯管外緣盤繞螺旋擠土葉片，芯管下端設有合金齒Ⅰ和耳板，芯管的底部端口安裝焊接在一起的擋板和鉆尖，擋板通過鉆尖與安裝在耳板上的銷軸Ⅰ活動連接，擋板和鉆尖繞銷軸Ⅰ旋轉打開芯管底部端口后，鉆尖的尖頂部A繞芯管中心線所成的圓的半徑φ₃大于螺旋擠土葉片外緣所形成的圓的半徑φ₁，設φ₃和φ₁差值為δ，所述的5mm≤δ≤80mm；鉆尖上設有合金齒Ⅱ。

上述的螺旋柱體擠土鉆頭，芯管內設有連桿Ⅰ、連桿Ⅱ、銷軸Ⅱ、加力板、銷軸Ⅲ、銷軸Ⅳ、桿座Ⅰ和桿座Ⅱ；桿座Ⅰ安裝在芯管的內壁上，桿座Ⅱ安裝在擋板上，連桿Ⅰ一端與安裝在桿座Ⅰ上的銷軸Ⅲ連接，連桿Ⅰ的另一端通過銷軸Ⅱ與連桿Ⅱ連接，連桿Ⅱ的另一端與安裝在桿座Ⅱ上的銷軸Ⅳ連接；加力板安裝在連桿Ⅰ上，一端伸出連桿Ⅰ用于限位連桿Ⅱ。

上述的螺旋柱體擠土鉆頭，芯管內設有連桿Ⅰ、連桿Ⅱ、銷軸Ⅱ、加力板、銷軸Ⅲ、銷軸Ⅳ、桿座Ⅰ和桿座Ⅱ；設有兩組耳板，兩組耳板對稱安裝在芯管的下端；由兩個活動連接的擋板Ⅰ構成擋板，由兩個活動連接的鉆尖Ⅰ構成鉆尖，每個擋板Ⅰ焊接一個鉆尖Ⅰ，兩個擋板Ⅰ分別通過鉆尖Ⅰ與安裝在芯管兩側的耳板上的銷軸Ⅰ活動連接，兩組擋板Ⅰ和鉆尖Ⅰ繞各自的銷軸Ⅰ旋轉打開芯管底部的端口后，兩組鉆尖Ⅰ的尖頂部A’所構成的圓的半徑φ₄大于螺旋擠土葉片外緣所形成的圓的半徑φ₁，設φ₄和φ₁差值為δ₁，所述的5mm≤δ₁≤80mm；桿座Ⅰ與加力板連接，兩個桿座Ⅱ分別安裝在兩個擋板Ⅰ上，連桿Ⅰ一端與安裝在桿座Ⅱ上的銷軸Ⅲ連接，連桿Ⅰ的另一端通過銷軸Ⅱ與連桿Ⅱ連接，連桿Ⅱ的另一端與安裝在桿座Ⅱ上的銷軸Ⅳ連接；連桿Ⅰ和連桿Ⅱ的旋轉通過加力板限位。

上述的螺旋柱體擠土鉆頭，螺旋擠土葉片設有擠土缺口。

上述的螺旋柱體擠土鉆頭，螺旋擠土葉片外緣所形成的圓的半徑φ₁，芯管的半徑為φ₂，2φ₁＝350～800mm，φ₂＝(0.58～0.75)φ₁。

本發明的螺旋柱體擠土鉆頭按照鉆尖打開的方式不同可分為無連桿單鉆尖鉆頭、單連桿單鉆尖鉆頭和雙連桿雙鉆尖鉆頭。其共同特點是鉆尖繞銷軸旋轉打開時，鉆尖的尖頂部繞鉆頭中心線所成的圓半徑都大于鉆頭最大半徑一定的數值δ；其區別是鉆尖結構及打開方式不同。

螺旋柱體擠土成樁施工方法，利用上述的螺旋柱體擠土鉆頭，將螺旋柱體擠土鉆頭與螺旋擠土鉆具組合在一起，擠土成樁施工方法如下：

1)鉆機就位，螺旋柱體擠土鉆頭對準樁位；

2)啟動鉆機動力頭，對螺旋擠土鉆具和螺旋柱體擠土鉆頭施加順時針方向轉矩并向下釋放動力頭，螺旋柱體擠土鉆頭開始作擠土鉆進，在向下鉆進的過程中，螺旋擠土葉片在向上傳輸巖土的同時，進行徑向擠土，形成圓柱形同徑樁孔；

3)到達施工深度后，動力頭順時針旋轉并提升螺旋擠土鉆具和螺旋柱體擠土鉆頭，同時向芯管內泵壓灌混凝土，螺旋柱體擠土鉆頭在上升的過程中，擋板和鉆尖在自重及芯管內混凝土的壓力下繞銷軸Ⅰ旋轉打開，鉆尖的尖頂部壓入樁孔壁內，隨著螺旋柱體擠土鉆頭的旋轉并上提，鉆尖尖頂部做螺旋上升式擠土，在圓柱形同徑樁孔的內壁上，形成螺旋狀溝槽，形成內壁帶有溝槽的樁孔；從芯管流出的混凝土在灌注樁孔的同時充滿溝槽至設計標高。

4)用振搗器將已制好的鋼筋籠沉入樁孔中，完成一次施工。

本發明創造的有益效果是：

(1)技術優勢：兩次擠土壓灌成樁，樁承載力高，沉降量小，成樁質量高，抗拔能力強。

(2)成本優勢：單樁承載力高，排土少，節省混凝土用量。

(3)環保優勢：無泥漿外排，成樁無噪音，無振動。

(4)適用范圍：適用于泥質黏土、黏性土、粉土、砂土、含小礫石黏性土、黃土和強風化土等，樁徑在φ350～φ800mm之間，其最長30m。

(5)本發明創造采用兩次擠土方式，在減少成樁孔排土量的同時，增加了成樁的側阻力值，從而達到提高基礎樁承載的能力。

(6)本發明創造，鉆進時，完成樁孔的第一次擠土，所成樁孔為一等徑的柱體孔，同時有部分殘土排放在樁孔外；灌注時，鉆頭在順時針旋轉并向上提升的過程中，同時泵壓灌混凝土，鉆尖在自重及鉆具芯管內壓力混凝土的作用下被完全打開，鉆尖的尖頂部對已形成的柱體孔壁進行再次擠壓，形成一定深度和寬度的螺旋溝槽，壓灌的混凝土隨即充填滿，所形成的樁為變徑樁，改變了柱孔樁側阻受力機理。在側摩阻的基礎上增加了豎向抗剪切能力，從而提高了樁的承載能力和抗拔能力。

附圖說明

圖1是本發明創造的結構示意圖。

圖2是螺旋擠土葉片的結構示意圖。

圖3是實施例1的無連桿單鉆尖螺旋柱體擠土鉆頭的結構試圖。

圖4是實施例1的鉆頭打開示意圖。

圖5是實施例2單連桿單鉆尖螺旋柱體擠土鉆頭結構示意圖。

圖6是實施例2的鉆頭打開示意圖。

圖7是實施例3雙連桿雙鉆尖螺旋柱體擠土鉆頭結構示意圖。

圖8是實施例3的鉆頭打開示意圖。

圖9是施工方法示意圖。

圖10是圖9中I部放大圖。

具體實施方式

實施例1無連桿單鉆尖螺旋柱體擠土鉆頭及成樁施工方法

(一)無連桿單鉆尖螺旋柱體擠土鉆頭

如圖1-圖4所示，螺旋柱體擠土鉆頭，包括螺旋擠土葉片1、聯節2、芯管3、耳板4、合金齒Ⅰ5、擋板6、鉆尖7和銷軸Ⅰ8。

聯節2和芯管3焊接成一體結構，聯節2和芯管3上盤繞螺旋擠土葉片1，螺旋擠土葉片1上設有擠土缺口1-1，螺旋擠土葉片1外緣所形成的圓的半徑為φ₁，聯節2和芯管3圓半徑為φ₂。2φ₁＝350～800mm，其中φ₂＝0.58～0.75φ₁。螺距H＝1.2～1.6φ₁。

芯管3下端設有合金齒Ⅰ5和耳板4。

芯管3的底部端口安裝焊接在一起的擋板6和鉆尖7，擋板6通過鉆尖與安裝在耳板4上的銷軸Ⅰ8活動連接。

如圖4所示，鉆尖7與擋板6組成的結構體繞銷軸Ⅰ8自由旋轉時，由于重力的作用，鉆尖的尖頂部A自然狀態就能滿足δ值。在實踐壓灌注混凝土時，芯管3內流出的混凝土對鉆尖及擋板具有加大旋轉角度及增大δ值的作用，保持δ的一定值，滿足擠土效果。擋板6和鉆尖7繞銷軸Ⅰ8旋轉打開芯管端口后，鉆尖7的尖頂部A繞芯管3中心線所成的圓的半徑φ₃大于螺旋擠土葉片1外緣所形成的圓的半徑φ₁，設φ₃和φ₁差值為δ，所述的5mm≤δ≤80mm。

鉆尖7上設有合金齒Ⅱ7-1。

(二)螺旋柱體擠土成樁施工方法

如圖9和圖10所示，將上述的無連桿單鉆尖螺旋擠土鉆頭與螺旋擠土鉆具組合在一起，擠土成樁施工方法如下：

1)鉆機就位，螺旋柱體擠土鉆頭對準樁位；

2)啟動鉆機動力頭，對螺旋擠土鉆具和螺旋柱體擠土鉆頭施加順時針方向轉矩并向下釋放動力頭，螺旋柱體擠土鉆頭開始作擠土鉆進，在向下鉆進的過程中，螺旋擠土葉片在向上傳輸巖土的同時，進行徑向擠土，形成圓柱形同徑樁孔；

3)到達施工深度后，動力頭順時針旋轉并提升螺旋擠土鉆具和螺旋柱體擠土鉆頭，同時向芯管內泵壓灌混凝土，螺旋柱體擠土鉆頭在上升的過程中，擋板6和鉆尖7在自重及芯管內混凝土的壓力下繞銷軸Ⅰ8旋轉打開，鉆尖的尖頂部A壓入樁孔壁內，隨著螺旋柱體擠土鉆頭的旋轉并上提，鉆尖尖頂部做螺旋上升式擠土，在圓柱形同徑樁孔的內壁上，形成螺旋狀溝槽，形成內壁帶有溝槽14的樁孔；從芯管流出的混凝土在灌注樁孔的同時充滿溝槽至設計標高。

4)用振搗器將已制好的鋼筋籠沉入樁孔中，完成一次施工。

實施例2單連桿單鉆尖螺旋柱體擠土鉆頭及成樁施工方法

如圖5-圖6所示，單連桿單鉆尖螺旋柱體擠土鉆頭，包括螺旋擠土葉片1、聯節2、芯管3、耳板4、合金齒Ⅰ5、擋板6、鉆尖7、銷軸Ⅰ8、連桿Ⅰ9-1、連桿Ⅱ9-2、銷軸Ⅱ10、加力板11、銷軸Ⅲ12-1、銷軸Ⅳ12-2、桿座Ⅰ13-1和桿座Ⅱ13-2。

聯節2和芯管3焊接成一體結構，聯節2和芯管3上盤繞螺旋擠土葉片1，螺旋擠土葉片1上設有擠土缺口1-1，螺旋擠土葉片1外緣所形成的圓的半徑為φ₁，聯節2和芯管3圓半徑為φ₂。2φ₁＝350～800mm，其中φ₂＝0.58～0.75φ₁。螺距H＝1.2～1.6φ₁。

芯管3下端設有合金齒Ⅰ5和耳板4。

芯管3的底部端口安裝焊接在一起的擋板6和鉆尖7，擋板6通過鉆尖7與安裝在耳板4上的銷軸Ⅰ8活動連接，擋板6和鉆尖7繞銷軸Ⅰ8旋轉打開芯管底部端口后，鉆尖7的尖頂部A繞芯管3中心線所成的圓的半徑φ₃大于螺旋擠土葉片1外緣所形成的圓的半徑φ₁，設φ₃和φ₁差值為δ，所述的10mm≤δ≤60mm；鉆尖7上設有合金齒Ⅱ7-1。

芯管3內，桿座Ⅰ13-1安裝在芯管3的內壁上，桿座Ⅱ13-2安裝在擋板6上，連桿Ⅰ9-1一端與安裝在桿座Ⅰ13-1上的銷軸Ⅲ12-1鏈接，連桿Ⅰ9-1的另一端通過銷軸Ⅱ10與連桿Ⅱ9-2連接，連桿Ⅱ9-2的另一端與安裝在桿座Ⅱ13-2上的銷軸Ⅳ12-2連接；加力板11安裝在連桿Ⅰ9-1上，一端伸出連桿Ⅰ9-1用于限位連桿Ⅱ9-2。

如圖6所示，單連桿單鉆尖鉆頭中，連桿Ⅰ9-1可繞銷Ⅱ10和銷Ⅲ12-1旋轉，加力板11固定在連桿Ⅰ9-1上，同時對另一個連桿Ⅱ9-2的旋轉具有限位作用。兩桿座分別固定在芯管內壁和擋板上。在實踐壓灌注混凝土時，鉆尖自重繞銷軸Ⅰ8旋轉打開芯管底部端口，同時芯管3內流出的混凝土通過加力板11的上表面向下施加壓力給連桿Ⅰ9-1，連桿Ⅰ9-1向下移動通過連桿Ⅱ9-2推動鉆尖繞銷Ⅰ8旋轉，加大了鉆尖打開的力量，確保了δ的一定值，實現擠土功能。

(二)螺旋柱體擠土成樁施工方法

如圖9和圖10所示，將上述的單連桿單鉆尖螺旋擠土鉆頭與螺旋擠土鉆具組合在一起，擠土成樁施工方法如下：

1)鉆機就位，螺旋柱體擠土鉆頭對準樁位；

2)啟動鉆機動力頭，對螺旋擠土鉆具和螺旋柱體擠土鉆頭施加順時針方向轉矩并向下釋放動力頭，螺旋柱體擠土鉆頭開始作擠土鉆進，在向下鉆進的過程中，螺旋擠土葉片在向上傳輸巖土的同時，進行徑向擠土，形成圓柱形同徑樁孔；

3)到達施工深度后，動力頭順時針旋轉并提升螺旋擠土鉆具和螺旋柱體擠土鉆頭，同時向芯管內泵壓灌混凝土，螺旋柱體擠土鉆頭在上升的過程中，在實踐壓灌注混凝土時，鉆尖自重繞銷軸Ⅰ8旋轉打開芯管底部端口，同時芯管3內流出的混凝土通過加力板11的上表面向下施加壓力給連桿Ⅰ9-1，連桿Ⅰ9-1向下移動通過連桿Ⅱ9-2推動鉆尖繞銷軸Ⅰ8旋轉，加大了鉆尖打開的力量，確保了δ的一定值，實現擠土功能。擋板6和鉆尖7在芯管內混凝土的壓力下繞銷Ⅰ8旋轉打開，鉆尖的尖頂部A壓入樁孔壁內，隨著螺旋柱體擠土鉆頭的旋轉并上提，鉆尖尖頂部做螺旋上升式擠土，在圓柱形同徑樁孔的內壁上，形成螺旋狀溝槽，形成內壁帶有溝槽14的樁孔；從芯管流出的混凝土在灌注樁孔的同時充滿溝槽至設計標高。

4)用振搗器將已制好的鋼筋籠沉入樁孔中，完成一次施工。

實施例3雙連桿雙鉆尖螺旋柱體擠土鉆頭及成樁施工方法

(一)雙連桿雙鉆尖螺旋柱體擠土鉆頭

如圖7-圖8所示，雙連桿雙鉆尖螺旋柱體擠土鉆頭，包括螺旋擠土葉片1、聯節2、芯管3、兩組耳板4、合金齒Ⅰ5、由兩個活動連接的擋板Ⅰ6-1構成的一個完整的擋板6、由兩個活動連接的鉆尖Ⅰ7-2構成一個完整的鉆尖7、兩個銷軸Ⅰ8、連桿Ⅰ9-1、連桿Ⅱ9-2、銷軸Ⅱ10、加力板11、銷軸Ⅲ12-1、銷軸Ⅳ12-2、桿座Ⅰ13-1和桿座Ⅱ13-2。

聯節2和芯管3焊接成一體結構，聯節2和芯管3上盤繞螺旋擠土葉片1，螺旋擠土葉片1上設有擠土缺口1-1，螺旋擠土葉片1外緣所形成的圓的半徑為φ₁，聯節2和芯管3圓半徑為φ₂。2φ₁＝350～800mm，其中φ₂＝0.58～0.75φ₁。螺距H＝1.2～1.6φ₁。

芯管3下端設有合金齒Ⅰ5。

兩組耳板4對稱安裝在芯管3的下端。每組耳板4上安裝有一個銷軸Ⅰ8。

每個擋板Ⅰ6-1焊接一個鉆尖Ⅰ7-2，兩個擋板Ⅰ6-1分別通過鉆尖Ⅰ(7-2)與安裝在芯管3兩側的耳板4上的銷軸Ⅰ8活動連接，兩組擋板Ⅰ6-1和鉆尖Ⅰ7-2繞各自的銷軸Ⅰ8旋轉打開芯管底部端口后，兩組鉆尖Ⅰ7-2的尖頂部A’所構成的圓的半徑φ₄大于螺旋擠土葉片1外緣所形成的圓的半徑φ₁，設φ₄和φ₁差值為δ₁，所述的5mm≤δ₁≤80mm。

桿座Ⅰ13-1與加力板11連接，兩個桿座Ⅱ13-2分別安裝在兩個擋板Ⅰ6-1上，連桿Ⅰ9-1一端與安裝在桿座Ⅱ13-2上的銷軸Ⅲ12-1鏈接，連桿Ⅰ9-1的另一端通過銷軸Ⅱ10與連桿Ⅱ9-2連接，連桿Ⅱ9-2的另一端與安裝在桿座Ⅱ13-2上的銷軸Ⅳ12-2連接；連桿Ⅰ9-1和連桿Ⅱ9-2的旋轉通過加力桿11限位。

如圖8所示，在實踐壓灌混凝土時，兩個鉆尖Ⅰ7-2在自重作用下繞銷Ⅰ8旋轉打開芯管底部端口，同時芯管3內流出的混凝土通過桿座Ⅰ13-1上的加力板11向下施加壓力給連桿Ⅰ9-1和連桿Ⅱ9-2，進而將力傳給鉆尖Ⅰ7-2，加大兩個鉆尖Ⅰ7-2的旋轉角度，確保了δ的一定值，實現了雙尖擠土效果。

(二)螺旋柱體擠土成樁施工方法

如圖9和圖10所示，將雙連桿雙鉆尖螺旋擠土鉆頭與螺旋擠土鉆具組合在一起，擠土成樁施工方法如下：

1)鉆機就位，螺旋柱體擠土鉆頭對準樁位；

2)啟動鉆機動力頭，對螺旋擠土鉆具和螺旋柱體擠土鉆頭施加順時針方向轉矩并向下釋放動力頭，螺旋柱體擠土鉆頭開始作擠土鉆進，在向下鉆進的過程中，螺旋擠土葉片在向上傳輸巖土的同時，進行徑向擠土，形成圓柱形同徑樁孔；

3)到達施工深度后，動力頭順時針旋轉并提升螺旋擠土鉆具和螺旋柱體擠土鉆頭，同時向芯管內泵壓灌混凝土，螺旋柱體擠土鉆頭在上升的過程中，兩個鉆尖Ⅰ7-2在自重作用下繞銷軸Ⅰ8旋轉打開芯管底部端口，同時芯管3內流出的混凝土通過加力板11向下施加壓力給連桿Ⅰ9-1和連桿Ⅱ9-2，進而分別將力傳給鉆尖Ⅰ7-2，加大兩個鉆尖Ⅰ7-2的旋轉角度，確保了δ的一定值，實現了雙尖擠土效果。擋板和鉆尖在自重及芯管內混凝土的壓力下繞銷Ⅰ旋轉打開，鉆尖的尖頂部壓入樁孔壁內，隨著螺旋柱體擠土鉆頭的旋轉并上提，鉆尖尖頂部A’做螺旋上升式擠土，在圓柱形同徑樁孔的內壁上，形成螺旋狀溝槽，形成內壁帶有溝槽14的樁孔；從芯管流出的混凝土在灌注樁孔的同時充滿溝槽至設計標高。

4)用振搗器將已制好的鋼筋籠沉入樁孔中，完成一次施工。