一种加固局部淤泥层的螺纹桩钻杆及包含淤泥层的地基螺纹桩成桩方法

摘要

本发明公开了一种加固局部淤泥层的螺纹桩钻杆及包含淤泥层的地基螺纹桩成桩方法，钻杆杆身表面带有螺纹，内部轴心上下贯通灌注腔，钻杆顶端旋转连接旋喷钻具分流器，钻杆上部杆身套接动力器，所述钻杆内上段开设与灌注腔同轴心的粉剂环腔与空气环腔，旋喷钻具分流器内设对应连通钻杆灌注腔、粉剂环腔、空气环腔的通道，各通道外入口分别用于对应连接高压流态混凝土泵、高压粉剂泵、高压空气泵，所述钻杆中部的杆身周面设一圈间隔的径向喷嘴，喷嘴端面呈同心状的中心粉剂喷孔外环空气喷孔，粉剂喷孔与粉剂环腔连通，空气喷孔与空气环腔连通。运用此专用钻杆在成孔时将淤泥夹心层加固，形成整体结构的螺纹桩。

说明书

技术领域

本发明涉及土木工程成桩工艺技术领域，更具体地说，它涉及一种加固局部淤泥层的螺纹桩钻杆及包含淤泥层的地基螺纹桩成桩方法。

背景技术

螺纹桩及其成桩工法是在长螺旋钻孔灌注桩和日本钢钎维全螺纹预制桩的基础上的新桩型，其改变了桩与土体之间相互作用的模式，桩与土界面构成了机械型咬合，将常识中“螺丝钉比钉子牢固”的道理运用在桩施工中，使其更牢固的特点得以实现。螺纹桩桩身表面带螺纹，是通过带螺牙的专用钻杆旋转挤压周边土体形成，无或少许土被排出，使后期形成的桩土有较好的挤压力接合，优于普通灌注桩旋挖土后再灌注桩体。国家住房和城乡建设部发布的《螺纹桩技术规程》JGJ/T379-2016，是螺纹桩首部技术规程，该桩型与普通灌注桩相比可节约成本30%，是现代较先进的桩型，现正在推广应用。

在施工时采用带有同步技术的专用桩机，在匀速下钻时毎转一圈同步下降一个螺距，在土体中形成螺纹，当钻至设计深度后停钻；在匀速提钻时钻杆反向旋转一圈，同步上升一个螺距，同时泵压流态混凝土固化成桩。

地基土属地球表层岩土，是经过自然界复杂的物理化学及生物作用而形成，地质勘察结果一般呈现分层分布的情况，桩基设计是使桩端插入地基中硬土层，以岩土对桩端的阻力与桩身的侧摩阻力作为桩基的承载力，若中部有含水量较高的淤泥质软土层，不仅在施工阶段泵压流态混凝土时使钻杆边缘混凝土离析分散到淤泥中，出现混凝土桩体在这部分密度松散，泵压量难以控制，现行的搅拌桩是通过泥浆护壁或沉管来阻止分散，但对于螺纹桩无法采取这二种措施；而且这部分含水量较高的淤泥质软土层对成型后的混凝土桩的侧摩阻力影响很小，即使桩侧为螺紋状也不能很好地提供对桩的承载贡献。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供解决上述问题的一种加固局部淤泥层的螺纹桩钻杆，可运用于包含淤泥层的地基螺纹桩成桩，成孔时将淤泥夹心层加固以形成螺纹壁，同时提供了包含淤泥层的地基螺纹桩成桩方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种加固局部淤泥层的螺纹桩钻杆，包括钻杆、旋喷钻具分流器、动力器，钻杆杆身表面带有螺纹，内部轴心上下贯通灌注腔，钻杆顶端旋转连接旋喷钻具分流器，钻杆上部杆身套接动力器，所述钻杆内上段开设与灌注腔同轴心的粉剂环腔与空气环腔，旋喷钻具分流器内设对应连通钻杆灌注腔、粉剂环腔、空气环腔的通道，各通道外入口分别用于对应连接高压流态混凝土泵、高压粉剂泵、高压空气泵，所述钻杆中部的杆身周面设一圈间隔的径向喷嘴，喷嘴端面呈同心状的中心粉剂喷孔外环空气喷孔，粉剂喷孔与粉剂环腔连通，空气喷孔与空气环腔连通。

本发明进一步改进技术方案是， 钻杆内上段的粉剂环腔与空气环腔在上部先分路向杆身周面径向延伸成同心状的中心粉剂通孔外环空气通孔，再转向垂直向下延伸，与下方的喷嘴连通。通过小容积的通孔行进，最终在喷嘴处的喷射力更强。

本发明更进一步改进技术方案是，灌注腔内靠侧壁设一信号线通道，信号线通道内穿装信号线缆，信号线缆底端与钻杆底部的压力传感器连接，顶端穿过旋喷钻具分流器内设的线缆通道与外部压力信号输出口连接。压力传感器在钻孔过程中实时测压，便于根据实际工况进行恰当的操作。

本发明再进一步改进技术方案是， 喷嘴前端与钻杆杆身的周壁留有距离间隙，喷嘴前端凹在杆身周壁内。一是钻杆壁在下旋时壁面切削土体，可进一步地防止钻杆外围岩土挤压喷嘴，阻塞喷孔；二是高压喷射粉剂和空气可快速穿过间隙内虚土撞击壁外岩土，以达到设计的喷射深度。

本发明再进一步改进技术方案是，喷嘴的中心粉剂喷孔水平设置，外环空气喷孔从后向前向中心倾斜。空气喷孔向中心喷孔轴线向倾斜喷出空气，与中心孔喷出的粉剂喷射流形成相互干扰，可使喷射粉剂与水-土能够均匀拌合。

本发明再进一步改进技术方案是，钻杆底部呈倒锥台状，包括杆底端和堵封灌注腔的阀盖，阀盖内设线缆通道，阀盖上连接的压力传感器形成的钻头。钻杆底部整体成倒锥形，阀盖设计在锥面内，不会在钻孔底部形成虚土，成桩后的桩柱与地基连接力更强。

本发明再进一步改进技术方案是，杆底端灌注腔的一边杆身侧壁开挖缺口，阀盖一边上部铰接在缺口内，阀盖另一边设凸卡台，凸卡台卡接在杆底端灌注腔另一边底部开设的卡槽内。提钻泵压混凝土时，阀盖在冲击下打开，结构简单且操作性好。

本发明还提供了包含淤泥层的地基螺纹桩成桩方法，使用权利要求1至7的任一种加固局部淤泥层的螺纹桩钻杆进行作业，包括以下步骤：

（1）关闭钻杆底部阀盖；

（2）启动动力器，在待成桩的地基处慢钻旋进，每旋转一圈钻进一个螺距；

（3）从地表至淤泥层上表面深度为h1，地表至淤泥层下底面深度为h2，钻杆的喷嘴至钻头的距离为h，当钻孔至h1+h时，启动高压粉剂泵与高压空气泵，使高压粉剂、高压空气分别对应通过旋喷钻具分流器上外入口进入粉剂环腔、空气环腔，至喷嘴喷出；当钻孔至h2+h时停止喷射；钻孔继续至设计深度停钻；

（4）待淤泥层初凝达到预设的加固强度后提钻，同时启动高压流态混凝土泵通过旋喷钻具分流器上外入口泵入流态混凝土；提钻过程应保持匀速，钻杆反向旋转一圈应同时上升一个螺距；

（5）泵压混凝土达到设计标高停止泵压，钻头提离地表时停钻。

本发明进一步改进方案是，钻杆底端的钻头为压力传感器，当钻头压力传感器值达到地质勘探资料中静力触探测得的含水量较大淤泥层软土值时，按喷射设计的钻杆转速、喷射压力、喷射量进行喷射加固作业，钻杆转速小于原转速，0-7r/min，喷射压力10-20Mpa，喷射量根据淤泥土质不同的含水量、厚度、喷射深度等因素设计计算值。目前现有技术并不考虑分层土质的异同，皆采取同一施工设计参数，本发明分层设计，进行了很好的淤泥层加固效果。

本发明进一步改进方案是，步骤（3）中当钻孔至h1+h-0.5米时，启动高压粉剂泵与高压空气泵，使高压粉剂、高压空气分别对应通过旋喷钻具分流器上外入口进入粉剂环腔、空气环腔，至喷嘴喷出；当钻孔至h2+h+0.5米时停止喷射。在淤泥质土层上下各增加0.5米的纵向喷射距离是为了与上下土层的衔接，使后期成型的螺纹桩体螺牙部分皆有连续较高的桩-土咬合力。

本发明有益效果：

一、本申请喷射加固是在淤泥质软土地基中进行的，四周介质是水和土，虽然钻杆喷嘴处具有很大的喷射压力，衰减仍然很快，切削范围较小，为了扩大喷射粉剂的加固范围，在喷嘴的中心粉剂喷孔周围同轴增加空气喷孔，形成一个环状的气体喷射环，当两者同时喷射时，在中心喷射流的周围又形成空气的保护膜，这种喷射方法用在液态介质中喷射时，可减少喷射压力的衰减，使之尽可能接近在空气中喷射时的压力衰减率，从而扩大喷射半径；另空气喷孔向中心喷孔轴线向倾斜喷出空气，与中心孔喷出的粉剂喷射流形成相互干扰，可使喷射粉剂与水-土能够均匀拌合。

二、本申请新创下钻喷射法，现有的灌注技术皆为提升钻杆时从钻杆尖部泵压流态混凝土，在淤泥层泵压的流态混凝土会离析分散到淤泥中，出现混凝土桩体在这部分密度松散问题，且更难以形成螺纹。本发明考虑到粉剂喷入含水量较高的淤泥质软土中有一定的凝结时间，而在下钻时旋喷粉剂至提钻泵压混凝土至该喷位已有一定时间，套用该时间段为使加固体更好凝结，以保证泵压流态混凝土在一定压力下泵注密实，形成螺纹桩段。

三、钻杆的钻头采用压力传感器，可在钻孔时探测地基分层结构，与地质勘探资料中静力触探测得的该层含水量较大淤泥质软土值进行比对、验证，钻孔深度作业可控。且如果打桩基与前期探测有误也可灵活应对。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为图1中A-A截面示意图；

图3为图1中B-B截面示意图；

图4为喷嘴竖向截面示意图；

图5为阀盖关闭时钻杆底部结构示意图；

图6为阀盖打开时钻杆底部结构示意图；

图7为钻孔作业示意图。

具体实施方式

如图1至图6所示，本发明所述一种加固局部淤泥层的螺纹桩钻杆，包括钻杆1、旋喷钻具分流器2、动力器3，钻杆1杆身表面带有螺纹11，内部轴心上下贯通灌注腔12，钻杆1顶端旋转连接旋喷钻具分流器2，钻杆1上部杆身套接动力器3，所述钻杆1内上段开设与灌注腔12同轴心的粉剂环腔13与空气环腔14，旋喷钻具分流器2内设对应连通钻杆灌注腔、粉剂环腔、空气环腔通道（即灌注腔通道22、粉剂环腔通道23、空气环腔通道24），各通道外入口分别用于对应连接高压流态混凝土泵、高压粉剂泵、高压空气泵（各高压泵图中未示出），钻杆内上段的粉剂环腔13与空气环腔14在上部先分路向杆身周面径向延伸成同心状的中心粉剂通孔131外环空气通孔141，再转向垂直向下延伸至中部，所述钻杆1中部的杆身周面设一圈间隔均布的径向喷嘴15，喷嘴15端面呈同心状的中心粉剂喷孔151外环空气喷孔152，粉剂环腔13、空气环腔14的中心粉剂通孔131外环空气通孔141与下方喷嘴的粉剂喷孔151、空气喷孔152连通。

灌注腔12内靠侧壁设一信号线通道16，信号线通道16内穿装信号线缆，信号线缆底端与钻杆底部的压力传感器4连接，顶端穿过旋喷钻具分流器内设的线缆通道25与外部压力信号输出口连接。

所述喷嘴前端与钻杆杆身的周壁留有距离间隙17，喷嘴前端凹在杆身周壁内。喷嘴的中心粉剂喷孔151水平设置，外环空气喷孔152从后向前向中心倾斜。

所述钻杆1底部呈倒锥台状，包括杆底端18和堵封灌注腔的阀盖5，阀盖5内设线缆通道，阀盖上连接的压力传感器4形成的钻头。杆底端18灌注腔的一边杆身侧壁开挖缺口181，阀盖5一边上部设连接杆51通过转轴铰接在缺口181内，阀盖5另一边设凸卡台52，凸卡台52卡接在杆底端灌注腔另一边底部开设的卡槽182内。

包含淤泥层的地基螺纹桩成桩方法，，使用上述螺纹桩钻杆进行作业，如图7所示：

（1）关闭钻杆底部阀盖；

（2）启动动力器，在待成桩的地基处慢钻旋进，每旋转一圈钻进一个螺距；

（3）从地表至淤泥层上表面深度为h1，地表至淤泥层下底面深度为h2，钻杆的喷嘴至钻头的距离为h，当钻孔至h1+h-0.5米时，启动高压粉剂泵与高压空气泵，使高压粉剂、高压空气分别对应通过旋喷钻具分流器上外入口进入粉剂环腔、空气环腔，至喷嘴喷出，泵入的粉剂是加固粉剂<如GB175“通用硅酸盐水泥”、“特种水泥”等>与速凝粉剂<如国家中科院推荐可速凝早强的“无碱、低碱、碱性速凝剂”的混合物，掺量为加固粉剂质量2.5-6%>，预先均匀混合使用，无需在土体内进行混合；加固粉剂与速凝粉剂遇水才固化，在喷管内有一定持续时间也无需考虑凝结阻塞喷道；当钻孔至h2+h+0.5米时停止喷射；钻孔继续至设计深度停钻；

（4）待淤泥层初凝达到预设的加固强度后提钻，同时启动高压流态混凝土泵通过旋喷钻具分流器上外入口泵入流态混凝土；提钻过程应保持匀速，钻杆反向旋转一圈应同时上升一个螺距；

（5）泵压混凝土达到设计标高停止泵压，钻头提离地表时停钻。

由于钻杆底端的钻头为压力传感器，当钻头压力传感器值达到地质勘探资料中静力触探测得的含水量较大淤泥层软土值时，按喷射设计的钻杆转速、喷射压力、喷射量进行喷射加固作业，钻杆转速小于原转速，0-7r/min，喷射压力10-20Mpa，喷射量根据淤泥土质不同的含水量、厚度、喷射深度等因素设计计算值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。