一种带有支撑块的混凝土桩及其浇注方法和钻头

1、一种带有支撑块的混凝土桩，其特征在于桩体上间隔设有与桩体相交 的支撑块，支撑块为整体结构，其横截面为圆形，支撑块下平面与桩体轴线相 垂直。
2、一种带有支撑块的混凝土桩的浇注方法，包括以下步骤：在施工现场 安装好钻机后，将装有钻头的钻杆提起；固定钻头在指定位置向下开钻，钻出 给定深度和直径的桩孔，钻孔的同时打开水泵，向桩孔内注水；钻完孔后，用 泥浆泵向桩孔内送泥浆进行桩孔孔壁的括壁处理，孔壁括好浆后，清孔，边向 桩孔中注入清水边将固定钻头由下而上旋转上提，将泥浆清出；其特征在于钻 头在桩孔的相应位置加工出支撑块孔，清孔，支撑块孔分圆锥孔和圆柱孔两部 分，圆锥孔的上口与桩孔同径，圆锥孔的下口与圆柱孔同径，圆锥孔、圆柱孔 及桩孔均同轴，圆柱孔的底面与桩孔的轴线相垂直；桩孔及支撑块孔加工好后， 将予先扎制好的钢筋笼子放置在导管中固定好，并在导管下端装有封水托板， 吊起导管放入桩孔中，沉到底部，将混凝土倒满导管，开动振动器，而后上吊 导管，封水托板在混凝土的重力作用下自行脱落，混凝土从导管中冲出，将桩 孔中的泥浆翻出桩孔外，完成浇注作业。
3、一种用于权利要求2所述方法的钻头，钻杆下端固定一只固定钻头， 钻杆上外套一只可相对钻杆作上下移动的套管，还含有活动刀片，活动刀片的 中部与连杆一端活动连接，连杆的另一端与套管活动连接，其特征在于固定钻 头上方的钻杆上固定有钻筒，活动刀片的一端与钻筒活动连接，钻筒上活动刀 片伸缩的相应位置开有槽。

本发明涉及建筑行业桩基础用桩及其浇注方法和施工设备，特别是带有支 承块的混凝土桩及其浇注方法和钻头。\n现有桩基础，多采用摩擦桩，通过摩擦桩把建筑物的荷载传送到摩擦桩周 面土层中及摩擦桩尖下土层中去，摩擦桩所承受的荷载大部分靠摩擦桩周面与 土的摩擦力来支承，同时，桩尖下的土层也起一定的支承作用。这种摩擦桩从 淤土、粘土、亚粘土、粉砂土、粗砂土，其容许摩擦系数在0.7-5之间变化， 对于每种土质，摩擦系数是常量，因此，要想增加承载力，只有增加摩擦桩的 截面积和摩擦桩的长度，而摩擦桩本身的强度利用率只有15-30％。摩擦桩的 浇注方法为：在作业现场安装好钻机后，将装有钻头的钻杆提起，在指定位置 向下开钻，钻出给定深度和直径的桩孔，钻孔的同时打开水泵，向桩孔内注水； 钻完孔后，用泥浆泵向桩孔内送泥浆进行桩孔孔壁的括壁处理，孔壁括好浆后， 清孔，将予先扎制好的钢筋笼子放置在导管的外面固定好，吊起导管放入桩孔 中，沉到底部，并在导管内上端装上止水活动球，将混凝土倒满导管，上吊导 管，再将止水活动球的吊绳剪断，在混凝土的重力作用下，混凝土从导管中冲 出，将桩孔中的泥浆翻出，完成浇注作业。\nJP-昭63-75218(A)公开的日本专利“地段打桩机的制造方法”(公开日 1998年4月5日)中介绍了两种桩的结构形式，一种桩的结构为：横截面呈长方 形，在桩的纵向间隔设有节，节设在窄边上，且对称设置；另一种桩的结构为： 横截面呈“十”字形，在桩的纵向间隔设有节，节分别设在“十”字形的四个 侧边上，同样对称设置。目的都是为了增加桩与土层的接触面积，增加摩擦力 及旋转阻力。桩孔是由挖掘机控制挖掘头动作而挖掘成的。挖掘头由挖掘头本 体及连接在其下端的可张开的两只挖掘爪组成，当挖掘头下挖到一定深度时， 挖掘爪张开，挖出节孔，重复这样的作业，即可加工出带有多个对称节孔的桩 孔。挖掘头只能控制挖掘爪作上下运动。桩孔挖好后，将钢筋笼放入，注入混 凝土即可。由于该专利以增加桩与土层的接触面积，加大摩擦力为目的，所以， 对于长方形桩而言，节设在窄边上，对于“十”字形桩而言，节则分别设在“十” 字形的四个侧边上，使得承受支反力的节的下平面极小，加之挖掘过程中其挖 掘工艺决定了节孔也好，“十”字形桩也好，均很难达到设计的成形要求，造 成节承受的支反力的面积更小。因此，这两种桩结构的节所承受的支反力只能 起到增加或改善摩擦力的作用。\nJP-昭61-186617(A)公开的日本专利“扩底地段打桩机的挖掘施工管理方 法”(公开日1986年8月20日)中，在钻杆下端装有固定挖掘爪，还套有可上 下移动的套管，套管上装有可上下滑动的滑环，套管下端活动连接有挖掘爪， 挖掘爪的中部通过连杆与滑环活动连接，套管上固定两个液压升降筒，一只液 压升降筒的推杆下端与滑环相连，推杆推动滑环上下运动，使挖掘爪作打开、 收合动作；另一只液压升降筒的推杆下端固定在钻杆上，控制套管整体作上下 运动，使挖掘爪作上下挖掘作业。该专利的挖掘爪只能作上下挖掘运动，不能 进行左右运动的挖掘作业，且扩出来的孔不易成形。\n本发明的目的在于提供一种以依地基反力为主，摩擦力为辅，承载能力高 的混凝土桩及其浇注方法和钻削带有支撑块孔的混凝土桩孔的钻头。\n本发明的解决方案为：在桩体上间隔设有与桩体相交的支撑块，支撑块为 整体结构，其横截面为圆形，支撑块下平面与桩体轴线相垂直。\n一种带有支撑块的混凝土桩的浇注方法，包括以下步骤：在施工现场安装 好钻机后，将装有钻头的钻杆提起；固定钻头在指定位置向下开钻，钻出给定 深度和直径的桩孔，钻孔的同时打开水泵，向桩孔内注水；钻完孔后，用泥浆 泵向桩孔内送泥浆进行桩孔孔壁的括壁处理，孔壁括好浆后，清孔，边向桩孔 中注入清水边将固定钻头由下而上旋转上提，将泥浆清出；钻头在桩孔的相应 位置加工出支撑块孔，清孔，支撑块孔分圆锥孔和圆柱孔两部分，圆锥孔的上 口与桩孔同径，圆锥孔的下口与圆柱孔同径，圆锥孔、圆柱孔及桩孔均同轴， 圆柱孔的底面与桩孔的轴线相垂直；桩孔及支撑块孔加工好后，将予先扎制好 的钢筋笼子放置在导管中固定好，并在导管下端装有封水托板，吊起导管放入 桩孔中，沉到底部，将混凝土倒满导管，开动振动器，而后上吊导管，封水托 板在混凝土的重力作用下自行脱落，混凝土从导管中冲出，将桩孔中的泥浆翻 出桩孔外，完成浇注作业。\n一种钻削带有支撑块孔的混凝土桩孔的钻头，钻杆下端固定一只固定钻头， 钻杆上外套一只可相对钻杆上下移动的套管，还含有活动刀片，活动刀片的中 部与连杆一端活动连接，连杆的另一端与套管活动连接；固定钻头上方的钻杆 上固定有钻筒，活动刀片的一端与钻筒活动连接，钻筒上活动刀片伸缩的相应 位置开有槽。\n采用本发明以后，混凝土桩本身的强度利用率可达到90％以上，承载能力 与摩擦桩相比要高出5-10倍，且省料，降低了制造成本，同时还具有抗震性能 好，沉陷性小等优点，是取代现有摩擦桩的一种极好的桩型。\n下面结合附图详细描述本发明的实施例：\n实施例：带有三节支承块的混凝土桩及其浇注方法和钻削带有支撑块孔的 混凝土桩孔的钻头。\n图1为本发明实施例的产品结构图及所在土层对应的地质资料图；\n图2为本发明实施例的施工用钻机的结构示意图；\n图3为本发明实施例的钻削带有支撑块孔的混凝土桩孔的钻头结构示意图；\n图4为本发明实施例的钻削带有支撑块孔的混凝土桩孔的钻头的A-A剖 面图；\n图5为本发明实施例的钻削带有支撑块孔的混凝土桩孔的钻头的活动刀片 安装结构示意图。\n图6为本发明实施例在放置导管时的钻机工作状态示意图；\n图7为本发明实施例的封水托板结构示意图。\n桩体1为圆柱形，在圆柱形的桩体1上间隔设有支承块2，支承块2的上 部为圆锥体，下部为圆柱体，圆锥体的上口与桩体1同径，圆锥体的下口与圆 柱体同径，圆锥体、圆柱体及桩体1均同轴，圆柱体的底面与桩体的轴线相垂 直；支承块2之间的间隔与所在土层的厚度相对应。\nhi+t，σi，fi——第i层土质的厚度，容许应力，摩擦系数。\nL---桩的长度\nd---桩的直径\nD---支承块的支承面直径\nt---支承块的厚度\nFi---桩上对应于hi的侧面积\nΩ---上面两个支承块和土层相接触的环状面积与下面一个支承块和土 层接触的园形面积之和。\n受三种力的作用：\n①外载荷(临界载荷)---Pa\n②侧向摩擦力---∑Fifi\n③支承块的支承反力---∑σiΩi\n上述三种力保持平衡： $\mathrm{Pa}=\Sigma F_i{f}_i+\Sigma {\sigma }_i{\Omega }_i$ $=\underset{i=1}{\overset{3}{\Sigma }}2\pi \frac{d}{2}\mathrm{hifi}+\underset{i=1}{\overset{2}{\Sigma }}[\pi {\left(\frac{D}{2}\right)}^2-\pi {\left(\frac{d}{2}\right)}^2]\mathrm{\sigma i}+\pi {\left(\frac{D}{2}\right)}^2{\sigma }_3$ $=\underset{i=1}{\overset{3}{\Sigma }}\mathrm{\pi dhifi}+\underset{i=1}{\overset{2}{\Sigma }}\pi [{\left(\frac{D}{2}\right)}^2-{\left(\frac{d}{2}\right)}^2]\mathrm{\sigma i}+\pi {\left(\frac{D}{2}\right)}^2{\sigma }_3...\left(1\right)$\n采用了带支承块的混凝土桩后，桩本身容许的轴向压力强度成为设计依据， 可据此来确定采用支承块的个数，这就从设计上将其强度的利用率提高到90％ 以上。\n①式中，令D＝d时，就成为摩擦桩的计算公式。\n现对两种桩形进行对比计算如下：\n1、摩擦桩的计算：\n设：桩长：L＝11米\n    桩断面：A＝a2＝0.4×0.4(米2)\n单桩计算公式为：\nPa＝∑Ffi+∑Aσ\n  ＝0.4×4×(2×1+7×0.8+2×1.5)+0.4×0.4×19≈20吨\n若上部载荷P＝80吨，则需要打4根摩擦桩。即累计摩擦桩长44米。\n摩擦桩的许用应力[σ]＝1050吨/米2\n则摩擦桩本身允许承载：\nA×[σ]＝0.4×0.4×1050＝168(吨)\n而按上述摩擦桩的设计结果，单桩承载20吨。\n故摩擦桩的强度利用率为 $\frac{20}{168}=0.119=11.9\%$\n2、带三级支承块的混凝土桩\n设：d＝0.4米\n    t＝0.6米\n    D＝1.2米\n    L＝17米 第一级支承块设置在地下9米处，\n第二级支承块设置在地下14米处，\n第三级支承块设置在地下17米处，\n根据式①，有(桩体与支承块相连处的摩擦力忽略不计) $\underset{i=1}{\overset{3}{\Sigma }}\pi {\mathrm{dh}}_i{f}_i=\mathrm{\pi d}(2\times 1+6.4\times 0.8+4.4\times 1.5+2.4\times 2.5)$\n∴Pa＝24.74+51.24+36.17＝113.15(吨)\n其容许承载：\nPa＝113.15(吨)＜131.88(吨)\n在许可条件下。\n故带三级支承块的混凝土桩的强度利用率为 $\frac{113.15}{131.88}=0.8579=85.79\%$\n上述计算结果列于下表：\n          摩擦桩与带三级支承块的混凝土桩参数对照表  名称   桩长(米)  所需砼米3  承载(吨)   材料强度利用率  摩擦桩   11×4＝44  7.04  80   11.9％  带支承块的混凝土桩   17  3.335  113.15   85.79％\n由上表可见，带有三级支承块的混凝土桩在承载能力高于摩擦桩的情况下， 节省材料50％以上，这正是带有三级个承块的混凝土桩本身的抗压强度的充分 利用所致。\n带三级支承块的混凝土桩的浇注方法如下：\n采用立式钻机，该机可一次钻孔25米左右。钻机由底盘10、龙门架6、卷 扬机9、钻杆7及钻杆7的驱动系统组成，钻杆7的驱动系统由立式电机3和变速 箱4组成，其通过设置在龙门架6上的导轨5作上下移动，从而驱动钻杆7完成作 业。底盘10上装有定位地门8，其与龙门架6上的导轨5一起为钻杆7准确定位下 钻。钻杆7下端装有钻头11，钻头11由固定钻头27和活动刀片25组成，固定钻 头27固定在钻杆7的下端，固定钻头27上方的钻杆7上固定有钻筒26，钻筒26上 方的钻杆7上外套一只可相对钻杆7作上下移动的套管36，套管36上固定有支座 23，支座23分别与两个连杆24铰接，两个连杆24再分别与两只活动刀片25的中 部铰接，两活动刀片25的一端分别与钻筒26铰接，钻筒26侧边在活动刀片25的 对应位置开有槽28，当套管36上提时，通过连杆24的作用，将活动刀片25上提， 使活动刀片25收入钻筒26内，当套管36下移时，通过连杆24的作用，将活动刀 片25下推，经钻筒26上的槽28伸出、放平，将活动刀片25在放开的同时，钻杆 7也在转动，当活动刀片25放平后，由钻杆7带动其边转动边向下移动，钻出上 端为圆锥孔，下端为圆柱孔的支承块孔，打好支承块孔后，套管36上移，把活 动刀片25重新收入钻筒26内。套管36上端与轴承内芯20固定连接，轴承外圈21 置于外套22内，外套22两侧与拉杆19相连，拉杆19上端与提升块37固接，拉杆 19还与导向外套18活动连接，导向外套18固定在平台15上，导向外套18内装有 轴承外壳17，轴承内芯16固定在钻杆7上。拉杆19的上下移动分到由安装在提 升块37及平台15上的滑轮13、14牵引，拉杆19的上下移动通过轴承内芯20带动 套管36上下移动，从而实现控制活动刀片25伸张、收缩动作。在施工现场安装 好钻机，根据混凝土桩的长度，将龙门架6的高度一次调整到位，将装有活动 刀片25及固定钻头27的钻杆7提起；先由固定钻头27在指定位置向下开钻，钻 出给定深度和直径的桩孔，钻孔的同时打开水泵，向桩孔内注水；钻完孔后， 用泥浆泵向桩孔内送泥浆进入桩孔孔壁的括壁处理，孔壁括好浆后，清孔，边 向桩孔中注入清水边将固定钻头由下而上旋转上提，将泥浆清出；开启卷扬机 9，通过滑轮13、14的作用，驱动套管36向下移动，打开活动刀片25后，向下 移动钻杆7，打出支承块孔支承块孔分圆锥孔和圆柱孔两部分，圆锥孔的上口 与桩孔同径，圆锥孔的下口与圆柱孔同径，圆锥孔、圆柱孔及桩孔均同轴，圆 柱孔的底面与桩孔的轴线相垂直桩孔相垂直；然后再通过滑轮12、13的作用， 牵引套管36上提，将活动刀片25收入钻筒26内，上提钻杆7到上一个支承块孔位 置，重复上述过程，打出第二个支承块孔，同样，按此方法打出第三个支承块 孔，将钻杆7从桩孔中取出，再将预先扎好的钢筋笼子30放置在导管31中固定 好，并在导管31下端装上封水托板32，封水托板32的结构为在混凝土塞块34外 包裹止水油毡35，止水油毡35用铁丝33捆扎在导管31下部。吊起导管31放入桩 孔中，沉到底部，将混凝土倒满导管31，开动振动器29，而后上吊导管31，此 时，封水托板32在混凝土的重力作用下自行脱落，混凝土从导管31中冲出，将 桩孔中的泥浆翻出孔外，完成浇注作业。