專利名稱：用于全樁長變截面灌注樁施工的變截面擠擴器及其施工方法
技術領域：
本發明涉及一種全樁長擠擴成變截面樁孔的變截面灌注樁施工裝置及其施工方法，屬于土木工程中的施工技術領域。
背景技術：
現有技術中常用的灌注樁的施工方法多為擠擴支盤樁，見參考文獻[1]擠擴支盤樁在工程中的應用，王振玲，山西建筑，第37卷第1期，2011年1月，施工方法為在鉆 (沖)孔后，將擴孔裝置放入孔中，利用支盤進行多次擠擴形成變截面樁孔，通過灌注等操作形成變截面樁。然而，成樁時對土體的要求較高，且多次擠擴操作繁雜；同時形成的變截面樁形式單一。
發明內容
本發明的目的是提供一種能夠實現全樁長擠擴成變截面樁孔的變截面擠擴器及相應的變截面灌注樁的施工方法，以小孔徑擠擴獲得高承載力的樁。應用本發明提供的變截面擠擴器可以降低成變截面灌注樁對土體的要求，且一次性制成樁孔。所述的施工方法是指將收縮狀態的筒型變截面擠擴器植入土層，到達設計深度后進行擠擴操作，以直接獲得變截面樁孔，向樁孔中灌注樁體材料即可獲得變截面樁。本發明提供的變截面擠擴器由至少兩個擠擴器單元組成，并且至少兩個擠擴器單元擴展后的直徑不相等；所述的每個擠擴器單元包括中心螺桿、正向螺母、反向螺母、支撐桿、支撐梁和擴展葉片，其中中心螺桿是由反向螺桿和正向螺桿兩段組成，反向螺桿段上套有一個反向螺母，正向螺桿段上套有一個正向螺母，所述的正向螺母和反向螺母上分別鉸接有數量相等、均勻分布的若干支撐桿，鉸接在正向螺母與反向螺母上的對應位置的支撐桿形成支撐桿對，支撐桿對的另一端鉸接在相應支撐梁上的同一點，支撐梁外連擴展葉片； 每個擠擴器單元的中心螺桿連接形成擠擴器。所述的變截面擠擴器由兩個以上擴展后直徑不同的直擴型擠擴器單元組構成，所述的直擴型擠擴器單元組由至少兩個擠擴器單元連接而成，每個擠擴器單元的中心螺桿的螺距相同，支撐桿長度相同，同組擠擴器單元共用支撐梁和擴展葉片。所述的變截面擠擴器是由至少兩個擠擴后直徑不同的斜擴型擠擴器單元組構成， 所述的斜擴型擠擴器單元組由兩個擠擴器單元連接而成，每個擠擴器單元的中心螺桿的螺距不同，支撐桿長度不同，同組擠擴器單元共用支撐梁和擴展葉片。所述的變截面擠擴器由若干個直擴型擠擴器單元組和若干個斜擴型擠擴器單元組構成。所述的斜擴型擠擴器單元組中的每個擠擴器單元的擴展葉片為扇形。應用上述的變截面擠擴器進行擠擴灌注樁施工，施工方法為將處于緊縮狀態的變截面擠擴器植入土層，通過擠擴器的擠擴，一次性得到變截面樁孔，向變截面樁孔中灌注樁體材料得到變截面灌注樁。本發明具有如下優點及功效(1)本發明通過一次性擠擴獲得變截面樁孔，從而獲得變截面灌注樁；(2)本發明提供的變截面擠擴器及其施工方法對土質的要求較低，可以應對土體較差的情況；(3)本發明提供的施工方法中變截面樁的形式多樣，可滿足不同土體的要求。
圖Ia --Id——直擴型擠擴器單元擠擴前縱剖面、橫剖面和擠擴后縱剖面、橫剖面示意圖2a --2d——變截面型擠擴器單元擠擴前縱剖面、俯視圖和擠擴后縱剖面、俯視圖示意圖3—一扇形擴展葉片示意圖4—一三角形底部擴大頭樁孔示意圖5—一梯形底部擴大頭樁孔示意圖6—一直擴型糖葫蘆樁孔示意圖7—一三角形糖葫蘆樁孔示意圖8—一梯形糖葫蘆樁孔示意圖9—一菱形糖葫蘆樁孔示意圖10—一階梯形樁孔示意圖11—一錐形樁孔示意圖。
圖中
A反向螺桿；B擴展葉片；C反向螺母；D正向螺母；F支撐梁；G支撐桿；H正向螺桿；I中心螺桿。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細說明。本發明提供一種全樁長變截面擠擴器，其結構組成如下該變截面擠擴器由至少兩節擠擴器單元組合連接而成，如圖1所示，每一個擠擴器單元均主要由中心螺桿I、反向螺母C、正向螺母D、支撐桿G、支撐梁F和擴展葉片B構成。 其中中心螺桿I是由反向螺桿A和正向螺桿H組成。反向螺桿A上套有一個反向螺母C，正向螺桿H上套有一個正向螺母D。一對正、反向螺母D、C上對應鉸接有數量相等的若干個支撐桿G形成支撐桿對。支撐桿對的另一端鉸接在支撐梁F上的同一點，支撐梁F外連擴展葉片B。在所述的反向螺母C或正向螺母D上鉸接的支撐桿G均勻分布。處于收縮狀態時，擴展葉片B之間相互搭疊，反向螺母C和正向螺母D之間的距離最大，當旋轉中心螺桿 I使得擠擴器擴展時，擴展葉片B之間首尾搭接，反向螺母C和正向螺母D之間的距離逐漸變小，形成所需要的擴展直徑。當相鄰擠擴器單元的支撐梁F和擴展葉片B為連續時，若中心螺桿I的螺距相同且支撐桿G長度相同，則擠擴器單元擴展后為直筒型，稱之為直擴型(簡稱I型)，如圖Ia Id所示，圖Ia為擠擴前縱剖面示意圖，圖Ib為擠擴前橫剖面示意圖，圖Ic為擠擴后縱剖面示意圖，圖Id為擠擴后橫剖面示意圖。當相鄰擠擴器單元的支撐梁F和擴展葉片B為連續時，若相鄰擠擴器單元中心螺桿I的螺距不同且支撐桿G的長度不同，則擠擴后成為圓臺型，如圖加、213、2(3、2(1所示，稱為斜擴型。斜擴型擠擴器單元的擴展葉片B可設計為類扇形或扇形弧面結構，如圖3所示。通過改變擠擴器單元中心螺桿的螺距和支撐桿(或支撐桿對)的長度，可以在擠擴器的中心螺桿I轉動相同角度時，使每個擠擴器單元的擴展直徑不同，即擠擴后可以獲得不同直徑的擠擴器。通過采用不同擠擴器單元的不同組合形式，可獲得滿足不同要求的變截面擠擴器。本發明提供的變截面擠擴器可以由若干個直擴型擠擴器單元組和若干個斜擴型擠擴器單元組構成，也可以由兩個以上擴展后直徑不同的直擴型擠擴器單元組構成，或者由至少兩個擠擴后直徑不同的斜擴型擠擴器單元組構成。所述的直擴型擠擴器單元組由至少兩個擠擴器單元連接而成，每個擠擴器單元的中心螺桿I的螺距相同，支撐桿G長度相同，同組擠擴器單元共用支撐梁F和擴展葉片B。所述的斜擴型擠擴器單元組由兩個擠擴器單元連接而成，每個擠擴器單元的中心螺桿I的螺距不同，支撐桿G長度不同，同組擠擴器單元共用支撐梁F和擴展葉片B。本發明一種全樁長擠擴變截面灌注樁施工方法可以采用如下方式實現第一步將組合好的處于收縮狀態的變截面擠擴器植入土層至設計深度；第二步旋轉中心螺桿I帶動所有擠擴器單元的反向螺母C和正向螺母D相對運動；驅使鉸接在反向螺母C和正向螺母D上的支撐桿G向外凸起，推動支撐梁F向外運動， 支撐梁F頂著擴展葉片B打開，擴展葉片B直接擠壓土層，直至擴張至擠擴器設計形狀，如圖lc、圖2c所示；第三步澆注樁體材料、向上收起擠擴器，即完成全樁長擠擴變截面灌注樁的施工。其中，視土質條件，擠擴器可以在樁體材料澆筑之前收起，也可以在樁體材料澆筑之后收起。當土質條件較好，擴孔后樁孔可以自立，擠擴器收起后樁孔不會坍塌時，則可以先收起擠擴器，然后澆筑樁體材料。如果土質條件不好，擴孔后樁孔不能自立，擠擴器收起后樁孔孔壁土體會坍塌，則可以先澆筑樁體材料，然后收起擠擴器。這樣，對土質的要求較低，可以應對土體較差的情況，可滿足不同土體的擠擴要求。實施例一工程場地土層為流塑態淤泥質粘土。擠擴器各部件采用鋁合金制作，三角形底部擴大頭樁孔擠擴器由若干個I擠擴器單元和若干個II型擠擴器單元組合而成。擠擴器在收縮狀態下具有一個統一的直徑150mm，擠擴后上部樁孔直徑200mm，擴大頭最大直徑為 380mm。設計樁長10m，擴大頭部分縱向尺寸為1. 5m。用靜壓方式將處于收縮狀態的擠擴器壓入土中，其下為承載力較高的粘土層，能夠充分發揮樁底的高承載力。旋轉擠擴器中心螺桿I使其擴展至設計直徑，形成變截面樁孔，向擠擴形成的變截面樁孔中澆筑C20混凝土，反向旋轉中心螺桿I并向上收起擴孔器，完成全樁長擠擴素混凝土灌注樁的施工，如圖 4所示，為三角形底部擴大頭樁孔示意圖，擠擴器由直擴型擠擴器單元組和斜擴型擠擴器單元組構成，直擴型擠擴器單元組由四個擠擴器單元連接而成，每個擠擴器單元的中心螺桿I 的螺距相同，支撐桿G長度相同，同組擠擴器單元共用支撐梁F和擴展葉片B ；斜擴型擠擴器單元組由兩個擠擴器單元連接而成，每個擠擴器單元的中心螺桿I的螺距不同，支撐桿G長度不同，同組擠擴器單元共用支撐梁F和擴展葉片B，斜擴型擠擴器單元組的最小擴展直徑等于直擴型擠擴器單元組的擴展直徑。實施例二 工程場地土層為可塑態粉質粘土。擠擴器采用低合金碳素鋼制作，梯形底部擴大頭樁孔擠擴器由若干個擠擴后直徑為a的I-I型擠擴器單元、若干個擠擴后直徑為b的1-2 型擠擴器單元和1 2個II型擠擴器單元組合而成。如圖5所示，兩個1-2和1-2型擠擴器單元的支撐桿G長度及中心螺桿I螺距不同。擠擴器在收縮狀態下直徑100mm，擠擴后上部樁孔直徑150mm，梯形擴大頭直徑為260mm。設計樁長20m，II型擠擴器單元組合后的縱向尺寸為lm，直徑為b = 260mm的1_2型擠擴器單元組合后縱向尺寸為細。用鉆機鉆直徑 IlOmm孔，將處于收縮狀態的擠擴器壓入孔中。旋轉擠擴器中心螺桿使其擴展至設計直徑， 反向旋轉并向上收起擴孔器，形成變截面樁孔，如圖5所示，變截面樁孔采用的變截面擠擴器由第一直擴型擠擴器單元組(1-1)、斜擴型擠擴器單元組(II)和第二直擴型擠擴器單元組(1- ，并且第一直擴型擠擴器單元組的擴展直徑大于第二直擴型擠擴器單元組的擴展直徑，向擠擴形成的變截面樁孔中放置鋼筋籠，澆筑C20混凝土，完成全樁長擠擴鋼筋混凝土灌注樁的施工。實施例三工程場地土層為流塑態淤泥質粉質粘土。擠擴器采用高強工程塑料制作，直擴型糖葫蘆樁孔擠擴器由若干個直擴型擠擴器單元組構成，即擠擴后直徑為a的I-I型擠擴器單元組(直擴型擠擴器單元組)與擠擴后直徑為b的1-2型擠擴器單元組(直擴型擠擴器單元組)相間組成，I-I型與1-2型擠擴器單元組的支撐桿G長度及中心螺桿I螺距不同， 同組內的中心螺桿I的螺距和支撐桿G的長度相同。擠擴器在收縮狀態下直徑150mm，擠擴后直徑a = 230mm和b = 320mm,設計樁長15m。采用激震器將處于收縮狀態的擠擴器貫入土中。旋轉擠擴器中心螺桿使其擴展至設計直徑，形成變截面樁孔，如圖6所示，變截面樁孔采用擠擴器單元類型為直擴型按照I-I型-1-2型的順次排布，其中I-I型與1-2型的直徑不同，向擠擴形成的變截面樁孔澆筑流態水泥與土的拌和物，反向旋轉并向上收起擴孔器，完成全樁長擠擴水泥土灌注樁的施工。其中水泥土拌和物硬化后無側限抗壓強度大于 1. 5MPa。實施例四工程場地土層為可塑態粉質粘土。擠擴器采用低合金碳素鋼制作，三角形糖葫蘆樁孔擠擴器由I型擠擴器單元組和II型擠擴器單元組相間組合而成。擠擴器在收縮狀態下直徑90mm，擠擴后最小直徑130mm，最大直徑200mm，設計樁長20m。用鉆機鉆直徑IOOmm 孔，將處于收縮狀態的擠擴器壓入孔中。旋轉擠擴器中心螺桿I使其擴展至設計直徑，反向旋轉并向上收起擴孔器，形成變截面樁孔，如圖7所示，變截面樁孔采用的擠擴器由直擴型擠擴器單元組和斜擴型擠擴器單元組相間排列構成，斜擴型擠擴器單元組的最小擠擴直徑等于直擴型擠擴器單元組的擠擴直徑，每組直擴型擠擴器單元組的擴展直徑相同。向擠擴形成的樁孔中放置鋼筋籠，澆筑C20混凝土，完成全樁長擠擴鋼筋混凝土灌注樁的施工。實施例五工程場地土層為可塑態粉質粘土。擠擴器采用鈦合金制作，梯形糖葫蘆樁孔擠擴器由擠擴后直徑為a的I-I型擠擴器單元、II型擠擴器單元和擠擴后直徑為b的1-2型擠擴器單元相間組合而成。I-I型與1-2型擠擴器單元的支撐桿G長度及中心螺桿I螺距不同。擠擴器在收縮狀態下直徑400mm，擠擴后最小直徑550mm，最大直徑800mm，設計樁長 40m。用螺旋鉆機鉆直徑420mm孔，將處于收縮狀態的擠擴器壓入孔中。旋轉擠擴器中心螺桿I使其擴展至設計直徑，形成變截面樁孔，如圖8所示，所述的變截面樁孔采用的擠擴器由三個第一直擴型擠擴器單元組(1-1)、三個第二直擴型擠擴器單元組(1- 和三個斜擴型擠擴器單元組相間排列構成，第一直擴型擠擴器單元組的擴展直徑小于第二直擴型擠擴器單元組的擴展直徑，并且斜擴型擠擴器單元組的最小擴展直徑等于第一直擴型擠擴器單元組的擴展直徑，斜擴型擠擴器單元組的最大擴展直徑等于第二直擴型擠擴器單元組的擴展直徑。反向旋轉并向上收起擠擴器，向擠擴形成的樁孔中放置鋼筋籠，澆筑C25混凝土， 完成全樁長擠擴鋼筋混凝土灌注樁的施工。實施例六工程場地土層為可塑態粉質粘土。擠擴器采用低合金碳素鋼制作，菱形糖葫蘆樁孔擠擴器由I型擠擴器單元、正置的II型擠擴器單元II-I和倒置的II型擠擴器單元II-2 相間組合而成。II-I型和II-2型擠擴器單元中心螺桿I的螺紋相反。擠擴器在收縮狀態下直徑300mm，擠擴后最小直徑450mm，最大直徑800mm，設計樁長20m。用鉆機鉆直徑310mm 孔，將處于收縮狀態的擠擴器壓入孔中。旋轉擠擴器中心螺桿I使其擴展至設計直徑，反向旋轉并向上收起擠擴器，形成變截面樁孔，如圖9所示，所述的變截面樁孔采用的擠擴器由三個擴展直徑相同的直擴型擠擴器單元組、三個第一斜擴型擠擴器單元組和三個第二斜擴型擠擴器單元組相間排列構成，其中，第一和第二斜擴型擠擴器單元組的最小擴展直徑等于直擴型擠擴器單元組的擴展直徑，第一斜擴型擠擴器單元組的最大擴展直徑等于第二斜擴型擠擴器單元組的擴展直徑。向擠擴形成的樁孔中放置鋼筋籠，澆筑C20混凝土，完成全樁長擠擴鋼筋混凝土灌注樁的施工。實施例七工程場地土層為流塑態淤泥質粘土。擠擴器采用鋁合金制作，階梯形樁孔擠擴器由若干個擠擴后直徑依次遞減的I型擠擴器單元組合而成。擠擴器單元的支撐桿長度及中心螺桿螺距不同。且從上至下，擠擴后擠擴器單元的擴展直徑逐漸減小。擠擴器在收縮狀態下直徑300mm，擠擴后最大樁孔直徑750mm，最小樁孔直徑為400mm。設計樁長10m。用靜壓方式將處于收縮狀態的擠擴器壓入土中。旋轉擠擴器中心螺桿I使其擴展至設計直徑， 形成變截面樁孔，如圖10所示，所述的變截面樁孔采用的擠擴器由三個直擴型擠擴器單元組構成，每個直擴型擠擴器單元組的擴展直徑依次遞減，形成階梯狀。向擠擴形成的變截面樁孔中澆筑C20混凝土，反向旋轉中心螺桿I并向上收起擴孔器，完成全樁長擠擴素混凝土灌注樁的施工。實施例八工程場地土層為可塑態粉質粘土。擠擴器采用低合金碳素鋼制作，錐形樁孔擠擴器由若干個擠擴后直徑依次遞減的II型擠擴器單元組合而成。擠擴器單元的支撐桿長度及中心螺桿螺距不同。擠擴器在收縮狀態下直徑80mm，擠擴后最大直徑170mm，最小直徑 90mm，設計樁長15m。用鉆機鉆直徑90mm孔，將處于收縮狀態的擠擴器壓入孔中。旋轉擠擴器中心螺桿I使其擴展至設計直徑，反向旋轉中心螺桿I至收縮直徑并向上收起擴孔器，形成變截面樁孔，如圖11所示，所述的擠擴器由若干個斜擴型擠擴器單元組構成，每個斜擴型擠擴器單元組的擴展直徑不同。向擠擴形成的變截面樁孔中澆筑C20混凝土，完成全樁長擠擴素混凝土灌注樁的施工。 在上述實施例的基礎上，本發明提供的變截面樁孔或者灌注樁的方法，可以采用若干組直擴型擠擴器單元組和斜擴型擠擴器單元組的任意組合形式構成的擠擴器實現，形成符合工程要求或者符合土層要求的變截面樁孔，不管那種形式的擠擴器，收縮狀態的擠擴器中具有統一的收縮直徑，便于將擠擴器壓入相應的土層中，擴展后的擴展直徑為變直徑，滿足不同的擠擴直徑和形狀要求。
權利要求
1.一種用于全樁長變截面灌注樁施工的變截面擠擴器，其特征在于所述的變截面擠擴器由至少兩個擠擴器單元組成，并且至少兩個擠擴器單元擴展后的直徑不相等；所述的每個擠擴器單元包括中心螺桿、正向螺母、反向螺母、支撐桿、支撐梁和擴展葉片，其中中心螺桿是由反向螺桿和正向螺桿兩段組成，反向螺桿段上套有一個反向螺母，正向螺桿段上套有一個正向螺母，所述的正向螺母和反向螺母上分別鉸接有數量相等、均勻分布的若干支撐桿，鉸接在正向螺母與反向螺母上的對應位置的支撐桿形成支撐桿對，支撐桿對的另一端鉸接在相應支撐梁上的同一點，支撐梁外連擴展葉片；每個擠擴器單元的中心螺桿連接形成擠擴器。
2.根據權利要求1所述的一種用于全樁長變截面灌注樁施工的變截面擠擴器，其特征在于所述的變截面擠擴器由兩個以上擴展后直徑不同的直擴型擠擴器單元組構成，所述的直擴型擠擴器單元組由至少兩個擠擴器單元連接而成，每個擠擴器單元的中心螺桿的螺距相同，支撐桿長度相同，同組擠擴器單元共用支撐梁和擴展葉片。
3.根據權利要求1所述的一種用于全樁長變截面灌注樁施工的變截面擠擴器，其特征在于所述的變截面擠擴器是由至少兩個擠擴后直徑不同的斜擴型擠擴器單元組構成，所述的斜擴型擠擴器單元組由兩個擠擴器單元連接而成，每個擠擴器單元的中心螺桿的螺距不同，支撐桿長度不同，同組擠擴器單元共用支撐梁和擴展葉片。
4.根據權利要求1所述的一種用于全樁長變截面灌注樁施工的變截面擠擴器，其特征在于所述的變截面擠擴器由若干個直擴型擠擴器單元組和若干個斜擴型擠擴器單元組構成。
5.根據權利要求3或4所述的一種用于全樁長變截面灌注樁施工的變截面擠擴器，其特征在于所述的斜擴型擠擴器單元組中的每個擠擴器單元的擴展葉片為扇形弧面結構。
6.用于全樁長變截面灌注樁施工的變截面擠擴器的施工方法，其特征在于將處于緊縮狀態的變截面擠擴器植入土層，通過擠擴器的擠擴，一次性得到變截面樁孔，向變截面樁孔中灌注樁體材料得到變截面灌注樁。
全文摘要
本發明公開了一種用于全樁長變截面灌注樁施工的變截面擠擴器及其施工方法，由至少兩個擠擴器單元組成，并且至少有兩個擠擴器單元擴展后的直徑不相等；所述的每個擠擴器單元包括中心螺桿、正向螺母、反向螺母、支撐桿、支撐梁和擴展葉片，每個擠擴器單元的中心螺桿連接形成擠擴器，各擠擴器單元的中心螺桿的螺距以及支撐桿的長度不全部相等。所述的變截面擠擴器通過一次性擠擴獲得變截面樁孔，從而獲得變截面灌注樁；對土質的要求較低，可以應對土體較差的情況；而且變截面樁的形式多樣，可滿足不同土體的要求。
文檔編號E02D5/48GK102286972SQ20111016742
公開日2011年12月21日 申請日期2011年6月21日 優先權日2011年6月21日
發明者俞悅, 劉鵬, 翟京, 鄭曉寧, 黃新 申請人:北京航空航天大學