阅读说明：本技术 一种水下土体扩搅器及水下扩底桩的施工方法 (Underwater soil body expanding stirrer and construction method of underwater pedestal pile ) 是由 邹正盛 郑清洁 王新宇 王树仁 闫芙蓉 秦莞臻 王恒利 李庆东 于 2019-11-14 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种水下土体扩搅器,所述水下土体扩搅器固定设置在钻杆下端,所述钻杆为带芯管的双重管钻杆,所述水下土体扩搅器包括外管、内管、切削搅拌架、钻头和输浆系统,所述外管上端与钻杆固定连接,所述内管上下滑动套合在外管内下部,所述切削搅拌架圆周阵列设置在外管和内管之间,所述钻头固定设置在内管下端；一种水下扩底桩的施工方法,包括以下步骤：确定扩搅范围,确定水下土体扩搅器的尺寸,选择钻杆,配制浆液,钻直孔,进行扩搅,取土,浇灌扩底桩。本发明的目的是为了解决水下扩底时周围的无粘性土层不能自稳、容易坍塌的问题,提供一种水下土体扩搅器及水下扩底桩的施工方法。(The invention relates to an underwater soil body spreading and stirring device which is fixedly arranged at the lower end of a drill rod, wherein the drill rod is a dual-pipe drill rod with a core pipe, the underwater soil body spreading and stirring device comprises an outer pipe, an inner pipe, a cutting and stirring frame, a drill bit and a slurry conveying system, the upper end of the outer pipe is fixedly connected with the drill rod, the inner pipe is sleeved at the lower part in the outer pipe in an up-and-down sliding manner, the cutting and stirring frame is circumferentially arranged between the outer pipe and the inner pipe in an array manner, and the drill bit is fixedly arranged at the lower end of the inner; a construction method of an underwater club-footed pile comprises the following steps: determining the expansion and stirring range, determining the size of the underwater soil body expansion and stirring device, selecting a drill rod, preparing slurry, drilling a straight hole, performing expansion and stirring, taking soil and irrigating a pedestal pile. The invention aims to solve the problems that surrounding cohesionless soil layers cannot be self-stabilized and are easy to collapse during underwater bottom expanding, and provides an underwater soil body expanding stirrer and a construction method of an underwater bottom expanding pile.)

一种水下土体扩搅器及水下扩底桩的施工方法

技术领域

本发明涉及水下基础施工技术领域，尤其涉及一种水下土体扩搅器及水下扩底桩的施工方法。

背景技术

扩底桩是一种具有高承载力的端承桩，在建筑桩基础中倍受青睐。扩底桩的扩大头部分通常位于砂土、砂砾石、卵砾石等无粘性土地层中。然而，在水下这些无粘性土中扩孔，扩孔后的空间非常容易垮塌，通常难以扩成锥台式的大头空间。若先将扩大头高程之上的地下水疏干，再施工扩孔桩，无疑大大增加扩底桩施工成本。这就是目前建筑市场没有水下施工扩底桩的成功案例的主要原因。

水下扩底桩成功实施的关键点，主要在于如何保证水下扩底时周围的无粘性土层能自稳不坍塌，而在扩底空间***构建一个具有一定厚度和一定强度的护壁圈则是一种行之有效的办法。

发明专利（CN 104389516A）采用一次或二次挤扩方法成孔，成孔过程均使桩孔土体被充分的挤密，在桩周形成密实的外壳，可有效增加孔壁的稳定性不至坍垮。但该技术不适于中密～密实的水下无粘性土，尤其是扩底直径大的情形。

发明内容

本发明的目的是为了解决水下扩底时周围的无粘性土层不能自稳、容易坍塌的问题，提供一种水下土体扩搅器及水下扩底桩的施工方法。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种水下土体扩搅器，所述水下土体扩搅器固定设置在钻杆下端，所述钻杆为带芯管的双重管钻杆，所述水下土体扩搅器包括外管、内管、切削搅拌架、钻头和输浆系统，所述外管上端与钻杆固定连接，所述内管上下滑动套合在外管内下部，所述切削搅拌架圆周阵列设置在外管和内管之间，所述钻头固定设置在内管下端；

所述外管内上部设置有隔板，所述隔板上方连通有连接芯管，所述连接芯管与外管同轴固定设置；

所述切削搅拌架由上切削板和下切削板组成，所述上切削板上端与外管下端外壁铰接，所述下切削板上端与上切削板下端铰接、下端与内管下端外壁铰接；

所述输浆系统由上出浆孔、下出浆孔、⊥形孔、侧通孔、低通管、上通管和下通管组成，所述上出浆孔、下出浆孔、⊥形孔和侧通孔分别设置在上切削板、下切削板、钻头和内管内，所述上出浆孔一端位于上切削板上端中部、另一端位于上切削板下端侧面，所述下出浆孔一端位于下切削板下端中部、另一端位于下切削板上端侧面，所述⊥形孔的截面呈“⊥”形，⊥形孔上端位于钻头顶面中心处、下端位于钻头的圆周侧壁上，所述侧通孔圆周阵列设置在内管下部，侧通孔一端与⊥形孔下端连通、另一端通过下通管与下出浆孔连通，所述上通管和低通管均位于外管内，所述上通管一端连通至隔板、另一端穿过外管下部连通至上出浆孔，所述低通管上端连通至连接芯管、下端连通至⊥形孔上端。

进一步地，所述外管的内径等于内管的外径。

进一步地，所述外管下部内壁圆周阵列设置有若干个竖直的导槽，所述内管上部外壁圆周阵列设置有若干个竖直的导条，所述导条与导槽一一对应，导条的截面形状与导槽的截面形状对应。

进一步地，所述外管内侧壁圆周阵列设置有若干个竖直的凹槽，所述凹槽的数量等于上通管的数量，所述上通管位于凹槽内。

进一步地，所述内管下部套合有若干个定位箍，所述定位箍的外径等于外管的外径。

进一步地，所述上切削板远离上出浆孔的一侧和下切削板远离下出浆孔的一侧均设置有切削刃，上切削板的切削刃和下切削板的切削刃同向设置。

一种水下扩底桩的施工方法，包括以下步骤：

a、确定扩搅范围：根据扩底高程、扩底空间尺寸和拟设置的浆土护壁圈厚度确定扩搅区域的形状、尺寸和顶底高程；

b、确定水下土体扩搅器的尺寸：根据最大扩搅范围，确定外管、内管的高度和切削搅拌架的尺寸；

c、选择钻杆：当扩搅高度与外管高度相当时，选用常规钻杆；当扩搅高度大于外管高度时，与外管相接的钻杆宜选用螺旋叶片钻杆，螺旋叶片钻杆总长度与外管高度之和不小于扩搅范围的高度，其它段的钻杆可为常规钻杆，也可以为螺旋叶片钻杆；

d、配制浆液：根据地质条件和工程要求综合确定浆土护壁圈固化强度和厚度，配制相配套的初凝时间的浆液；

e、钻直孔：按规范要求钻直孔到扩搅范围的上高程处；

f、进行扩搅：通过水下土体扩搅器对步骤e钻出的直孔进行扩搅；

g、取土：将扩搅范围内部的土取出，保留扩搅范围留下浆液形成的外圈，称为浆土护壁圈；

h、浇灌混凝土成扩底桩：在步骤e中的直孔内放置钢筋笼，然后在所述直孔内浇灌混凝土，完成水下扩底桩的施工。

进一步地，步骤d中配制的浆液为两种，应确定每种单浆液，以及两种浆液混合后的合理初凝时间。

进一步地，步骤f中通过钻杆将水下土体扩搅器送至步骤e钻出的直孔底部，切削搅拌架张开至接触直孔壁，将步骤d中配制的两种浆液分别通过钻杆的芯管和芯管与钻杆内壁之间的间隙输送至上通管和低通管，通过钻杆对水下土体扩搅器旋压，外管沿内管向下滑动，切削搅拌架旋切孔壁土体，两种浆液分别从上出浆孔、下出浆孔中带压流出，进入旋切松动的土体中，并随切削搅拌架的搅动与土体进一步拌合并逐渐初凝，形成浆土合体，同时切削搅拌架进一步张开并切削搅拌土体；当切削搅拌架逐渐张开至最大时，加大钻杆压力，钻头向下钻进，同时切削搅拌架以最大张开度旋切孔周土体，并不断出浆拌合旋切松动的土体，如此直至到达设计搅拌范围的底高程；扩搅完成后，水下土体扩搅器缓缓上提，停止步骤d中配制浆液输送，改为输送强度低的充填浆液，随着水下土体扩搅器缓缓上提，切削搅拌架在旋转过程中搅拌与回拢，残留在水下土体扩搅器内的浆液对扩搅范围底部进行加固；随着充填浆液的到来，充填浆液将充填水下土体扩搅器移离而留下的空间，从而维持扩搅区域的稳定。

通过上述技术方案，本发明的有益效果是：

通过本发明在扩底空间***构建一个具有一定厚度和一定强度的护壁圈，保证水下扩底时周围的无粘性土层能自稳不坍塌。

附图说明

图1是本发明一种水下土体扩搅器的结构示意图之一。

图2是本发明一种水下土体扩搅器的结构示意图之二。

图3是本发明一种水下土体扩搅器的结构示意图之三。

图4是本发明一种水下土体扩搅器的结构示意图之四。

图5是本发明一种水下土体扩搅器的纵向剖视图。

图6是本发明一种水下土体扩搅器的横向剖视图。

图7是本发明一种水下土体扩搅器的切削搅拌架的剖视图。

图8是本发明一种水下扩底桩的施工方法的施工过程图之一。

图9是本发明一种水下扩底桩的施工方法的施工过程图之二。

图10是本发明一种水下扩底桩的施工方法的施工过程图之三。

图11是本发明一种水下扩底桩的施工方法的施工过程图之四。

图12是本发明一种水下扩底桩的施工方法的施工过程图之五。

附图中标号为：1为外管，2为内管，3为切削搅拌架，4为钻头，5为隔板，6为连接芯管，7为上出浆孔，8为下出浆孔，9为⊥形孔，10为侧通孔，11为低通管，12为上通管，13为下通管，14为定位箍，301为上切削板，302为下切削板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：

如图1~图12所示，一种水下土体扩搅器，所述水下土体扩搅器固定设置在钻杆下端，所述钻杆为带芯管的双重管钻杆，所述水下土体扩搅器包括外管1、内管2、切削搅拌架3、钻头4和输浆系统，所述外管1上端与钻杆固定连接，所述内管2上下滑动套合在外管1内下部，所述切削搅拌架3圆周阵列设置在外管1和内管2之间，所述钻头4固定设置在内管2下端；

所述外管1内上部设置有隔板5，所述隔板5上方连通有连接芯管6，所述连接芯管6与外管1同轴固定设置；

所述切削搅拌架3由上切削板301和下切削板302组成，所述上切削板301上端与外管1下端外壁铰接，所述下切削板302上端与上切削板301下端铰接、下端与内管2下端外壁铰接；

所述输浆系统由上出浆孔7、下出浆孔8、⊥形孔9、侧通孔10、低通管11、上通管12和下通管13组成，所述上出浆孔7、下出浆孔8、⊥形孔9和侧通孔10分别设置在上切削板301、下切削板302、钻头4和内管2内，所述上出浆孔7一端位于上切削板301上端中部、另一端位于上切削板301下端侧面，所述下出浆孔8一端位于下切削板302下端中部、另一端位于下切削板302上端侧面，所述⊥形孔9的截面呈“⊥”形，⊥形孔9上端位于钻头4顶面中心处、下端位于钻头4的圆周侧壁上，所述侧通孔10圆周阵列设置在内管2下部，侧通孔10一端与⊥形孔9下端连通、另一端通过下通管13与下出浆孔8连通，所述上通管12和低通管11均位于外管1内，所述上通管12一端连通至隔板5、另一端穿过外管1下部连通至上出浆孔7，所述低通管11上端连通至连接芯管6、下端连通至⊥形孔9上端。

所述外管1的内径等于内管2的外径。

所述外管1下部内壁圆周阵列设置有若干个竖直的导槽，所述内管2上部外壁圆周阵列设置有若干个竖直的导条，所述导条与导槽一一对应，导条的截面形状与导槽的截面形状对应。

所述外管1内侧壁圆周阵列设置有若干个竖直的凹槽，所述凹槽的数量等于上通管12的数量，所述上通管12位于凹槽内。

所述内管2下部套合有若干个定位箍14，所述定位箍14的外径等于外管1的外径。

所述上切削板301远离上出浆孔7的一侧和下切削板302远离下出浆孔8的一侧均设置有切削刃，上切削板301的切削刃和下切削板302的切削刃同向设置。

一种水下扩底桩的施工方法，包括以下步骤：

a、确定扩搅范围：根据扩底高程、扩底空间尺寸和拟设置的浆土护壁圈厚度确定扩搅区域的形状、尺寸和顶底高程；

b、确定水下土体扩搅器的尺寸：根据最大扩搅范围，确定外管1、内管2的高度和切削搅拌架3的尺寸；

c、选择钻杆：当扩搅高度与外管1高度相当时，选用常规钻杆；当扩搅高度大于外管1高度时，与外管1相接的钻杆宜选用螺旋叶片钻杆，螺旋叶片钻杆总长度与外管1高度之和不小于扩搅范围的高度，其它段的钻杆可为常规钻杆，也可以为螺旋叶片钻杆；

d、配制浆液：根据地质条件和工程要求综合确定浆土护壁圈固化强度和厚度，配制相配套的初凝时间的浆液；

e、钻直孔：按规范要求钻直孔到扩搅范围的上高程处；

f、进行扩搅：通过水下土体扩搅器对步骤e钻出的直孔进行扩搅；

g、取土：将扩搅范围内部的土取出，保留扩搅范围留下浆液形成的外圈，称为浆土护壁圈；

h、浇灌混凝土成扩底桩：在步骤e中的直孔内放置钢筋笼，然后在所述直孔内浇灌混凝土，完成水下扩底桩的施工。

步骤d中配制的浆液为两种，应确定每种单浆液，以及两种浆液混合后的合理初凝时间。两种浆液可分别选用水泥浆和水玻璃。

步骤f中通过钻杆将水下土体扩搅器送至步骤e钻出的直孔底部，切削搅拌架3张开至接触直孔壁，将步骤d中配制的两种浆液分别通过钻杆的芯管和芯管与钻杆内壁之间的间隙输送至上通管12和低通管11，通过钻杆对水下土体扩搅器旋压，外管1沿内管2向下滑动，切削搅拌架3旋切孔壁土体，两种浆液分别从上出浆孔7、下出浆孔8中带压流出，进入旋切松动的土体中，并随切削搅拌架3的搅动与土体进一步拌合并逐渐初凝，形成浆土合体，同时切削搅拌架3进一步张开并切削搅拌土体；当切削搅拌架3逐渐张开至最大时，加大钻杆压力，钻头4向下钻进，同时切削搅拌架3以最大张开度旋切孔周土体，并不断出浆拌合旋切松动的土体，如此直至到达设计搅拌范围的底高程；扩搅完成后，水下土体扩搅器缓缓上提，停止步骤d中配制浆液输送，改为输送强度低的充填浆液，随着水下土体扩搅器缓缓上提，切削搅拌架3在旋转过程中搅拌与回拢，残留在水下土体扩搅器内的浆液对扩搅范围底部进行加固；随着充填浆液的到来，充填浆液将充填水下土体扩搅器移离而留下的空间，从而维持扩搅区域的稳定。

当扩搅器置于孔底，钻头4受到孔底土体阻挡而停止下行，切削搅拌架3张开并触碰到孔壁。启动浆液输送，对钻杆进行旋压，扩搅器的外管1沿其与内管2之间的套合面下行，切削搅拌架3旋切孔壁土体，浆液沿各自管道与路径从出浆孔中带压流出，并进入到旋切松动的土体中。在紧邻随后的切削板搅动中，浆液与土体进一步拌合并快速初凝与固化，同时切削搅拌架3进一步张开。此阶段，因受孔底土体阻力作用，钻头4下行阻力大于切削搅拌阻力，钻杆对扩搅器的旋压作用，主要是使切削搅拌架3逐渐张开到设计的开度，钻头4因受压旋转，也会产生一定量的下行钻进。钻头4的锥角越大，孔底土体越密实，这种下行钻进量越小。当切削搅拌架3逐渐张开至最大时，加大钻杆压力，钻头4下行钻进，同时切削搅拌架3以最大张开度旋切孔周土体，并不断从出浆孔中出浆拌合旋切松动的土体，如此直至到达设计搅拌的底高程。

如此扩搅所形成的孔底搅拌范围为两个圆台中间夹一个圆柱的组合形状。上圆台的上截面与钻孔截面一致，上圆台的下截面为切削搅拌架3张开至最大时所扫过的面积，往下就是截面为这个面积的圆柱，其下则接一个倒圆台，圆台底面与底钻头4最大截面相当。

由于出浆孔位于上切削板301与下切削板302铰接处附近，所以在这个部位浆液固化最好，也即扩搅范围的外周将会形成一个强度相对高的硬圈层，而扩搅范围的内部虽有浆液渗入，强度增强相对弱些但整体性得到一定的加强，这正好为下一步扩底取土提供非常便利的条件。

扩搅完成后扩搅器上提时，仍需要原向旋转，并停止原浆液输送，改为输送固化后强度低的充填浆液。此时，随着扩搅器缓缓上提，切削搅拌架3在旋转过程中搅拌与回拢，残留在管内的原浆液刚好加固扩搅范围底部。之后随之而来的充填浆液将会充填扩搅器移离而留下的空间，从而维持扩搅区域的稳定，尤其是外周的高强度圈层的稳定。扩搅器上提时，应注意上提速度，过快则会造成扩搅器底部形成过大的真空吸力，对砂浆护壁圈的形成产生不利的影响。

除说明书所述的技术特征外，均为本专业技术人员的已知技术。

以上所述之实施例，只是本发明的较佳实施例而已，并非限制本发明的实施范围，故凡依本发明专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明申请专利范围内。