螺旋钻杆、钻机及由螺旋钻杆成型的桩孔和VDS灌注桩

摘要

本发明涉及螺旋钻杆、钻机及由螺旋钻杆成型的桩孔和VDS灌注桩，螺旋钻杆包括中间杆体及设置于中间杆体外周的螺旋叶片，螺旋叶片由至少两个沿螺旋叶片的螺旋方向顺次设置的叶片单元构成，其中至少一个叶片单元具有沿螺旋方向由下至上宽度由窄变宽的变径段，变径段具有用于挤压相应钻渣和/或混凝土的变径段挤压周面。本发明解决了现有螺旋钻杆成型出的桩孔孔壁不能为混凝土桩杆提供更高侧阻力的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及桩工领域中的螺旋钻杆、钻机及由螺旋钻杆成型的桩孔和VDS灌注桩。

背景技术

螺旋钻杆是桩工领域中的常用钻杆，现有的螺旋钻杆包括中间杆体及设置于中间杆体外周的螺旋叶片，螺旋叶片为等径等壁厚结构。在桩工操作中，螺旋钻杆被钻机的动力头驱动而螺旋钻进，在钻进过程中，由于钻孔而产生的钻渣沿螺旋叶片的上表面被输送至地表，在桩孔形成后，向桩孔中灌注混凝土，固化的混凝土即混凝土桩杆和桩孔孔壁、桩孔孔底一起形成灌注桩。桩基施工的目的在于提高承载力，承载力来源于地层，地层是有固体颗粒、空气和水组成，提高固体颗粒密度排出空气和水可提高地层承载力有益参数。桩的受力来源于桩孔孔壁地层的侧阻力和桩孔孔底持力层的端承力，根据桩的受力原理，充分合理调用提高地层有益参数以提高桩的承载力是桩工行业一直探讨的问题。

而在现有技术中，常规的螺旋钻杆仅能起到将钻渣由下至上输送的目的，钻孔的孔壁不能得到挤密加实，桩孔孔壁不能为混凝土桩杆提供更高侧阻力而导致灌注桩的承载力并不是很高。现有技术中围绕提高桩周侧阻力和桩底端承力以提高承载力的主要技术有：利用支盘桩和DX桩旨在加大桩的端承受力面积，虽然承载力效果理想，但成孔后再次移机放入扩径装置扩径再捞渣移机后成桩，施工工艺繁琐复杂。后压浆灌注桩后通过预留注浆管对桩底和侧壁压浆旨在提高桩底端承力和桩周侧阻力，承载力提高效果明显，但水泥浆压灌可控性差易出现桩与桩承载力差异大。当然还有一些其它以增加桩周侧阻力和桩底端阻力为目的的工法，但这些工法都存在着施工复杂，且配套钻机结构复杂、钻机故障率高等各种问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种螺旋钻杆，以解决现有螺旋钻杆成型出的桩孔孔壁不能为混凝土桩杆提供更高侧阻力的问题；本发明的目的还在于提供一种使用该螺旋钻杆的钻机和由该螺旋钻杆成型出的桩孔和VDS灌注桩。

为了解决上述问题，本发明中钻机的技术方案为：

钻机，包括动力机构及由动力机构驱动的螺旋钻杆，螺旋钻杆包括中间杆体及设置于中间杆体外周的螺旋叶片，螺旋叶片由至少两个沿螺旋叶片的螺旋方向顺次设置的叶片单元构成，其中至少一个叶片单元具有沿螺旋方向由下至上宽度由窄变宽的变径段，变径段具有用于挤压相应钻渣和/或混凝土的变径段挤压周面。

变径段的部分或全部叶片单元的厚度由下至上逐渐变厚在轴向上间隔布置的两个叶片单元之间的间距由下至上逐渐变小，使钻渣上下运行轨迹改变达到上下调配钻渣到孔壁侧限力相对较小位置挤密之目的。

叶片单元还包括处于变径段上端的沿螺旋方向由下至上宽度一致的等径段，等径段具有用于挤压所述钻渣和/或混凝土的等径段挤压周面，等径段的部分或全部叶片单元的厚度由下至上逐渐变厚。

本发明中螺旋钻杆的技术方案为：

螺旋钻杆，包括中间杆体及设置于中间杆体外周的螺旋叶片，螺旋叶片由至少两个沿螺旋叶片的螺旋方向顺次设置的叶片单元构成，其中至少一个叶片单元具有沿螺旋方向由下至上宽度由窄变宽的变径段，变径段具有用于挤压相应钻渣和/或混凝土的变径段挤压周面。

变径段的部分或全部叶片单元的厚度由下至上逐渐变厚在轴向上间隔布置的两个叶片单元之间的间距由下至上逐渐变小，使钻渣上下运行轨迹改变达到上下调配钻渣到孔壁侧限力相对较小位置挤密之目的。

叶片单元还包括处于变径段上端的沿螺旋方向由下至上宽度一致的等径段，等径段具有用于挤压所述钻渣和/或混凝土的等径段挤压周面，等径段的部分或全部叶片单元的厚度由下至上逐渐变厚。

本发明中VDS灌注桩的技术方案为：

VDS灌注桩，包括桩孔及置于桩孔中的混凝土桩杆，桩孔的孔壁由与所述混凝土桩杆接触的环形挤密体构成，环形挤密体包括环形地基层，环形地基层中有用于被叶片单元的变径段挤压周面挤压而没入所述环形地基层中的钻渣和/或混凝土。

环形挤密体对应于软地层的厚度大于环形挤密体对应于硬地层的厚度。

本发明中桩孔的技术方案为：

桩孔，桩孔的孔壁由环形挤密体构成，环形挤密体包括环形地基层，环形地基层中有用于被叶片单元的变径段挤压周面挤压而没入所述环形地基层中的钻渣和/或混凝土。

环形挤密体对应于软地层的厚度大于环形挤密体对应于硬地层的厚度。

本发明的有益效果为：使用本发明中的螺旋钻杆在钻孔施工时，螺旋钻杆旋转钻进，由于钻进过程产生的钻渣则沿着螺旋叶片朝上输送，由于至少一个叶片单元具有沿螺旋方向由下至上宽度由窄变宽的变径段，因此钻渣在该变径段位置处会落入变径段的外侧，随着螺旋叶片的旋转，钻渣被变径段的变径段挤压周面挤压而进行由中心向外的离心式运动，变径段的变径段挤压周面将钻渣挤入到环形地基层中而形成用于构成桩孔孔壁的环形挤密体，经过钻渣的挤压，环形地基层被挤密加实，水分和空气被排除，环形地基层的密度得到增加，从而使得桩孔孔壁可以为混凝土桩杆提供更高的侧阻力。

进一步的，变径段的部分或全部叶片单元的厚度由下至上逐渐变厚，这一方面会增加变径段挤压周面的面积，提高挤压效率，另外也使得在轴向上间隔布置的两个叶片单元之间的间距由下至上逐渐变小，也就是说螺旋叶片的对应导程是由下至上逐渐变窄的，这有利于更多的钻渣或混凝土被挤向螺旋叶片外侧，有利于钻渣或混凝土更好的离心式运动，有利于钻渣上下调配运行加固到相对侧限力较小的软地层。

附图说明

图1是本发明中钻机的实施例1的结构示意图；

图2是图1中螺旋叶片与中间杆体的配合示意图；

图3是图2的俯视图；

图4是本发明中钻机的实施例2的结构示意图；

图5是本发明中VDS灌注桩的实施例1的结构示意图；

图6是本发明中VDS灌注桩的实施例2的结构示意图。

具体实施方式

钻机的实施例1如图1~3所示：包括动力机构和被动力机构驱动的螺旋钻杆，螺旋钻杆包括中间杆体2和设置于中间杆体外周的螺旋叶片3，中间杆体为一个沿上下方向延伸的等径空心杆结构。动力机构包括输出旋转动力的动力头1和输出振动动力的冲击器，其中动力头和冲击器的结构与公开号为CN103277044A、申请名称为“SDL桩工掘进方法及专用于实施该方法的桩工钻机”的专利公开文件中动力头和冲击器相同，在此不再详述。

螺旋叶片3由多个沿螺旋叶片的螺旋方向顺次连接的叶片单元31构成，每一个叶片单元31均具有沿螺旋方向由下至上宽度由窄变宽的变径段32和设置于变径段上端的沿螺旋方向由下至上宽度一致的等径段33，图2中A表示变径段32与等径段33的分界线。变径段32具有用于挤压相应钻渣和/或混凝土的变径段挤压周面34，等径段33具有用于挤压钻渣和/或混凝土的等径段挤压周面35。变径段的上端叶片单元的厚度由下至上逐渐变厚，等径段的上端部的厚度一致，其余部分的厚度由下至上逐渐变厚，叶片单元厚度的变化使得在轴向上间隔布置的两个叶片单元31之间的间距由下至上逐渐变小。

在钻孔施工时，螺旋钻杆在动力头驱动下旋转钻进，螺旋钻杆下端的钻头会钻出钻渣，钻渣沿螺旋叶片的上表面向上输送，当钻渣输送至各叶片单元的上端时，因为与之相邻的叶片单元存在变径段，因此钻渣会落入变径段的变径段挤压周面外侧，随着螺旋钻杆的继续旋转，变径段挤压周面将钻渣朝外挤，并最终将钻渣挤至环形地基层中，等径段挤压周面起着巩固挤实的作用。另外，叶片单元的主体位置的厚度逐渐增加，这样对钻渣的挤压面积也在逐渐增大，从而可以起到对钻渣更好的挤压效果，同时也使得更多的钻渣进行离心运动而运动至螺旋叶片的外侧，当环形地基层所能没入的钻渣量达到极限时，多余的钻渣可排出孔外。变径段还有一个效果就是，在螺旋钻杆冲击钻进时，变径段挤压周面与桩孔孔壁之间有足够空间接受来自动力头的竖向冲击力，减小钻渣对螺旋叶片的竖向冲击力，提高工作效率，减小对冲击器的动能损耗，同时保证螺旋叶片的使用寿命。当钻进到孔底时停止旋转，冲击器的竖向冲击力通过螺旋钻杆向下传递，从而夯实挤密孔底持力层。随后可以利用钻杆的内孔向钻孔中灌注混凝土，一边灌注混凝土，一边上提螺旋钻杆，同时使螺旋钻杆旋转，该过程中，变径段挤压周面和等径段挤压周面可以将还没有固化的混凝土挤压至环形地基层中，这样环形地基层及被挤压至环形地基层中的钻渣和混凝土一起构成环形挤密体即桩孔孔壁，待桩孔内的混凝土固化后，桩孔内的混凝土与环形地基层中的混凝土固化成整体结构，最终形成灌注桩，大大提高了灌注桩的承载力，因该灌注桩的成型方式，该灌注桩又可称为VDS灌注桩，字母V是英语单词“Variety”（变化的）的第一个字母，字母D是英语单词“Diameter”（直径）的第一个字母，S是英语单词“Stick”(杆)的第一个字母，也就是说VDS灌注桩的意思是使用直径变化的钻杆而加工出的灌注桩 。中间杆体上由窄变宽的螺旋叶片随中间杆体的转动形成由小变大的圆形轨迹，叶片由薄到厚过渡使导程发生改变，钻渣和混凝土在导程里形成可变扰流运动轨迹利于加固材料挤入钻孔孔壁。当对应层的环形挤密体到一定限度时，钻渣被向上输送并加固到相对侧限力较小的软弱地层，如果地层的吸收能力较强即地层中可以挤入较多的钻渣，则实现全挤土钻进，如果钻渣的量超过地层的吸收能力，多余的钻渣将被输送至地表，实现半挤土钻进。该桩型较现有的灌注桩可提高承载力，减少钻渣排放，施工挤扩钻进夯实孔底一次完成，可实现全挤土钻进、半挤土钻进等多种施工模式，工艺简单易行，质量可靠、节能环保，即实现经济、快速、节能环保之综合目标。

在本钻机的其它实施例中：钻机的动力机构也可以是仅具有能够输出旋转动力的动力头；叶片单元的个数是可以根据需要进行选择的，相邻的叶片单元可以具有一定的间隔，当然也并非所有的叶片单元都需要具有变径段，比如说间隔的叶片单元具有变径段，或者具有变径段的叶片单元处于整个螺旋叶片的任意位置；变径段的叶片单元也可以全部由下至上厚度逐渐变厚；等径段的叶片单元也可以全部由下至上逐渐变厚；当然等径段也可以不设；该螺旋钻杆还可以仅用于钻孔过程中，或者仅用于注浆提钻过程中，当螺旋钻杆仅用于钻孔过程中时，中间杆体也可以是实心结构。

钻机的实施例2如图4所示：钻机的实施例2与实施例1不同的是，中间杆体为阶梯轴结构，阶梯轴结构的中间杆体包括大径段21和设置于大径段下端的小径段22，螺旋叶片3设置于小径段上22，大径段的外径与叶片单元的等径段的外径一致。

螺旋钻杆的实施例如图1~4所示：螺旋钻杆的具体结构与上述各钻机实施例中所述的螺旋钻杆相同，在此不再详述。

VDS灌注桩的实施例1如图5所示：本VDS灌注桩即上述钻机实施例中所述的VDS灌注桩，该VDS灌注桩包括桩孔及置于桩孔中的混凝土桩杆11，桩孔的孔壁由与混凝土桩杆接触的环形挤密体10构成，图5中项9表示环形挤密体外围的影响体，环形挤密体10包括环形地基层，环形地基层中有用于被叶片单元的变径段挤压周面挤压而没入所述环形地基层中的钻渣和混凝土。环形挤密体对应于软地层7的厚度大于环形挤密体对应于硬地层5的厚度，图中项8表示上部一般地层，项6表示下部一般地层，一般地层的硬度介于硬地层与软地层之间。该VDS灌注桩的成型过程在上述钻机实施例中已有叙述，在此不再详述，图中项4表示由于冲击而被夯实的孔底密实体，因为软地层可以挤入更多的钻渣和混凝土，因此与软地层对应的环形挤密体的厚度要厚于与硬地层对应的环形挤密体的厚度。在本发明的其它实施例中，如果螺旋钻杆在钻孔之后就提出钻孔，然后再灌注混凝土，或者在灌浆提钻时，螺旋钻杆不旋转，环形地基层中将只挤入有钻渣；如果螺旋钻杆仅是在罐将提钻时使用，那么环形地基层中将只挤入有混凝土。

VDS灌注桩的实施例2如图6所示：VDS灌注桩的实施例2与VDS灌注桩实施例1不同的是，混凝土桩杆11的底部延伸至岩石层12，因此在桩孔的孔底不具有被夯实的孔底密实层，仅能够输出旋转动力的钻机即可完成该灌注桩的施工。

桩孔的实施例如图5~6所示：桩孔的具体结构与上述各VDS灌注桩实施例中所述的桩孔相同，在此不再详述。