阅读说明：本技术 应用于珊瑚礁地质的原位搅拌钢管桩施工系统及方法 (In-situ stirring steel pipe pile construction system and method applied to coral reef geology ) 是由 张永涛 潘桂林 吴启和 刘建波 张磊 仇正中 万猛 于 2019-09-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了应用于珊瑚礁地质的原位搅拌钢管桩施工系统及方法,系统包括：钢管桩,其包括一体成型的上部标准段和下部扩径段,所述钢管桩侧面具有多个开孔；回旋动力装置,其连接有钻杆,所述钻杆为空心杆；注浆管路；扩底钻头；方法包括：准备；钻进,当扩底钻头钻进至钢管桩底部的扩径段时,将扩底钻头扩径并继续钻进；通过钻杆将固化浆注入孔底,并通过钻杆旋转带动扩径钻头的旋转搅拌作用与珊瑚礁砂混合均匀,固化浆-珊瑚礁砂混合体通过钢管桩上的开孔充满标准段内外。本发明结合了原位搅拌桩和钢管桩的施工方法,将钻孔、沉桩、灌浆三道工序整合为一道工序,具有承载力高、施工效率高、工程造价低的优点。(The invention discloses an in-situ stirring steel pipe pile construction system and method applied to coral reef geology, wherein the system comprises the following steps: the steel pipe pile comprises an upper standard section and a lower expanding section which are integrally formed, and the side surface of the steel pipe pile is provided with a plurality of openings; the rotary power device is connected with a drill rod, and the drill rod is a hollow rod; grouting pipelines; a bottom expanding drill bit; the method comprises the following steps: preparing; drilling, namely expanding the diameter of the bottom-expanding drill bit and continuously drilling when the bottom-expanding drill bit drills to the diameter-expanding section at the bottom of the steel pipe pile; the solidified slurry is injected into the bottom of the hole through the drill rod, the solidified slurry and the coral reef sand are uniformly mixed under the rotating stirring action of the drill rod which rotates to drive the expanding drill bit, and the solidified slurry-coral reef sand mixture is filled inside and outside the standard section through the opening on the steel pipe pile. The invention combines the construction method of the in-situ mixing pile and the steel pipe pile, integrates three procedures of drilling, pile sinking and grouting into one procedure, and has the advantages of high bearing capacity, high construction efficiency and low construction cost.)

应用于珊瑚礁地质的原位搅拌钢管桩施工系统及方法

技术领域

本发明涉及桩基施工技术领域。更具体地说，本发明涉及应用于珊瑚礁地质的原位搅拌钢管桩施工系统及方法。

背景技术

打入式钢管桩成本低、施工过程快，在海上工程中应用普遍。虽然打入钢管桩相关的技术比较成熟，但在珊瑚礁地层中，打桩过程会对易碎颗粒和土壤结构造成破坏，从而导致钢管桩的侧摩阻力非常低，会导致“溜桩”或竖向承载力不满足设计要求的问题。中国南海、红海、地中海西部、澳大利亚西部、印度西部等海域的海上工程均遇到了此类问题。目前，国外一般采用钻孔灌浆钢管桩来解决该问题，即先进行钻孔，再清孔，然后***钢管桩，最后灌浆。该方法虽然解决了钢管桩侧摩阻力低的问题，但其工序多、工期长、造价高，而且固化浆固结后容易产生裂纹。打入式钢管桩后压浆也可在一定程度上解决该问题，但压浆覆盖率难以确保，桩侧摩阻力不稳定，而且压力灌浆可能会对土体结构造成一定的破坏，反而降低其承载力。同时，珊瑚礁地质表层往往存在盖岩或高固结土，钢管桩打入过程容易发生卷边，造成钢管桩整体报废。

发明内容

本发明的一个目的是提供应用于珊瑚礁地质的原位搅拌钢管桩施工系统及方法，结合了原位搅拌桩和钢管桩的施工方法，将钻孔、沉桩、灌浆三道工序整合为一道工序，具有承载力高、施工效率高、工程造价低的优点。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了应用于珊瑚礁地质的原位搅拌钢管桩施工系统，包括：钢管桩，其通过桩机固定于设计位置，所述钢管桩包括一体成型的上部标准段和下部扩径段，所述钢管桩侧面具有多个开孔；回旋动力装置，其安装于钢管桩的上部，所述回旋动力装置连接有钻杆，其位于钢管桩内部，所述钻杆为空心杆；注浆管路，其一端连通钻杆，所述注浆管路另一端连接外部的压浆装置；扩底钻头，其连接于钻杆的底部且不干涉钻杆底部连通钢管桩内部。

优选的是，所述扩径段直径大于标准段直径的0.1倍。

优选的是，所述扩底钻头包括：液压伸缩杆，其固定连接于钻杆上，所述液压伸缩杆的变径杆底端连接钻头本体；固定件，其固定套设液压伸缩杆上；一对扩径杆，其对称位于液压伸缩杆两侧，所述扩径杆的上端铰接于固定件上；一对连接杆，其也对称位于液压伸缩杆两侧，所述连接杆的上端铰接于扩径杆上，所述连接杆的下端铰接于钻头本体上。

优选的是，所述钻杆底部侧面具有多个连通钢管桩内部的小孔。

优选的是，所述扩底钻头的扩底直径略小于扩径段的直径且略大于标准段的直径。

本发明还提供一种应用于珊瑚礁地质的原位搅拌钢管桩施工方法，包括如下步骤：

步骤1：测量定位，通过桩机将钢管桩安装在设计位置并固定，钢管桩在自重作用下进入土体一部分，同时配置好固化浆，连接好注浆管路；

步骤2：将回旋动力装置安装在钢管桩的上部，通过钻杆将扩底钻头放入钢管桩内，并钻进成孔；

步骤3：当扩底钻头钻进至钢管桩底部的扩径段时，将扩底钻头扩径并继续钻进，成孔直径略大于钢管桩标准段桩径，而略小于扩径段桩径；在钻进成孔过程中，始终通过钻杆将固化浆注入孔底，并通过钻杆旋转带动扩径钻头的旋转搅拌作用与珊瑚礁砂混合均匀；

步骤4：钻进一定深度后，钢管桩底部会基本脱空，因此钢管桩会在自重作用下继续进入土体，而固化浆-珊瑚礁砂混合体通过钢管桩上的开孔充满标准段内外；

步骤5：钻进至设计底标高，继续注入固化浆并旋转扩径钻头，搅拌一段时间，直至钢管桩端部压浆密实；最后，将扩底钻头缩径并拔出，等待固化浆-珊瑚礁砂混合体凝结并养护完成后，完成原位搅拌钢管桩的施工。

本发明至少包括以下有益效果：

本发明结合了原位搅拌桩和钢管桩的施工方法，将钻孔、沉桩、灌浆三道工序整合为一道工序，解决了珊瑚礁地质条件下，打入式钢管桩侧摩阻力低和钻孔灌浆钢管桩成本高的问题，具有承载力高、施工效率高、工程造价低的优点。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明中的原位搅拌钢管桩施工方法示意图。

图2为施工过程中的原位搅拌钢管桩底部局部放大图。

图3为本发明中钢管桩的立面示意图。

图4为本发明中的扩底钻头扩径前示意图；

图5为本发明中的扩底钻头扩径后示意图。

附图标记说明：

1、桩机，2、钢管桩，3、回旋动力装置，4、钻杆，5、扩底钻头，6、注浆管路，2-1、标准段，2-2、扩径段，2-3、开孔，5-1、变径杆，5-2、液压伸缩杆，5-3、固定件，5-4、扩径杆，5-5、连接杆，5-6、钻头本体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1至3所示，本发明提供一种应用于珊瑚礁地质的原位搅拌钢管桩施工系统，包括：钢管桩2，其通过桩机1固定于设计位置，所述钢管桩2包括一体成型的上部标准段2-1和下部扩径段2-2，所述钢管桩2侧面具有多个开孔2-3；回旋动力装置3，其安装于钢管桩2的上部，所述回旋动力装置3连接有钻杆4，其位于钢管桩2内部，所述钻杆4为空心杆；注浆管路6，其一端连通钻杆4，所述注浆管路6另一端连接外部的压浆装置；扩底钻头5，其连接于钻杆4的底部且不干涉钻杆4底部连通钢管桩2内部。

本发明还提供一种应用于珊瑚礁地质的原位搅拌钢管桩施工方法，包括如下步骤：

步骤1：测量定位，通过桩机1将钢管桩2安装在设计位置并固定，钢管桩2在自重作用下进入土体一部分，同时配置好固化浆，连接好注浆管路6；

步骤2：将回旋动力装置3安装在钢管桩2的上部，通过钻杆4将扩底钻头5放入钢管桩2内，并钻进成孔；

步骤3：当扩底钻头5钻进至钢管桩2底部的扩径段2-2时，将扩底钻头5扩径并继续钻进，成孔直径略大于钢管桩2标准段2-1桩径，而略小于扩径段2-2桩径；在钻进成孔过程中，始终通过钻杆4将固化浆注入孔底，并通过钻杆4旋转带动扩径钻头的旋转搅拌作用与珊瑚礁砂混合均匀；

步骤4：钻进一定深度后，钢管桩2底部会基本脱空，因此钢管桩会在自重作用下继续进入土体，而固化浆-珊瑚礁砂混合体通过钢管桩2上的开孔2-3充满标准段2-1内外；

步骤5：钻进至设计底标高，继续注入固化浆并旋转扩径钻头，搅拌一段时间，直至钢管桩2端部压浆密实；最后，将扩底钻头5缩径并拔出，等待固化浆-珊瑚礁砂混合体凝结并养护完成后，完成原位搅拌钢管桩2的施工。

在上述技术方案中，钢管桩2为标准段2-1和扩径段2-2构成，扩径段2-2的设置一方面可使得钢管桩2的标准段2-1与珊瑚礁地质的侧面具有一定的空隙，固化浆与珊瑚礁砂混合后的混合体可通过钢管桩2上设置的开孔2-3渗透至侧面的空隙中，保证钢管桩2与珊瑚礁之间的粘结力，提高钢管桩侧摩阻力；另一方面扩底钻头5在扩底时，其成孔直径略小于扩径段2-2的直径，扩径段2-2的底部外侧就可以稳定位于周边未钻的土体上，如图2所示，从而保证了钢管桩2的稳定性，也就保证了钢管桩2的中心线始终可以与最终成孔的中心线基本重合，保证了成孔的顺利稳定进行。回旋动力装置3为现有常规的钻进机械，其连接钻杆4并可带动钻杆4向下且旋转运动。注浆管路6通过压浆装置将固化浆压入钻杆4内，并通过钻杆4位于钢管桩2内外，钻杆4底部侧面设置有多个连通钢管桩2内部的小孔，使用的固化浆经过配合比设计后，与珊瑚礁砂混合后能形成一定的强度，为5MPa左右。扩底钻头5在钻进至扩径段2-2时进行扩径钻进，钻进完成后可缩径取出，扩底钻头5结构简单，操作方便且可直接取出。所述扩径段2-2直径大于标准段2-1直径的0.1倍，即以2m钢管桩2为例，扩径段2-2直径大于钢管桩2标准段2-1直径20cm。钢管桩2施工需要3到5小时，而固化浆完成固化需要24小时，因此本发明的施工完全可以实施并取出较好的技术效果。

在珊瑚礁地质条件下，通过钻杆4将扩底钻头5放入钢管桩2底部，并进行扩孔钻进，成孔直径略大于钢管桩标准段2-1直径，而略小于扩径段2-2直径。在钻进过程中，通过钻杆4向孔内注入固化浆，扩底钻头5的旋转搅拌作用将固化浆与珊瑚礁砂混合均匀，并经钢管桩2底部和侧面的开孔2-3流向钢管桩2外部。施工完成后，钢管桩2内外均被固化浆和珊瑚礁砂的混合物包裹住，凝结后能提高钢管桩2的侧摩阻力。

如图4和图5所示，本申请的应用于珊瑚礁地质的原位搅拌钢管桩施工系统的一优选实施例中，所述扩底钻头5包括：液压伸缩杆5-2，其固定连接于钻杆4上，所述液压伸缩杆5-2的变径杆5-1底端连接钻头本体5-6；固定件5-3，其固定套设液压伸缩杆5-2上；一对扩径杆5-4，其对称位于液压伸缩杆5-2两侧，所述扩径杆5-4的上端铰接于固定件5-3上；一对连接杆5-5，其也对称位于液压伸缩杆5-2两侧，所述连接杆5-5的上端铰接于扩径杆5-4上，所述连接杆5-5的下端铰接于钻头本体5-6上。

在上述技术方案中，扩底钻头5的扩底是通过液压伸缩杆5-2的伸缩实现的，具体为液压伸缩杆5-2内的变径杆5-1上下伸缩实现的，其通过线路连接施工地面的控制器控制伸缩。变径杆5-1上下伸缩时，带动一对连接杆5-5向内外伸缩，从而带动一对扩径杆5-4内外伸缩，实现扩底钻头5的扩径和缩径。

本发明的具体施工效果如下：

侧摩阻力问题：珊瑚礁地质通过钢管桩的一般直接打桩，侧摩阻力在0～20kPa左右，采用该工艺后，侧摩阻力在100～200KPa。

竖向承载力方面：以直径1m，高度20m钢管桩为例，打入某珊瑚礁地层20m计算，用传统的打桩船打入，其极限承载力约2400kN，采用本工艺成桩后，承载力7500kN。

施工效率方面：传统的钢管桩打桩要40min，而本工艺用时5h，钻孔灌注桩3天。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。