CN101413263B - 旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩及成桩装置和施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩及成桩装置和施工方法。桩体以连续不重叠的锥形或梯形螺盘体坡面承受端阻与侧阻，以螺盘体辅助桩芯承载，通过钻入挤密加固桩周地基土层、提升端阻面积和侧阻效能及扩大桩芯承载截面提升承载能力和抗震性能；成桩装置包含钻入扩张装置、钻杆、动力头、转动轴液压传输***等组件，具有反力触探、喷水减阻、灌注口液压离合、旋升扩螺变径、混凝土搅拌增压灌注、模块化组合等技术特征；具有喷水减阻钻入以触探准确抵达设计持力层深度，旋升扩张塑形同步搅拌增压灌注混凝土，以一次钻入和旋升过程完成各种变形锥体螺盘灌注桩的成桩方法。

Description

旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩及成桩装置和施工方法

技术领域：

本发明涉及的是建筑营造地基基础领域中混凝土灌注桩及工法和机械制造领域。

背景技术：

目前，建筑营造地基基础领域所使用的各种土层桩，虽然种类繁多，但都是依靠桩体周边摩擦或桩端施压两种形式把竖向荷载竖直传递给持力土层，在岩层埋深较大的地质条件下，均无法解决土层承载能力低下、单桩承载力不足、桩身材料强度不能充分利用、地震时桩体周围持力土层在承受地震荷载(地震振幅、振频、振动延续时间、加速度、速度及质量惯性)冲击下(发生软化和液化)出现过载剪切破坏和承载能力衰退丧失导致土层桩失稳沉浮、准确把握地下持力土层的构造变化、精确控制土层桩的单桩承载力与设计荷载之间取得平衡等技术难题，并因土层桩基造价高承载能力不足，造成了人力物力的巨大浪费。虽然近数十年世界科学技术有了快速的发展，出现了多种高科技的桩工机械和众多变形土层桩，并以扩大端阻面积或提高侧阻阻尼等方法力求提升单桩承载力，但由于施工方法过于复杂等原因大幅增加了成桩和在复杂的地质条件下保证桩体技术质量耐久性要求的难度，成为了桩基新技术推广发展的瓶颈。针对现有各类土层桩的技术缺陷，本发明就是要以一种拥有独特外形特征并充分利用土层力学特性的创新受力模型桩体和施工方法以及涉及的成桩装置和相关机械机构，推动土层桩基技术和相关机械制造技术的变革和进步。

引用技术文件有：

《建筑地基基础设计规范GB 50007-2002》

《岩土工程勘察规范GB50021---2001》

《建筑桩基技术规范JGJ 94-94》

《岩土工程基本术语标准GB/T 50279-98》

《工程抗震术语标准JGJ/T 97-95》

发明内容：

本发明针对现有的各类土层桩普遍存在的承载力低下的难题，充分利用土层桩体外表特征无论形状如何，当它对持力土层施压时准会受到与施压面垂直相对的阻抗，且阻抗随施压面积增加而增大；当承载桩体与持力土层存在相对位移趋势时，其侧阻相对位移面都会受到与位移方向相反的阻抗，且阻抗随着相对位移面正压力的增加和相对位移面与桩***移方向的夹角增加而增大；桩体承受轴向荷载和水平荷载的能力随桩体横截面面积增大而加强的力学特性，发明了一种以大截面锥体螺盘连续螺旋坡面同时承受端阻和侧阻并使螺旋坡面所受反力保持平行且不重叠，并以附着在桩体外周的连续大截面锥体螺盘辅助桩芯体转递轴向荷载，并可按设计承载要求随意扩张提升桩芯承压面积的受力模型桩体，改传统土层桩体周边竖直面磨擦为螺旋锥体坡面磨擦、改传统土层桩体受力端部及平面承压为螺旋锥体坡面承压，通过桩身连续的扩大锥体螺盘坡面将竖向荷载转换为与锥体螺旋坡面垂直的端压力和锥体螺旋坡面相对侧移动力，以特有的连续密集且不重叠锥体螺盘螺旋坡面将桩体承载的竖向荷载均匀扩散到桩体周围纵深持力土层中，使桩体周边更大范围内持力土层共同参与承载，从而大幅提升桩体承载效能，使得旋扩变径锥体螺盘混凝土桩具备了高效承载特性。

另外鉴于在强烈地震荷载作用下，建筑基础在地震非危险地段桩基持力土层产生的主要破坏来自于地震振幅、振动持续时间、加速度和荷载惯性的共同作用，因振动和地下压力水作用下使部分桩基持力土层产生液化破坏和剪切破坏、承载能力衰退甚至丧失，对其的防范措施就是增加桩基础的富裕承载能力，即尽可能增加桩端阻面积降低单位承压面压力、增大桩侧阻效率因素、加固地基和增大桩体端阻面周边剪切边长及增加地基持力土层有效剪切深度；而旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩正是以提高实际施压面积(以锥体坡面与桩体轴线夹角为45度为例，其承压坡面积是其计算端阻面积的约1.414倍)降低对持力土层的压强，以扩大螺旋锥体螺盘外周直径及进入持力土层的螺旋周数n值增大端阻承压面积来大幅提高桩体承载能力抵御持力土层承压面过载(由地震振幅、振动持续时间、加速度和惯性力使承压面压力增大和持力饱和土层在地震振动作用下孔隙水压力增大造成承载能力降低)产生的破坏；以承压坡面作为桩体侧阻摩擦面改变了现有土层桩侧阻与桩体受力方向平行的不利于承受冲击荷载的因素，有效降低在地震力作用时桩侧阻(因持力土层孔隙水压力增加特别使饱和砂性持力土层因排水不畅在荷载与振动作用下产生液化)产生的衰减和丧失；由于旋扩变径锥体螺盘桩的螺盘外周螺旋剪切边贯穿整个桩体进入的持力土层全深，并用螺旋剪切周边把整个深度均匀分割成相等厚度的叠合剪切层而大幅提升了桩基持力土层的抗剪深度使得持力土层抗剪切变形能力大幅提高；再则因旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩在钻入旋扩成桩过程中对周边持力土层的有效挤密作用使桩基持力土层得到有效加固，加之大截面螺旋锥体螺盘均匀的嵌入在被加固的持力土层中，使得桩体与持力土层实时处在紧密的桩土“合一”的“咬合”状态，这种超强的阻尼效应将有效保证承受地震荷载冲击时旋扩变径锥体螺盘桩桩体在持力土层中的承载稳定状态。也正是由于旋扩变径锥体螺盘桩桩体这种独特特征的综合优势，确定了本发明之桩体具备比其它各种土层桩桩体更大的承载和抵抗地震冲击能力。

根据现行《建筑地基基础设计规范GB50007---2002》设计时单桩竖向承载力特征值估算式为依据：

R_a＝q_paA_p+u_p∑q_sial_i                                (8.5.5-1)

式中：R_a---单桩竖向承载力特征值；

q_pa，q_sia---桩端端阻力，桩侧阻力特征值，由当地静载荷试验结果统计分析算得；

A_p---桩底端横截面面积；

u_p---桩身周边长度；

l_i---第i层岩土层的厚度。

参照《规范》单桩竖向承载力特征值估算式计算规则，根据旋扩变径锥体螺盘桩体特征推导出单桩竖向承载力特征值估算式如下：

R_a＝q_paA_p+∑n_iq_paiA_pi+∑(q_siau_pin_ih+q_siarn_iA_pir)

式中：R_a---单桩竖向承载力特征值；

q_pa，q_pai，q_sia，q_siar---桩端端阻力，i土层桩锥体螺盘端阻力，i土层桩侧阻力特征值，i土层桩锥体螺盘坡面侧阻力特征值，由当地静载荷试验结果统计分析算得；

A_p，A_pi，A_pir---桩芯底端横截面面积，i土层螺旋体单周投影面积，i土层螺旋体单周坡面面积；

u_pi---i土层桩体外周计算竖直边螺旋单周平均折算长度；

n_i---第i层土层中锥体螺盘体螺旋周数；

h---桩体螺旋单周垂直边计算高度。

由上式分析得出连续密集相互不重叠的锥体螺盘体螺旋坡面技术特征，大幅增加了桩体在持力土层中的端阻面积A_pi，把竖向承载通过桩体螺旋坡面均匀扩散到周边更大范围持力土层中，其单桩端阻是桩端端阻q_paA_p与桩体n周螺旋坡面产生的端阻q_paiA_pi之和；而桩体侧阻是由桩体外侧n周竖直侧面产生的侧阻q_siau_pin_ih与桩体n周螺旋坡面产生的侧阻q_siarn_iA_pir之和；正是由于旋扩变径锥体螺盘桩体有着增加桩长提升n值的潜能和低成本，所以其可轻易通过增加单桩桩长获得更高的承载力；又因为扩大的锥体螺盘体有着足够大的截面和连续性，具备了长期抵抗地下水的侵蚀和在向周围持力土层扩散荷载的同时并辅助桩芯体承传竖向荷载的能力；依据桩芯承截面随桩体在持力土层的深度的下移，其传递的竖向荷载逐渐衰减的特性，以桩芯体各横截面实际抗压强度需求为桩芯实施“变径”，即可大幅提升桩体承压材料的综合利用率和综合承载能力。以具备大承载力的旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩单桩基础方案替代因传统土层单桩承载能力不足而普遍采用的多桩和群桩桩基础方案，可较大幅度降低土层桩基础的投资成本。

本发明针对成桩设备普遍存在的钻入过程克服扭阻耗能过大无法随意按桩芯横截面承载需求调整桩芯直径的难题，研发了喷水减阻和小直径助钻牵引螺纹钻杆钻入、大桩径大截面锥体螺盘桩体旋扩产出的钻入旋扩***，在钻入时可启动钻尖及旋扩装置侧壁喷水减阻***适度进行高压喷水，在土层与钻尖钻杆接触面之间形成薄薄的泥浆润滑层降低钻入磨阻，帮助钻杆和钻入旋扩装置顺利钻入设计指定持力土层深度；研发的螺旋弧形旋伸肋板及螺盘旋扩瓣组成的旋扩***可有效减小装置的钻入外径，利用旋升过程成桩装置富裕的输出扭矩启动旋扩***按设计要求旋扩变径灌注混凝土成桩，降低完成大桩径作业成桩设备所需大扭矩输出的投入成本和作业能耗。利用喷水减阻钻入和旋升扩螺变径结合锥体螺盘高承载特征技术可产出大直径大桩长旋扩变径高承载锥体螺盘土层单桩，以大承载力旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩单桩基础方案替代因传统土层单桩承载能力不足而普遍采用的多桩和群桩桩基础方案，可较大幅度降低土层桩基础的投资成本。

本发明针对传统沉管混凝土灌注桩在灌注中灌注口无法有控制开启与闭合的难题，研发了锥台牙嵌钻尖液压升降可控制开启闭合***，确保了灌注口每次都能可靠开启，并在灌注混凝土面达到指定高度时准确实时闭合灌注口使钻杆管内的多余混凝土不致浪费；另外还可以根据需要在灌注的过程中实时关闭灌注口，对桩体进行二次钻入挤扩灌注。

本发明针对现有灌注桩成桩技术中无法点对点跟踪施工现场土层地质变化，实时准确的对每根桩根据设计承载力进行因地制宜调控实际桩长的难题，研发了钻尖钻入触动反力探测传导***，施工时可随时监控成桩钻入时地下地质土层反力的变化信号，快速准确把握设计指定持力土层的埋深及钻尖进入指定持力土层的深度，并可将土层即时变化信号数据采集提供给计算机数据库智能分析平台，使技术人员结合已知地质报告持力土层技术参数、数据和单桩设计荷载结合数据库大量原始成桩反力变化数据和实桩静载检测对照数据积累成果及安全系数进行模拟分析，为每根桩体的桩长和变径参数提供较为科学的参照依据，由此可解决现有土层桩因地质差异和施工作业差异造成的单桩承载力与设计承载力差异过大的难题，并为今后桩工机械和成桩过程走向智能化开辟出一条新的研发方向。

本发明针对现有灌注桩混凝土灌注普遍存在的高落差混凝土离析、骨料沉淀、桩体混凝土内残留大量气泡、成桩过程中灌注口在塑性土层中因灌注的混凝土与回弹土体的压差失衡出现缩径质量事故的问题，研发了以正反双向螺旋叶片多层叠合及增压螺杆组合成的内转杆混凝土搅拌增压***，可不间断的对钻杆管内混凝土实施双向搅拌使混凝土在管内上下翻滚以保证混凝土的和易性和均匀性可流动性并疏导排除出因混凝土高落差坠落冲击产生残留的过多气泡，实时对灌注混凝土进行增压，并可通过在内转杆减速机上安装扭矩传感器对减速机输出扭矩进行监控以维持输出扭矩的恒定保持灌注面混凝土的灌注压力的稳定，由于增压灌注混凝土的同时仍然保持着不间断对钻杆内混凝土的双向搅拌，所以可保障灌注混凝土质地均匀，从而提升桩体混凝土灌注及成型的质量。

本发明针对钻入旋扩装置液压器件所需的转动轴多路液压源配给传输***，研发了多路转动轴液压管组(或孔道组)配压通用液压机械机构和转动轴液压管组交错承插连接装配体，解决了多数量(数量可根据需求任意增减)转动轴液压管(孔道)群在转动状态与各自对应的静态压力源输了接口一一配对联通并长距离分段连接传动传输各液压装置所需压力液的技术问题，为今后各类转动液压***和以转动轴连接的液压装置的设计制造提供了一种创新的转动液压***配压输压机构。

本发明根据钻杆及钻入成桩装置对多动力、转动轴液压传输、反力传导、大扭矩、大直径、大深度桩体对成桩设备提供大扭力和大钻入深度要求，以适应中小桩径的叠合动力装置及输出轴组合接口装置满足成桩设备精简小巧，装备投资少，移动方便，成桩效率高的需求；以适应大桩径的抱轴动力动力装置及转动轴液压滑动花键爪卡(夹)具在低位锁定大直径钻杆提供大扭矩的技术方案，能满足成桩装置应对高承载桩体成桩对大桩径、深桩长、大扭力、高稳定的需求，也为通用转动轴夹紧机构向自动控制转化提供了一种液压驱动解决方案。

本发明针对旋扩***密闭仓和混凝土灌注口液压启闭***外露液压推杆研发了联动旋伸密闭罩和联动伸缩密闭罩隔离防护技术方案，实时对旋扩装置驱动装置进行防护，并延长其使用寿命：

本发明针对各部件接口和功能特点进行了通用互配及模块化设计，使得成桩装置可根据实际地质条件和设计要求，采用不同模块组合完成各异的作业和满足市场需求，以创新的外钻杆、内转杆、转动轴液压管组、反力传导杆嵌套整合为一体，并赋予其创新统一配套的接口，使各功能模块连接更为简便可靠。通过对各模块功能及组合形式的可行性、科学性、可靠性、简便性进行优化，使装置具备了与时代进步趋势保持同步的技术特征。

本发明针对创新的成桩装置设备的技术特征，制定出了与成桩装置和相适应的喷水钻入、挤密旋扩、增压灌注的快速成桩方法，改善作业环境、简化操作和提高效率，使整个施工过程以液压低噪音、无振动、无泥浆、无弃土方式作业满足环保要求，仅由钻机定位、连续的钻入、扩张灌注旋出、移动钻机和植入钢筋笼几道工序完成，可大幅缩短旋扩变径单桩施工循环周期的时间，由较高的自动化操控降低作业人员的劳动强度。

技术方案：

本发明针对现有各类土层桩受力特征不科学的现实状况，根据岩土力学特性创新出了具有独特受力特征的土层桩体受力模型——旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩；并为新型桩体的实际应用和促进土层桩型向更为科学合理的形式转变，最大限度提高土层桩承载能力，提升成桩质量，优化成桩工艺，降低成桩成本，提高成桩效率，降低土层桩基成本、力求获得在桩体特征、成桩装置和成桩方法上的突破；设计中以小径钻入、喷水减阻、反力触探、旋扩锥体螺盘、桩芯扩径、正反搅拌、增压灌注、转动轴液压配输等技术方案为突破口，为成桩装置和成桩方法的创新成功创造了必要的技术条件。其主要技术方案如下：

本发明针对在桩体成桩全过程最大可能降低综合能耗并同时提升桩体综合承载能力的技术难题，采用了减小钻入钻杆外径增加旋扩装置实现二次扩螺扩径、增加喷水减阻、增大钻入牵引螺纹等技术方案。以前端铰座与旋扩装置外壳密闭仓旋切口内立边铰座铰接形成铰链转动轴、中部铰座与在密闭仓内固定在铰座上的液压推杆伸缩臂端部铰接形成转动伸缩支撑的转动轴为基准旋切的外周为与钻杆及牵引助钻螺纹同径同截面同螺距外面的螺旋弧形肋板构成可旋转伸缩桩芯旋扩装置，并以嵌套在螺旋弧形肋板旋切开口前端铰座铰接形成转动轴、中部铰座与铰接在螺旋弧形肋板内铰座的液压推杆伸缩臂前端铰接形成转动伸缩支撑的以转动轴为基准旋切的外周为与牵引助钻螺纹同螺距变截面外形的锥体螺盘旋扩瓣构成可旋转伸缩锥体螺盘截面旋扩装置，并以在密闭仓内靠外壁安装高压喷水装置，在钻入过程中通过喷水装置为钻入扩张装置及钻杆进行外周喷水润滑减阻，组成即可缩小钻杆轴径喷水减阻钻入又可旋升扩张锥体螺盘扩桩体桩体螺盘大单周端阻截面积并可同异步旋升扩张桩体芯径增大桩体承载横截面积的低阻“双扩”技术方案，以钻入旋扩成桩装置小型化，达到成桩设备低能耗低投入的目标；为了让“双扩”***在钻入成孔和旋扩成桩过程中各功能***正常工作和抵抗其地质条件变化的不利影响，采用了与其一一对应的技术措施：首先把旋扩装置分隔为密闭仓和混凝土灌注通道两部分，以密闭仓保证***装置在地下恶劣环境下安全稳定工作所需的密闭环境和运作空间，以旋扩装置壳体内隔板将混凝土通道与密闭仓进行内部隔离，以精密的套合制造工艺技术实现锥体螺盘旋扩瓣和桩径旋扩螺旋弧型肋板及联动旋伸密闭罩与壳体旋切配合面的滑动间隙配合，阻止外部泥土及混凝土挤入密闭仓；***的顶伸动力由双力液压推杆承担，并由相应辅助装置和部件(液压站、电磁阀、限压阀、限流阀、流量表等)操作控制推杆伸缩行程完成旋扩动作和操作指令；将旋扩装置在扩张时的横剖面设计成旋转渐进曲线凸轮状轮廓，以较小的二次挤扩面和小旋扩渐进扩张角降低旋扩扭阻和旋扩能耗；并在径向旋扩面边缘延伸增加挤扩过度面、在轴向旋扩螺旋弧形肋板上下两端增加挡土肋楞的防隆土技术措施，防止旋扩过程受压土体向钻孔内隆以保证旋扩塑型质量，利用旋扩面形成的连续密实“双曲”土拱稳定面并及时增压填充灌注混凝土，可装置旋扩装置塑形成桩过程中提升桩体塑形的质量；以尽可能按钻杆轴径和牵引锥形螺纹螺距为依据并以桩体螺旋锥体坡面受力状态、受力面相交且不重叠为原则设计相宜的旋转渐进变截面锥体螺旋体伸缩挤扩活瓣，通过旋扩让桩体拥有最大最合理连续的锥体螺盘桩阻面，让桩体能更大范围更加有效的向持力土层传递和扩散由基础传递来的竖向荷载从而大幅提升桩体的承载能力，通过锥体螺盘的大截面积提升混凝土锥体螺盘有效抵抗地下水长期侵蚀的能力，同样通过大截面连续锥体螺盘提升辅助桩体横截面共同向下部传输荷载的能力并有效提升锥体螺盘桩体材料承载利用效能；以二次桩体旋扩变径技术，在钻杆旋升过程中通过控制变径液压推杆的伸缩进程量控制螺旋弧形扩径肋板旋伸，可轻松实现桩体按设计要求无极变经的功能，使桩体直径根据不同深度承载强度需求变化，可有效地降低桩体应对承载提升对材料消耗幅度；以在旋扩成桩过程中采取对转速与提升速度的配合加以控制调整技术措施，可使旋扩锥体螺盘螺距在必要时摆脱钻杆助钻牵引螺纹螺距限制约束，达到改变锥体螺盘螺距疏密或旋扩方式来满足设计特殊要求；以适当加大钻杆和旋扩装置外周锥形牵引螺纹截面技术措施，可提升成桩装置钻入牵引力，减少桩机为克服上浮所需的过多配重负担；以根据桩体承载受力形式设计调整锥体螺盘旋扩瓣的坡面方向和截面形式的技术措施，相应改变旋扩螺旋弧形肋板、旋伸密闭罩、锥体螺盘旋扩瓣外形及嵌套旋切开口形状，可形成符合抗压、抗拔、抗压抗拔、抗水平力各种受力要求的旋扩装置；以对锥体螺盘扩张瓣和螺旋弧形扩径肋板采用硬质耐磨合金铸造的技术措施，结合喷水减阻技术措施，可使旋扩变径锥体螺盘灌注桩桩体外形受力“特征”的锥体螺盘截面和桩体芯径(原始芯径和最大旋扩芯径)横截面“尺寸”在较长时期成桩过程中保持“稳定”；另外在设计上采用了根据施工任务的分类相应简化旋扩装置功能调整配置的技术措施结合随桩体受力特征改变旋扩部件外形的技术措施，可用生产出的不同的旋扩装置分别完成对锥体螺盘和桩芯轴径进行“双扩”或对锥体螺盘和桩芯轴径其中之一进行“单扩”的不同受力分类的旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩施工任务，并以衍生出的多种钻入旋扩装置满足不同市场需求。

本发明针对成桩装置成桩过程中存在的大磨阻、持力土层地质构造差异、混凝土灌注口开闭控制、灌注口分离钻尖传动离合、钻尖对持力土层产生扰动、灌注口闭合时混凝土粗骨料对闭合面产生卡塞、钻尖尖部升降液压推杆外露磨损等系列技术难题，采用了圆锥锥形变截面螺纹钻尖、喷水减阻、反力触探传导、液压锥台牙嵌防卡塞离合传动、钻尖分离同转、外露液压推杆伸缩动态防护等系列技术方案，以空心液压推杆连接带矩形滑动定位键控向尾翼和空心连杆连接空心带锥台内牙嵌组钻尖，利用控制液压推杆的伸缩有效控制钻尖尖部上下移动实现混凝土灌注口的控制开启与闭合；以反力传感导杆、反力传导杆重力平衡液压推杆、及穿过钻尖尖部芯孔伸出的探头将触探头部土层接触面压力传导给安装在动力装置顶部的重力陶瓷传感器转换成数字信号传递给数据控制中心作为掌控设计持力土层地质变化的参考依据，以低位触探反力采集和高位信号产生的技术方案，克服了重力传感器在潮湿环境中易失灵和电讯号长距离转动轴转输不稳定的技术难题；利用反力探触头连接空心导杆内部宫腔和导杆外部间隙动态轴孔密封技术将压力水导向钻尖防堵塞喷水咀喷出，钻入过程中根据土层特性通过控制水压和流量，在钻尖和扩张装置及钻杆外表面形成一层薄薄的泥浆润滑压力水减阻层，可有效降低钻入磨阻和设备动能消耗及钻入扩张装置、钻杆外周的磨损，使装置不致因材料疲劳产生破坏；混凝土灌注口采用锥台内牙嵌套合构造和带滑键定位尾翼构造及灌注口楞面靠合防卡塞闭合构造，使钻尖与钻尾在正向和反向双向可靠传递扭力、钻杆反转钻尖立即与土层脱离接触避免了对持力土层的扰动、灌注口离合时保证钻尖与钻杆同心和同步转动及防止液压推杆受外力产生弯曲、灌注口顶伸开启时形成“通畅”的混凝土灌注通道、在收缩闭合时防止了混凝土粗骨料卡塞影响灌注口闭合严密；以伸缩式密闭隔离罩连接钻尖尾翼和旋扩装置壳体，在成桩过程中隔离混凝土对液压推杆外露部分的接触实现对其进行有效防护。

本发明针对混凝土高落差造成的离析，骨料沉淀，产生大量冲击气泡残留不能排出和灌注压力不稳定易发生桩体缩径等技术难题，采用了叠合双向螺旋混凝土搅拌叶片与混凝土灌注增压螺杆内转杆组合技术方案，使用较小直径正反向螺旋叶片多层叠合与内转杆焊接形成钻杆内混凝土实时搅拌装置，当内转杆正反转动时通过正反方向叠合的螺旋叶片旋转使钻杆内混凝土同时在双向螺叶与钻杆内壁空腔之间上下翻滚流动得以搅拌，以解决钻杆内混凝土因注入高落差造成的离析，骨料沉淀，大量冲击气泡残留不能排出的问题，并保证桩体混凝土品质；在内转杆下端增加外径约小于钻杆内径的增压加强螺杆段，灌注时搅拌增压内转杆正向旋转通过增压螺杆向下挤压灌注混凝土对灌注口端混凝土进行增压，并以控制内转杆增压时内转杆减速机输出扭矩相对稳定保证灌注口混凝土灌注压力稳定，防止桩体因灌注混凝土压力不足造成在塑性土层中发生混凝土沉管灌注桩极易产生的缩径缺陷；当反向旋转内转杆时增压螺杆通过提升钻杆内下端的混凝土降低混凝土灌注口的压力有助于液压推杆提升钻尖闭合混凝土注入口；控制钻尖混凝土灌注口实时闭合的功能可即时准确的控制桩体混凝土灌注面高度，并可以保存钻杆内多余的混凝土减少浪费。

本发明针对钻入扩张液压装置在转动状态下工作所需多通道转动轴液压管组长距离同时进行配压输压的技术难点，采用了以转动轴液压管(孔道)组配压装置、转动轴液压管(孔道)组和交错承插接口配套的输压配压方案，以两端由圆锥辊子轴承固定在转动轴液压管(孔道)组配压装置壳内用密封圈相互分隔的径向环形槽转动轴使每个径向环形槽与外壳液压管接口注入孔一一准确相对，每个径向环形槽通过连接孔与转动轴内唯一对应的轴向孔道相连通并通过接出承插转换管接口向转动轴液压管(孔道)组供压和由数量可变的两端推拔口等长液压管组以轴向伸缩交错环绕转动轴心整齐排列与密封插口件及固定件组成转动轴交错承插密封连接转动压力液传输***的创新机械机构方案，以满足转动轴单组～多组液压管(孔道)组在转动中互不干扰与各自相对应的静态输压口联通并通过转动轴液压管(孔道)组为转动或静态液压装置配压输压的技术要求，为通用机械液压***增添了一种转动多用途配压输压机械机构。

本发明针对钻杆接口在传递扭矩、弯矩、压力、拉力的同时满足对接平面、孔轴密封并使相关各功能部件在多层嵌套组合状态下同步连接的技术难点采用了花键轴和花键套组合接口技术方案，以花键轴、花键套与尾部圆锥销、尾部圆锥销孔相配合的连接形式作为钻杆端部与钻入旋扩装置、钻杆动力驱动装置输出轴连接端口的基础方案，以满足组合接口高抗扭、高抗弯强度、高抗压、高抗拉且同时满足对接面高对中、高定位精度的技术要求；以牙嵌构造作为内转杆上下接口连接方案，以满足接口连接简便、易定位和抗扭能力强的技术要求；以转动轴液压管组各管件交错承插对接形式作为转动轴液压管组上下连接方案，满足接口对抗扭、对接精度、轴向位移、动态密封的技术要求；以轴套座、耐磨轴套连接形式作为接口内轴套座、内转杆、转动轴液压管组嵌套组合方案，满足小空间轴孔径向定位和降低磨阻的技术要求；以轴肩构造形式及轴向受压接触面增加耐磨金属(或陶瓷)材料垫圈作为组合接口轴套座、内转杆、转动轴液压管组和反力传导杆间多层嵌套组合连接方案，以满足组合部件之间轴向定位的技术要求；并以硅橡胶密封垫圈和聚氨酯PU材料轴孔密封圈构造方式作为组合接口平面和轴孔对接的密封方案，满足组合接口对平面密封、孔轴转动密封、滑动密封的技术要求。

本发明针对钻入旋扩装置和组合钻杆要求对个功能部件分别进行驱动完成不同施工任务的特殊要求，以设计桩体轴径大小和完成桩长需钻入土层深度对成桩装置和设备的动力输出、设备设计强度，设备施工安全稳定等需求差异大的难题，分别采用了应对中小桩径短桩作业任务的叠合动力装置和应对大桩径长桩作业任务的低位抱轴动力装置和钻杆顶端内转杆动力装置技术方案，对中小桩径叠合动力装置及减速机输出轴花键轴套组合接口装置，采用将钻杆多动力减速装置、混凝土进料口立管、内转杆减速机、转动轴液压管组压力分配装置以及重力传感器沿减速机输出轴轴心线由下而上重叠组合，并将各***输出端口整合为与钻杆接口配套的花键套组合接口的方案，其方案装置具有构造紧凑，成桩效率高的特点；对大径桩动力***采用了钻杆低位抱轴动力装置与高位内转杆动力装置分离方案，将混凝土进料口立管、内转杆减速机、转动轴液压管组压力分配装置以及重力传感器沿减速机输出轴轴心线由下而上叠加组合，并将***各输出端口整合为与连接钻杆接口配套并有分离钻杆转动构造的花键套组合接口的高位内转杆动力装置方案，和以大口径多动力减速机空心输出轴将钻杆环怀抱于其中，并通过减速机输出轴液压滑动花键爪卡(夹)具在低位锁紧大直径钻杆向其传输钻入力和旋升力的钻杆低位抱轴动力装置方案，具有对需提供超大扭力的大直径长桩钻机而言能大幅降低设备重心，并可减少设备相对克服超大扭阻所需投资的特点。

本发明针对传统转动轴夹具紧固效率低、夹紧度低、锁固稳定差、自动化程度低等技术缺陷，对抱轴动力动力装置输出轴与钻杆间采用了一种可使安装在转动轴上由液压驱动的通用卡(夹)机械机构以多个内嵌液压缸的滑动花键爪通过转动轴配压输压***进行液压驱动完成对杆件的“同轴心同步”或“异轴心异步”夹紧锁固动作的技术方案，通过安装固定在减速机输出轴上并随减速机输出轴旋转的液压滑动花键爪卡(夹)具连接轴上端侧壁所设的一对(或数对)径向环形槽，通过各径向环形槽相邻的一对密封圈实现与另一(或其它)径向环形槽及外界的隔离和密封，径向环形槽与安装在减速机箱底盖裙边上的静态液压管接口内壁孔口一一相对并与卡具连接轴内各自的压力液传输孔道连通至相对的卡具座顶面的各配压环形槽，一对(或每对)配压环形槽通过与各自相连配压孔道分别与固定活塞座内两个配压孔道连接的滑键爪内嵌液压缸内由固定活塞分隔出的内嵌液压缸活塞前室和内嵌液压缸活塞后室，在压力液的推动下随着内嵌液压缸活塞前室和内嵌液压缸活塞后室相对空间大小的变化使滑动键爪前后滑动实现对杆件(或钻杆外侧花键锁槽)的锁紧与分离；在转动轴液压滑动花键卡(夹)具对钻杆外侧花键锁槽的锁紧中实际只需要所有滑动花键爪同时向钻杆轴心移动，所以实施中方案中只需一对转动轴液径向环形槽及相应压力液传输通道通过一对配压环形槽同时分别为所有滑动键爪内嵌液压缸的内嵌液压缸活塞前室和内嵌液压缸活塞后室供压，即可完成所需的“同轴心同步”夹紧锁固动作；否则可采用与花键爪同样多对数的转动轴径向环形槽及相应压力液传输通道通过相同对数的配压环形槽分别为每一滑动键爪内嵌液压缸的活塞前室和活塞后室供压，实现对每一个滑动键爪独立驱动，完成所需的偏心“异轴心异步”夹紧锁固动作；为了使一个转动轴液压滑动花键爪卡(夹)具适应对不同轴径杆件的夹锁需求，方案在卡具内侧增加了一个可换轴径调整套，通过调换安装轴径调整套，用接长滑动键爪固定螺栓连接滑动键爪与轴径调整套相配的接长滑动键爪，以共同联动完成对不同轴径杆件(或钻杆外侧花键锁槽)的锁紧与分离，从而满足了转动轴卡(夹)具对自动、高效、牢靠、稳定，同步向夹固件传递扭力、拉力、和压力及适应不同夹件轴径的技术要求。

本发明对装置各功能***进行了标准化、模块化、互配通用化设计，使装置采用不同模块的组合可以完成不同的作业任务。因采用了模块标准化设计可使成桩设备具备了一机多功能，可组合各种专项功能的综合特性同时具备适应各独立使用专项设计要求以相应模块组合完成作业的专用特性。用采用专用模块设计完成相适应的专项任务可最大程度的降低能耗和设备投资成本的浪费，多样化的模块多样化的配置组合可完成多样化的作业任务，又可以适应市场多样化的需求；设计中对钻入旋扩装置、钻杆装置及减速机输出轴接口采用了通用的花键轴套组合接口构造技术，主要模块有：花键轴套接口件模块(包括：花键套组合接口件、花键轴组合接口件)、钻杆模块组(包括：带内转杆液压管组接长钻杆、带内搅拌器液压管组接长钻杆、带内转杆液压管组花键爪锁槽接长钻杆、带内搅拌器液压管组花键爪锁槽接长钻杆、带内搅拌增压器外牵引助钻螺纹钻杆)、钻入旋扩装置模块组(包括：锥体螺盘桩经双钻入旋扩装置、锥体螺盘钻入旋扩装置、锥体螺纹桩径钻入旋扩装置)、和动力装置置及接口模块(包括：中小桩径叠合式动力装置及花键轴套组合接口***、大桩径低位抱轴动力装置及转动轴液压滑动花键爪卡(夹)具***、内转杆动力装置及分离外转花键轴套组合接口***)。

本发明根据旋扩锥体螺盘混凝土灌注桩桩体外形特征及成桩装置设计构造功能特征，制定了与之相配套的一次钻入旋扩成桩的施工方法：

一.中、小桩径成桩设备旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩的施工方法：

1.移机定位检查设备扩张装置与喷水咀完好，调整反力传导杆重力平衡液压推杆使重力传感器反应灵敏及初始数据“对零”，反转内转杆对钻杆管内残留混凝土实时搅拌；

2.打开喷水控制阀开始喷水，落钻并正向转动外钻杆控制钻杆转速和沉管速度与钻杆牵引螺纹螺距保持同步，实时把握重力传感器触探到的地下土层反力变化信号，匀速钻入达到持力土层设计深度，停止喷水；

3.顶伸锥体螺盘液压旋伸锥体螺盘旋扩瓣旋到位，启动混凝土泵逐步向钻管内注入混凝土，方向旋转钻杆保持匀速旋转提升、启动钻尖液压推杆开启混凝土灌注口同时正向转动内转杆并对混凝土进行搅拌增压灌注，如有扩径设计要求时可按设计要求适时控制液压推杆推伸扩径弧形肋板伸缩的进程和幅度对混凝土灌注桩桩芯实施旋扩变径；

4.匀速旋扩提升钻杆并按设计要求进行扩径，当混凝土灌注面到桩顶设计标高时缩回液压旋伸锥体螺盘旋扩瓣，但混凝土灌注面到桩顶停灌面高程时反转内转杆停止对混凝土增压并提升活动钻尖关闭混凝土灌注口，继续旋扩提升钻杆至到地面以上停转，回缩扩径弧形肋板；

5.钻机移位，按设计要求植入钢筋笼(或拉锚钢索)。

二.大桩径成桩设备旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩的施工方法：

1.移机定位检查设备旋扩装置与喷水咀完好，调整反力传导杆重力平衡液压推杆使重力传感器反应灵敏及初始数据“对零”，反转内转杆对钻杆管内残留混凝土实时搅拌；

2.打开喷水控制阀开始喷水，落钻并正向转动外钻杆控制钻杆转速和沉管速度与钻杆牵引螺纹螺距保持同步匀速，钻入一节钻杆后停转并停止喷水；

3.回缩转动轴液压滑动花键爪(夹)卡具的滑动花键爪，按接长钻杆长度准确提升抱轴动力装置高度，顶伸转动轴液压滑动花键卡(夹)具液压驱动滑键爪锁紧钻杆；

4.打开喷水控制阀开始喷水，继续正向转动外钻杆控制钻杆转速和沉管速度与钻杆牵引螺纹螺距保持同步，匀速钻入二节钻杆后停转并停止喷水；

5.循环3～4步骤，实时掌握重力传感器触探到的地下土层反力变化信号，逐段钻入各节钻杆直至钻尖钻入达到持力土层设计深度后，顶伸锥体螺盘液压旋伸锥体螺盘旋扩瓣到位；

6.启动混凝土泵逐步向钻管内注入混凝土，反向旋转钻杆保持匀速旋转提升首节钻杆、推伸钻尖液压推杆开启混凝土灌注口同时正向转动内转杆并对混凝土进行搅拌增压灌注，如有扩径设计要求时可按设计要求适时控制液压推杆推伸扩径弧形肋板伸缩的进程和幅度对混凝土灌注桩桩芯实施旋扩变径；

7.旋升出一节接长钻杆高度后停转钻杆，暂停向钻管内注入混凝土，反转内转杆停止对混凝土增压持续对钻杆内混凝土进行搅拌，回缩转动轴液压滑动花键爪卡(夹)具的滑动花键爪，按接长钻杆长度准确回落抱轴动力装置，顶伸转动轴液压滑动花键爪卡(夹)具的滑动花键爪锁紧钻杆；

8.循环6～7步骤，逐段旋扩灌注提升各节钻杆，当灌注面接近桩顶设计高程时停止混凝土泵向钻管内注入混凝土，当灌注到桩顶设计标高时缩回液压旋伸锥体螺盘旋扩瓣，灌注到桩顶停灌面高程时反转内转杆停止对混凝土增压并提升活动钻尖关闭灌注口，继续旋扩提升钻杆到地面以上停转；

9.回缩旋扩弧型肋板，钻机移位，按设计要求植入钢筋笼(或拉锚钢索)。

有益效果：

旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩及成桩装置和成桩工法以其独特的技术特征与目前已有的各种土层混凝土灌注桩及成桩装置和成桩工法相比都有着显著的特征差异，这些差异决定了旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩及装置和工法具有如下多项优点和增益效果：

旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩以独特的受力特征，以盘绕凸出在柱体桩芯***的大截面锥形螺旋体坡面承受桩阻的同时以连续大截面螺旋体辅助桩芯承受轴向荷载，利用成桩装置和成桩工法可以轻松、简便、快捷、低成本的通过旋扩桩体螺盘获得连续大数量受力不重叠的螺旋坡阻面，大幅提升单桩承载力；通过旋扩桩体芯径大幅提升桩体横截面抗压能力。与其它各种土层桩相比能大幅提升桩体单方混凝土材料承载力产出值。

根据旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩体受力特征单桩竖向承载力特征值推导估算式：

R_a＝q_paA_p+∑n_iq_paiA_pi+∑(q_siau_pin_ih+q_siarn_iA_pir)

我们得知旋扩变径锥体螺盘钻孔挤密桩体单桩承载力特征值推导估算式中∑n_iq_paiA_pi和∑(q_siau_pin_ih+q_siarn_iA_pir)部分是成就桩体超强承载能力的关键特征所在，不重叠经扩张的大截面锥形螺盘体端阻面和侧阻面随其螺旋周数n值增加而增大并与其承载力特征值R_a成正比；桩芯旋扩增大了的承载横截面积与其单桩承载能力成正比；正是旋扩变径锥体螺盘桩体此项特征优势，随着进入持力土层深度增加的同时，不重叠的扩张反锥螺盘端承面积随n值快速增大，与之协同作用的持力土层深度及荷载有效扩散范围同步增大，使桩体承载能力大幅提升；同样随着对桩芯的旋扩使桩芯横截面面积成倍增大，桩体横截面抗压能力无疑会大幅提升。在相同条件下通过有效扩张锥体螺盘截面和增大桩体在持力土层中的长度就可以大幅提升其单桩竖向承载力(以20米桩长为列测算，在桩体芯径不变相等且桩体进入(包含进入和穿过多层)可持力土层10米的情况下，锥体螺盘旋扩外径取桩体芯径的1.5～2倍，扩张锥体螺盘桩体均匀分布在持力土层中的端阻计算面积可达普通柱状桩体的25～60倍、可达盘结桩体的1～3倍、可达螺丝桩体的2～4.5倍)。当按桩体横截面抗压强度控制对桩芯进行旋扩变径后，其桩体最大承压横截面面积可达到钻杆轴径横截面面积的四倍，结合大截面锥形螺旋体辅助桩芯承压使得桩体纵向外型承载特征比其它现有土层桩承载特征更合理，桩体承载横截面动态变化纵向分布更科学，有利于桩体承受更大竖向荷载，由于旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩桩芯扩径抗压横截面与未扩径桩芯横截面之比和(施压面不重叠的锥体螺盘)端承面积与桩径之比远大于其它各类土层桩，使得旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩桩体单方混凝土材料承载效能提升极为显著；正是旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩克服了传统实芯混凝土桩的低桩阻和桩芯横截面抗压强度不能充分利用造成浪费的缺陷，也为通过扩径和提升桩体材料抗压强度及加大桩深的技术措施获得更大桩阻和更大横截面抗压能力而获得更大单桩竖向承载力开辟了有效途径。如果以土层桩的成本/承载能力比值作为价值考量标准，无疑旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩具有比其它各类土层桩更优越的外形特征、更低的能耗、更的高的环保比值、更低的材料消耗和更低投资产出成本优势；同时也为深厚土层地区设计重载大径土层桩不再选择基岩作为持力层提供了又一新的方案选择；并且随着土层桩单桩承载能力的大幅提升无疑将改善从古至今因土层桩基础因单桩承载力不足而广泛采用多桩基础承台和群桩基础承台的传统基础营造成本过高的现状；

旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩以其特有的外形特征，凭借钻入扩张对桩体周边持力土层的挤密加固使锥体螺盘桩体与持力土层紧密的“咬合”，以与其它土层桩相比具有更大并密集均匀分布在整个桩长所在土层中的剪切周边(按桩体平均进入持力土层十米测算：其最大抗剪边长度可达到直线型桩的五十倍，可达盘结桩的十倍，可达螺丝桩1.5～2.2倍)，为持力土层创造了在地震冲击荷载作用下“足以”抵抗桩体剪冲所需的抗剪叠合深度，从而大幅提升了持力土层抵抗桩体周边剪切的能力和效能，这也是旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩体具有抗震“超”能力储备，并获得更高抗震缓冲“阻尼”的关键之一；在非危险地段地基土层不发生塌馅开裂和液化剪切破坏的前提下旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩体能有效抵御地震瞬间竖向荷载冲击使持力土层产生的过载破坏和降低地震荷载作用下桩基的沉降量；

旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩成桩装置的钻尖钻入触动传感反力传导探测功能可准确捕获地下地质土层的反力变化信号，以此准确把握地下持力土层埋深的变化保证桩尖进入设计持力土层指定深度，并可结合计算机数据库长期积累的触探和静载数据对照分析平台进行模拟分析，使根据设计承载技术指标智能控制土层桩桩长和变径参数按要求调节土层桩单桩承载力成为可能，由此可以改善现有土层桩因地质差异和施工作业差异造成的单桩承载力差异过大使建筑物基础产生不均衡沉降的现状。

旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩成桩装置的钻入旋扩装置以钻尖喷水和钻杆侧壁喷水的“双喷降阻”功能能有效降低装置钻孔过程中钻杆及钻入扩张装置在土层中的磨阻，大量节约装置成桩的能量消耗，使钻杆利用牵引锥体螺纹助钻轻松钻入持力土层抵达设计深度，加上装置扩径功能利用小轴径钻杆旋扩出大径桩的功能，可较大幅度降低装置对减速机输出功率的需求及对装置和机架为克服过大钻入扭阻所需抗扭强度及抗倾覆所需的过高资金投入，又可以防止钻入旋扩装置及钻杆设备构件在作业中因扭阻过载造成钻入杆件材料磨损及疲劳破坏。

旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩成桩装置的钻尖锥台牙嵌液压开启闭合的混凝土灌注口构造设计，在钻尖保证不扰动持力土层的同时解决了混凝土灌注桩灌注口在每次灌注时都能可靠开启和按需要关闭难题，在确保混凝土灌注桩装置灌注口按需可靠打开顺利灌注混凝土同时可随时按要求关闭混凝土灌注口准确控制灌注桩桩顶混凝土浇筑高程，减少钻杆内剩余混凝土的浪费，而混凝土灌注口闭合防混凝土粗骨料卡塞技术，能确保钻尖锥台牙嵌混凝土灌注口在钻杆内有存留混凝土的条件下完成严密闭合。

旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩成桩装置的钻杆内混凝土搅拌灌注增压***设计，以内转杆正向和反向两个方向旋转时都能依靠正反向螺旋叠合叶片对管内高落差产生离析和骨料沉淀的混凝土实时进行双向搅拌恢复其应有的和易性，同时排除因高落差冲击残留在混凝土中的大量气泡，提高灌注桩体混凝土质量；而双向搅拌内转杆低端的混凝土灌注增压螺杆，在灌注混凝土时选用增压旋转方向，有着在搅拌混凝土的同时克服因钻杆内混凝土存量顶面高低变化引起的混凝土灌注口灌注压力变化波动，可降低因混凝土灌注压力变化波动产生在软塑土层混凝土灌注桩体出现缩径质量通病的发生；在完成桩体混凝土灌注后选用反向旋转，在保证对钻杆内残留的混凝土继续实时搅拌的同时，可减轻混凝土灌注口的混凝土压力，有助于钻尖液压推杆提升钻尖闭合混凝土灌注口；

旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩成桩装置的钻入旋扩装置专为旋扩液压部件设计的设备仓和旋伸密闭罩、为钻尖升降液压推杆外露部分设计的伸缩密闭罩可有效隔离泥土及混凝土对钻入扩张装置相关设备部件的污染与磨损，延长其使用寿命；

旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩成桩装置的花键轴套组合接口技术方案，解决了多重转动、滑动组件限位套合组装成整体部件并实现部件间同步可靠对接的难题，满足了接口抗扭、抗弯、抗拉、抗压、转动、滑动、密封等技术要求，以接口完整的功能性、可靠性，便捷性、实用性保证了长距离多重套合转动杆件、转动轴液压管(孔道)组等部件整体模块化组装连接，使旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩成桩装置的功能得以实现；

旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩成桩装置的通用转动轴液压管(孔道)组配压连接传输机械机构，解决了单组～多组转动轴液压管(孔道)组在转动状态下互不干扰同时与各自相对应的静态输压端口实现联通连接配压输压的难题，为今后机械制造中所需的转动轴液压装置和通过转动轴连接的液压装置实现液压驱动提供了一种方便可靠的通用解决方案；

中小桩径成桩装置的叠合动力装置配置有减速机输出轴花键套组合接口具有构造紧凑，成桩时间短，产出效率高，对机架设备制造要求相对较低，可降低设备投资成本；而大桩径成桩装置采用抱轴动力装置以通用转动轴液压滑动花键爪卡(夹)具装置在低位锁紧钻杆运行完成大直径超长桩施工作业，有利于在低位向钻杆传输更大径向扭矩和轴向力，同时降低桩机支架抗扭加固抗倾覆安全的投资，可通过液压***轻松掌控转动轴液压滑动花键爪卡(夹)具对钻杆的自动锁紧和分离，降低作业人员劳动强度。

旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩成桩装置的构造特征和成桩方法确定了其操控简便、成桩速度快效率高并满足环保要求的特点，整个成桩施工过程都在低噪音、无振动、无泥浆、无挖土、无桩端持力土层扰动、无混凝土浪费的情况下完成，做到以一次钻入旋扩提升灌注成桩单循环完成所有成桩工序；中、小桩径旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩成桩装置的施工方法有着工序简捷，产出效率高的特点；而大桩径旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩成桩装置的施工方法更有着降低桩机设备整体重心，为钻入成桩创造了提供更大扭矩和更大钻入深度获得更大成桩桩径的优势。

旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩成桩装置的标准模块化设计构造特征，使装置各部件有着可互换通用的接口，并衍生出可完成不同要求成桩任务的钻入旋扩工作模块，通过不同配置，以“通用”或“专用”组合可衍生出各种不同类型的成桩装置，可以满足市场多样化的需求，也为设备生产及维护更新提供了方便，对市场特定任务和需求“因地制宜”组合与设计相应的专用“简化”成桩装置，可较大幅度降低设备投入成本，为装置规模生产、配套维护、技术更迭、市场推广及商业营运创造了条件。

附图说明：

图01.主要土层桩纵截面特征对分析比图。

图02.旋扩变径锥体螺盘桩端阻分布详图。

图03.旋扩变径锥体螺盘桩侧阻分布详图。

图04.主要土层桩纵截面端阻对比分析图。

图05.主要土层桩纵截面侧阻对比分析图。

图06.旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩承压主要变形桩型特征纵截面图。

图07.旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩抗拔主要变形桩型特征纵截面图。

图08.中、小桩径成桩装置旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩的成桩方法示意简图。

图09.大桩径成桩装置旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩的成桩方法示意简图。

图10.旋扩变径锥体螺盘桩成桩装置外观图。

图11.钻入旋扩装置外观与构造图。

图12.钻杆装置外观与构造图。

图13.中小桩径成桩动力装置及大桩径成桩动力装置及关键部件构造图。

附图标注说明：

图01.主要土层桩型纵截面特征对比分析：

0101.平头柱形桩，0102.尖头柱形桩，0103.盘结桩，0104.螺丝桩，0105.旋扩变径承压锥体螺盘桩；

图02.图03.图04.图05.主要土层桩型桩体受力特征对比分析：

02.旋扩变径锥体螺盘桩端阻分布详图，03.旋扩变径锥体螺盘桩侧阻分布详图，0201.桩端阻力，0202.桩侧阻力，0401.桩端压力有效扩散影响范围，0402.桩端压力有效扩散角。

图06.旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩承压变形主要桩型：

0601.双锥螺纹前端扩径承压桩，0602.双锥螺纹分级扩径承压桩，0603.锥型螺纹承压桩，0604.锥形螺纹渐进扩径承压桩，0605.锥体螺盘扩螺承压桩，0606.锥体螺盘尾端除螺旋扩变径承压桩，0607.锥体螺盘渐进旋扩变径承压桩，0608.锥体螺盘分级旋扩变径承压桩，0609.锥体螺盘穿越软弱下卧层渐进旋扩变径承压桩，0610.锥体螺盘穿越软弱下卧层分级旋扩变径承压桩，0611.锥体螺盘渐进旋扩变径抗水平荷载承压桩。

图07.旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩抗拔变形主要桩型：

0701.双锥螺盘全扩径承压抗拔抗水平荷载桩，0702.双锥螺盘分点旋扩承压抗拔桩，0703.双锥螺纹分级旋扩变径抗拔桩，0704.锥形螺纹渐进旋扩变径抗拔桩，0705.锥体螺盘前端扩螺抗拔桩，0706.锥体螺盘分级旋扩变径抗拔桩，0707.锥体螺盘渐进旋扩变径抗拉桩，0708.锥体螺盘渐进旋扩变径锁端铆拉桩。

图08.中小桩径成桩设备旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩成桩方法简图：

0801.移机定位检查设备扩张装置与喷水咀完好，调整反力传导杆重力平衡液压推杆使重力传感器反应灵敏及初始数据“对零”，反转内转杆对钻杆管内残留混凝土实时搅拌；

0802.打开喷水控制阀开始喷水，落钻并正向转动外钻杆控制钻杆转速和沉管速度与钻杆牵引螺纹螺距保持同步，实时把握重力传感器触探到的地下土层反力变化信号，匀速钻入达到持力土层设计深度，停止喷水；

0803.顶伸锥体螺盘液压旋伸锥体螺盘旋扩瓣旋到位，启动混凝土泵逐步向钻管内注入混凝土，反向旋转钻杆保持匀速旋转提升、启动钻尖液压推杆开启混凝土灌注口同时正向转动内转杆并对混凝土进行搅拌增压灌注，如有扩径设计要求时可按设计要求适时控制液压推杆推伸扩径弧形肋板伸缩的进程和幅度对混凝土灌注桩桩芯实施旋扩变径；

0804.匀速旋扩提升钻杆并按设计要求进行扩径，当混凝土灌注面到桩顶设计标高时缩回液压旋伸锥体螺盘旋扩瓣，但混凝土灌注面到桩顶停灌面高程时反转内转杆停止对混凝土增压并提升活动钻尖关闭混凝土灌注口，继续旋扩提升钻杆至到地面以上停转，回缩扩径弧形肋板；

0805.钻机移位，按设计要求植入钢筋笼(或拉锚钢索)。

图09.大桩径成桩设备旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩成桩方法简图：

0901.移机定位检查设备旋扩装置与喷水咀完好，调整反力传导杆重力平衡液压推杆使重力传感器反应灵敏及初始数据“对零”，反转内转杆对钻杆管内残留混凝土实时搅拌；

0902.打开喷水控制阀开始喷水，落钻并正向转动外钻杆控制钻杆转速和沉管速度与钻杆牵引螺纹螺距保持同步匀速，钻入一节钻杆后停转并停止喷水；

0903.回缩转动轴液压滑动花键爪(夹)卡具的滑动花键爪，按接长钻杆长度准确提升抱轴动力装置高度，顶伸转动轴液压滑动花键卡(夹)具液压驱动滑键爪锁紧钻杆；

0904.打开喷水控制阀开始喷水，继续正向转动外钻杆控制钻杆转速和沉管速度与钻杆牵引螺纹螺距保持同步，匀速再次钻入一节钻杆后停转并停止喷水；

0905.循环3～4步骤，实时掌握重力传感器触探到的地下土层反力变化信号，逐段钻入各节钻杆直至钻尖钻入达到持力土层设计深度后，顶伸锥体螺盘液压旋伸锥体螺盘旋扩瓣到位；

0906.启动混凝土泵逐步向钻管内注入混凝土，反向旋转钻杆保持匀速旋转提升首节钻杆、推伸钻尖液压推杆开启混凝土灌注口同时正向转动内转杆并对混凝土进行搅拌增压灌注，如有扩径设计要求时可按设计要求适时控制液压推杆推伸扩径弧形肋板伸缩的进程和幅度对混凝土灌注桩桩芯实施旋扩变径；

0907.旋升出一节接长钻杆高度后停转钻杆，暂停向钻管内注入混凝土，反转内转杆停止对混凝土增压持续对钻杆内混凝土进行搅拌，回缩转动轴液压滑动花键爪卡(夹)具的滑动花键爪，按接长钻杆长度准确回落抱轴动力装置，顶伸转动轴液压滑动花键爪卡(夹)具的滑动花键爪锁紧钻杆；

0908.循环6～7步骤，逐段旋扩灌注提升各节钻杆，当灌注面接近桩顶设计高程时停止混凝土泵向钻管内注入混凝土，当灌注到桩顶设计标高时缩回液压旋伸锥体螺盘旋扩瓣，灌注到桩顶停灌面高程时反转内转杆停止对混凝土增压并提升活动钻尖关闭灌注口，继续旋扩提升钻杆到地面以上停转；

0909.回缩旋扩弧型肋板，钻机移位，按设计要求植入钢筋笼(或拉锚钢索)。

图10.旋扩变径锥体螺盘桩成桩装置外观：

1001.中小桩径成桩装置组合，1002.大桩径成桩装置组合，1003.钻入旋扩装置，1004.锥体螺纹钻杆，1005.接长钻杆，1006.带花键爪锁槽接长钻杆，1007.叠合动力装置，1008.抱轴动力装置，1009.钻杆顶部内转杆动力装置，1010.钻尖装置，1011.转动轴液压管组配压装置，1012转动轴液压滑动花键爪卡(夹)具；1013.内转杆动力减速装置，1014.动力减速装置。

图11.钻入旋扩装置外观与构造：

1101.双锥螺盘钻入旋扩(双扩)装置钻入状态图，1101a.双锥螺盘钻入钻入旋扩(双扩)装置旋扩状态图，1102.抗压锥体螺盘钻入旋扩(双扩)装置钻入状态图，1102a.抗压锥体螺盘钻入旋扩(双扩)装置旋扩状态图，1103.抗拔锥体螺盘钻入旋扩(双扩)装置钻入状态图，1103a.抗拔锥体螺盘钻入旋扩(双扩)装置旋扩状态图，1104.钻入旋扩双锥螺纹钻入旋扩(扩径)装置钻入状态图，1104a.双锥螺纹钻入旋扩(扩径)装置旋扩状态图，1105.抗压锥体螺纹钻入旋扩(扩径)装置钻入状态图，1105a.抗压锥体螺纹钻入旋扩(扩径)装置旋扩状态图，1106.抗拔锥体螺纹钻入旋扩(扩径)装置钻入状态图，1106a.抗拔锥体螺纹钻入旋扩(扩径)装置旋扩状态图，1107.双锥螺盘钻入旋扩(扩螺)装置钻入状态图，1107a.双锥螺盘钻入旋扩(扩螺)装置旋扩状态图，1108.抗压锥体螺盘钻入旋扩(扩螺)装置钻入状态图，1108a.抗压锥体螺盘钻入旋扩(扩螺)装置旋扩状态图，1109.抗拔锥体螺盘钻入旋扩(扩螺)装置钻入状态图，1109a.抗拔锥体螺盘钻入旋扩(扩螺)装置旋扩状态图，1110.抗压锥体螺盘钻入旋扩(双扩)装置旋扩状态轴视图，1111.抗压锥体螺盘钻入旋扩(双扩)装置钻入状态俯视图，1111a.抗压锥体螺盘钻入旋扩(双扩)装置旋扩状态俯视图，1112.抗压锥体螺盘钻入旋扩(双扩)装置钻入状态仰视图，1112a.抗压锥体螺盘钻入旋扩(双扩)装置旋扩状态仰视图，1112.抗压锥体螺盘钻入旋扩(双扩)装置钻入状态仰视图，11A-A.抗压锥体螺盘钻入旋扩(双扩)装置钻入状态A-A剖面前视图，11B-B.抗压锥体螺盘钻入旋扩(双扩)装置钻入状态B-B剖面左视图，11C-C.抗压锥体螺盘钻入旋扩(双扩)装置钻入状态C-C剖面俯视图，11C-Ca.抗压锥体螺盘钻入旋扩(双扩)装置旋扩状态C-C剖面俯视图，11D-D.抗压锥体螺盘钻入旋扩(双扩)装置钻入状态D-D剖面俯视图，11D-Da.抗压锥体螺盘钻入旋扩(双扩)装置旋扩状态D-D剖面俯视图，11E-E.抗压锥体螺盘钻入旋扩(双扩)装置钻入状态E-E剖面俯视图，11E-Ea.抗压锥体螺盘钻入旋扩(双扩)装置旋扩状态E-E剖面俯视图，11F-F.抗压锥体螺盘钻入旋扩(双扩)装置F-F剖面俯视图，1113.钻尖喷水口钻入状态纵剖面局部放大图，1113a.钻尖喷水口旋扩状态纵剖面局部放大图，11G-G.钻尖喷水口G-G横剖面俯视图，1114.内转杆、液压管组、传力导杆承插接口纵剖面局部放大图，1115.钻尖升降液压推杆、液压推杆伸缩防护罩、传力导杆重力液压平衡器钻入状态纵剖面详图，1115a.液压推杆伸缩防护罩旋扩灌注状态纵剖面详图；

1121.钻尖尾部，1122钻尖尖部，1123.锥台牙嵌接口，1124.定向尾翼，1125.空心液压推杆，1126钻尖尖部反力触探头，1127.重力平衡液压调节推杆，1128.钻尖喷水口，1129.钻尖助钻变径牵引螺纹，1130.钻尖尾部花键轴接口，1131.伸缩保护套，1132.PU密封圈，1133.防堵塞喷水咀，1134.尾翼滑键槽，1135.尾翼滑动平键，1136.空心反力探头连杆，1137.钻尖尾部锥台牙嵌套接口，1138.反力传递导杆，1139.注水接口，1140侧壁喷水口；

1141.锥体螺盘旋扩瓣，1142.桩芯旋扩弧形肋板，1143.旋扩装置外壳，1144.助钻抗压锥体螺纹，1145.助钻抗拔锥体螺纹，1146.旋转密闭罩，1147.扩螺瓣液压推杆，1148.扩芯肋板液压推杆，1149.扩芯肋板辅助液压推杆，1150.装置设备密闭仓隔离板，1151.混凝土灌注通道，1152.钻尖花键套接口，1153.花键轴固定螺尾圆锥销，1154.钻杆花键轴接口，1155.钻杆花键轴螺尾圆锥销孔，1156.液压管组固定错位承插接口件，1157.液压管组，1158.芯管，1159.内转杆承重传动牙嵌接口座，1160.轴承，1161.内转杆牙嵌承插接口，1162.反力传输导杆定位螺栓，1163.防止挤土内隆肋，1164.带防护塞口螺尾圆锥销孔，1165设备密闭仓，1166.重力平衡液压推杆支架，1167.防卡塞面楞触靠构造；

图12.钻杆装置外观与构造：

1201.双面锥体螺纹钻杆，1202.抗压锥体螺纹钻杆，1203.抗拔锥体螺纹钻杆，1204.接长钻杆，1205.带液压滑动花键爪锁槽接长钻杆，1206.带双向混凝土搅拌螺旋叶片和混凝土增压螺杆的牙嵌接口内转杆，1207.带双向混凝土搅拌螺旋叶片的牙嵌接口内转杆，1208.牙嵌接口内转杆，1209.交错承插式液压管组装配体，1210.螺纹钻杆俯视图，1211.螺纹钻杆仰视图，1212.接长钻杆俯视图，1213.接长钻杆仰视图，1214.钻杆花键轴组合接口构造详图，1215.螺纹钻杆花键套组合接口构造详图，1216.接长钻杆花键套接口构造详图，1217.带液压滑动花键爪锁槽接长钻杆花键套组合接口构造详图，1218.钻杆花键轴内转杆液压管组组合接口构造详图，1219.钻杆花键轴套转杆转动轴液压管组组合接口构造详图，12A-A.带双向混凝土搅拌螺旋叶片和混凝土增压螺杆内转杆的双面锥体螺纹钻杆A-A剖面图，12B-B.带双向混凝土搅拌螺旋叶片内转杆的接长钻杆B-B剖面图，12B-Ba.带内转杆的接长钻杆B-B剖面图，12C-C.带双向混凝土搅拌螺旋叶片内转杆有液压滑动花键爪锁槽的接长钻杆C-C剖面图，12C-Ca.带内转杆有液压滑动花键爪锁槽的接长钻杆C-C剖面图，1220.转动轴液压管组交错承插接口件，1221.水泥浆专用密封圈，1222.钻杆花键轴组合接口件，1223.钻杆花键套组合接口件，1224.钻杆带液压滑动花键爪锁槽花键套组合接口件，1225.带牵引助钻螺纹钻杆外管，1226.钻杆外管，1227.钻杆接口内转杆轴套座，1228.转动轴液压管组定位件，1229.醛缩醇耐磨塑料轴套，1230.花键爪锁槽；

图13.中小桩径动力装置及大桩径动力装置关键部位构造：

1301.抱轴动力装置减速机输出端口与转动轴液压滑动花键爪卡(夹)具装置构造图，1302.叠合动力装置减速机输出轴花键套端口及内转杆减速机输出端口、转动轴液压管组、转动轴液压管组配压装置、重力传感装置及端口构造图，1303.钻杆顶部内转杆动力装置减速机输出端口、钻杆接口、转动轴液压管组、转动轴液压管组输压接口转换装置、重力传感器端口构造图，1304.转动轴液压滑动花键爪卡(夹)具锁紧状态构造详图，1304a.转动轴液压滑动花键爪卡(夹)具分离状态构造详图，1305.内转杆、转动轴液压管组、转动轴液压管组配压装置、重力传感器连接端口构造详图，1306.叠合减速机输出轴钻杆花键套组合接口构造详图，1307.钻杆转动分离装置构造详图，1308.转动轴液压管组交错承插接口承插状态构造详图，

1310.减速机输出轴，1311.抱轴动力装置减速机箱底盖裙边，1312.液压滑动花键爪卡(夹)具连接轴，1313.平键，1314.液压滑动花键爪卡(夹)具连接螺套，1315.液压滑动花键爪卡(夹)具座，1316.轴径变换调整套，1317.滑动键爪，1318.接长滑动键爪，1319.接长滑动键爪固定螺栓，1320.静态液压管接口，1321.径向环形槽，1322.密封圈，1323.压力液传输孔道，1324.配压环形槽，1325.卡(夹)具配压孔道，1326.滑动键爪内嵌液压缸固定活塞座，1327.固定活塞座配压孔道，1328.滑动密封压力液注入咀，1329.固定活塞连杆，1330.固定活塞，1331.滑动键爪内嵌液压缸，1332.内嵌液压缸封盖，1333.连杆固定并帽，1334内嵌液压缸活塞前室，1335.内嵌液压缸活塞后室；

1340.重力传感器，1341.传感器探头，1342.环形槽组转动轴，1143.转动轴液压管组配压装置外壳，1344.环形槽与压力液传输孔道联通口，1345.压力液传输孔道引出承插管，1346.输出轴法兰连接螺套，1347.输出轴钻杆连接花键套组合接口，1148.转动轴液压管组配压装置顶盖，1349.混凝土进料口，

1350.轴肩转动分离轴，1351.法兰接口，1352.法兰罩壳，

具体实施方式：

在图1～5实列中：

展示了旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩(0105)与平头柱形桩(0101)、尖头柱形桩(0102)、盘结桩(0103)及螺丝桩(0104)的外形特征差异和在在重力荷载作用下不同特征桩体产生的桩端阻力(0201)、桩侧阻力(0202)和桩端压力扩散影响范围(0401)的差异。

在图6～7实例中：

主要旋扩锥体螺盘混凝土灌注桩体(0601～0708)外型实例及其它衍生外型，均可通过图10中中小桩径成桩装置组合(1001)或大桩径成桩装置组合(1002)，选择配装符合相应设计要求的钻入扩张装置模块(1101～1109)，以图8图9中小桩径与大桩径成桩装置的成桩方法实施成桩作业，其外型(1101～1109)的变化另一关键是按设计和持力土层变化需要在钻杆旋扩提升过程(0803、0804、0907、0909)中，实时掌控钻杆转速与提升速度的配合及对扩螺瓣液压推杆(1147)、扩芯旋扩弧形肋板液压推杆(1148、1149)推伸锥体螺盘旋扩瓣(1141)、桩芯旋扩弧形肋板(1142)的适时适度的伸缩控制。

在图10所示实例中：

中小桩径成桩装置组合(1001)和大桩径成桩装置组合(1002)分别由钻入旋扩装置(1003)、带锥体牵引螺纹钻杆(1004)、接长钻杆(1005)或带花键锁槽接长钻杆(1006)、叠合动力装置(1007)或抱轴动力装置(1008)+钻杆顶部内转杆动力装置(1009)并配置转动轴液压管组配压装置(1011)和重力传感器组成；装置由相应的动力装置减速机提供转动动力，通过相应的减速机输出轴(1310)、输出轴钻杆连接花键套组合接口(1347)和转动轴液压滑动花键爪卡(夹)具(1315)及钻杆、钻入旋扩装置的连接花键轴组合接口(1214、1154)、花键套组合接口(1215、1216、1217、1152)与锥台牙嵌接口(1123、1137)传输到整个钻杆(1201～1205)和钻入扩张装置(1101～1109)。

在图11所示的钻入扩张装置实施例中：

钻入旋扩装置模块组各模块(1001--1009)均由钻尖装置(1010)和相应旋扩装置组装而成；

其钻尖装置(1010)由带锥台牙嵌套接口(1137)的尖尾部(1121)、带锥台牙嵌接口(1123)的钻尖尖部(1122)、定向尾翼(1124)、空心升降液压推杆(1125)、钻尖尖部反力触探头(1126)、重力平衡液压调节推杆(1127)、钻尖助钻变径牵引螺纹(1129)、钻尖尾部花键轴接口(1130)、伸缩保护套(1131)、防堵塞喷水咀(1133)、尾翼定位滑键槽(1134)、尾翼滑动平键(1135)、空心反力探头连杆(1136)、反力传递导杆(1138)等组装而成；钻尖尾部上端通过花键轴接口(1130)与旋扩装置钻尖花键套接口(1152)相连接，钻尖尾部下端锥台牙嵌套口与钻尖锥台牙嵌接合面为防卡塞面楞触靠构造(1167)；钻尖尖部上端(1122)与定向尾翼(1124)、空心液压推杆(1125)的组装链接通过空心液压推杆升降实现混凝土灌注口的开启与闭合，与之联动的连接在定向尾翼(1124)和旋扩装置外壳(1143)间的伸缩保护套(1131)则实时对外露在混凝土灌注通道内的空心液压推杆(1125)与混凝土进行隔离防护；钻尖尖部反力触探头(1126)通过空心反力探头连杆(1136)与重力平衡液压调节推杆下端(1127)连接，通过重力平衡液压调节推杆(1127)的升降，平衡反力探头及上部所有反力传递导杆(1138)的重力同时保证减速机顶部重力传感器(1340)的传感器探头(1341)与反力传递导杆(1138)顶平面接触实现传感器初始数据“对零”；从转动轴液压管之一传输的高压水通过输出端口与注水接口(1139)的连接，透过装置在钻入状态空心液压推杆(1125)和空心反力探头连杆(1136)开孔形成的通道压送至具有防堵塞喷水咀(1133)的钻尖喷水口(1128)和扩张装置侧壁喷水口(1140)喷出，以达到润滑钻入扩张装置及钻杆外周为钻入减阻的目的；

旋扩装置之间的差异在于选用锥体螺盘旋扩瓣因桩体承载方向的改变而变化其螺旋坡面朝向的变化及其旋扩装置外壳配套助钻螺纹锥面始终与选用锥体螺盘旋扩瓣保持一致的变化，和扩张功能上根据设计需求对螺盘和桩芯都进行扩张的“双扩”(1101～1103、1101a～1103a)或只对螺盘和桩芯其中之一进行扩张(1104～1109、1104a～1109a)的“单扩”间的差异；

“双扩”旋扩装置由桩芯旋扩弧形肋板(1142)与旋转密闭罩(1146)套合安装铰接在旋扩装置外壳(1143)旋转轴座上，通过铰接在旋扩装置设备密闭仓内并与桩芯旋扩弧形肋板(1142)铰接的扩芯肋板液压推杆(1148)和扩芯肋板辅助液压推杆(1149)的液压伸缩实现桩芯旋扩弧形肋板(1142)的旋转开合及旋转密闭罩(1146)的开合联动，在旋扩弧形肋板完成旋升扩径的同时实现了旋转密闭罩对设备密闭仓(1165)的密闭防护；而锥体螺盘旋扩瓣(1141)则是铰接安装在桩芯旋扩弧形肋板(1142)的扩螺旋转轴座上，通过铰接在桩芯旋扩弧形肋板(1142)并与锥体螺盘旋扩瓣(1141)铰接的扩螺瓣液压推杆(1147)对锥体螺盘旋扩瓣(1141)的液压伸缩推动，实现旋扩成桩过程中对锥体螺盘截面尺寸的扩张；

安装在旋扩装置外壳(1143)上的液压管组固定错位承插接口(1156)在保证液压管组(1157)芯管(1158)在钻入旋扩装置与钻杆(1004、1005、1006)的连接中准确对接并可达到使钻杆内交错承插式液压管组装配体(1209)和钻入旋扩装置(1003)及钻杆同步旋转，同时通过组固定错位承插接口(1156)对上部所有轴向定位在钻杆内的交错承插式液压管组装配体(1209)实现竖向“顶托”支撑，使转动轴液压管组轴肩脱离内转杆内轴座肩台降低转动阻力；安装在液压管组固定错位承插接口(1156)外侧的内转杆承重传动牙嵌接口座(1159)依托轴承(1160)构造通过与上部内转杆牙嵌接口的承插对接，“顶伸”承受上部内转杆(1206～1208)竖向重力，使内转杆限位在钻动轴心上的同时使套合定位的内转杆转动轴轴肩耐磨铜垫与轴座肩台降低接触压力减少内转杆转动磨阻。

在图12所示钻杆构造实例中：

钻杆由统一的花键轴组合接口件(1222)和花键套组合接口件(1223、1224)与钻杆外管(1225、1226)的焊接利用轴肩构造分别将牙嵌接口内转杆(1206、1207、1208)、交错承插式液压管组装配体(1209)及反力传递导杆(1138)按需求配置组合嵌套限位组装成整体，使各相关钻杆与其它功能装置部件的有效连接组装成成桩装置(1001、1002)的组合；花键轴套组合接口构造同时保证了内转杆(1206、1207、1208)、交错承插式液压管组装配体(1209)的轴向滑动限位和径向自由转动，以及反力传递导杆(1138)在芯管(1158)内的轴向滑动空间；

钻杆及钻入旋扩装置依靠花键轴套组合接口(1222、1223、1224)的受力均匀、径向承载能力高、对中定位精度高、导向性好、对轴和轮毂强度削弱低、接口抗弯能力强的优势在与钻入旋扩装置(1003)、钻杆(1004、1005、1006)、输出轴钻杆连接花键套(1347)和液压滑动花键卡(夹)具(1315)的连接中在稳定传递大扭矩的同时保证了牙嵌接口内转杆(1206、1207、1208)、交错承插式液压管组装配体(1209)及反力传递导杆(1138)均实现同心同步准确对接，花键轴与花键套接口套合连接后用尾端螺纹圆锥销固定，在带防护塞口螺尾圆锥销孔(1164)的外防护塞口填塞防护塞防止泥土和混凝土进入；

交错承插式液压管组装配体(1209)由转动轴液压管组交错承插接口件(1220)、转动轴液压管组定位件(1228)通过与芯管(1158)的焊接及液压管组(1157)的点焊连接组成，并通过转动轴液压管组交错承插接口件(1220)、转动轴液压管组定位件(1228)外周的醛缩醇耐磨塑料衬套(1229)降低与内转杆管壁的磨擦使之能在内转杆(1206、1207、1208)管内自由旋转，同时通过钻杆连接实现液压管组之间交错承插密封连接传输压力液体并保证所有对接液压管组装配体与钻杆同心同步旋转；

反力传递导杆(1138)由两端的反力传输导杆定位螺栓(1162)限位安装在芯管(1158)内保证了各反力传递导杆(1138)都能随钻杆(1201～1205)、钻入扩张装置(1101～1109)及动力装置(1001、1009)的连接使其端面准确对靠，并向上部重力传感器(1340)传递由钻尖尖部反力触探头(1126)探测到的持力层反力变化。

在图13所示动力传输装置构造实例中：

转动轴液压管组配压装置(1011)通过轴承将环形槽组转动轴(1342)固定在转动轴配压装置外壳(1143)内保证其自由旋转，转动轴上径向环形槽(1321)通过各自相邻的一对密封圈(1322)实现在转动中与其它环形槽及外界相互隔离和密封，各环形槽都与转配压装置外壳(1143)上静态液压管接口(1320)内壁开孔一一相对，各环形槽通过压力液传输孔道联通口(1344)与转动轴内对应轴向压力液传输孔道(1323)连通经压力液传输孔道引出承插管(1345)将压力液输配给液压管组；

大桩径抱轴动力装置以多动力减速机大口径空心输出轴环抱钻杆，由转动轴液压滑动花键爪卡(夹)具(1012)装置通过液压滑动花键爪卡(夹)具连接轴(1312)平键(1313)输出轴液压滑动花键爪卡(夹)具连接螺套(1314)安装固定在减速机输出轴(1310)上并随减速机输出轴旋转；液压滑动花键爪卡(夹)具连接轴(1312)上端侧壁的径向环形槽(1321)通过各自相邻的一对密封圈(1322)实现在转动中与另一环形槽及外界隔离和密封，两个环形槽(1321)与安装在减速机箱底盖裙边(1311)上的静态液压管接口(1320)在内壁开口一一相对并与卡具连接轴(1312)内各自的压力液传输孔道(1323)连通至相对的卡(夹)具座(1315)顶面的配压环形槽(1324)，而配压环形槽(1324)通过与各相连的卡(夹)具配压孔道(1325)和固定活塞座配压孔道(1327)将传输来的压力液由滑动密封压力液注入咀(1328)分别输送到滑动键爪内嵌液压缸(1331)由固定活塞连杆(1329)固定在滑动键爪内嵌液压缸固定活塞座(1326)上的固定活塞(1330)分隔出的内嵌液压缸活塞前室(1334)和内嵌液压缸活塞后室(1335)，在压力液推动下随着内嵌液压缸活塞前室(1334)和内嵌液压缸活塞后室(1335)相对空间的变化使滑动键爪(1317)前后滑动完成对轴件或钻杆外侧花键锁槽(1230)的夹紧锁固与分离；而转动轴液压滑动花键爪卡(夹)具(1012)可根据所抓卡钻杆轴径尺寸选择相配的轴径变换调整套(1316)，以接长滑动键爪固定螺栓(1319)连接滑动键爪(1317)与相配的接长滑动键爪(1318)完成对不同外径轴件或钻杆外侧花键锁槽(1230)的夹紧锁固与分离动作，以扩大转动轴液压滑动花键爪卡(夹)具(1012)对不同外径轴件及钻杆的适应范围，节约因轴径变换需更换液压滑动花键卡(夹)具的投资成本；

中小桩径叠合动力装置(1077)将钻杆多动力减速装置(1014)、混凝土进料口(1349)立管、内转杆动力减速装置(1013)、转动轴液压管组配压装置(1011)、重力传感器(1340)沿转轴轴心线相继叠合组装成整体，并由输出轴钻杆花键套组合接口(1306)通过输出轴法兰连接螺套(1346)和输出轴钻杆连接花键套(1347)与减速机输出轴的组合连接，整合了钻杆传动、内转杆传动、液压管组传动和交错承插密封同步连接技术，保证了与钻杆花键轴套接口的统一；

大桩径内转杆动力装置(1303)将进料口(1349)立管、内转杆减速装置(1013)、转动轴液压管组配压装置(1011)、重力传感器(1340)沿转轴轴心线相继叠合组装成整体，由输出轴钻杆花键套接口(1217)整合了内转杆传动、液压管组转动和交错承插密封同步连接技术，实现了与钻杆花键轴套接口的统一，钻杆转动分离装置(1307)应用双轴承(1160)、轴肩转动分离轴(1350)、法兰罩壳(1352)与法兰接口(1351)的连接构造在实现外钻杆连接的同时实现了外钻杆的径向转动不再向上部传递功能。

Claims (10)

1.一种以钻入旋扩方式挤密加固持力土层，并以大截面锥体螺旋坡面获得端阻与侧阻，且通过螺旋扩张增大桩芯横截面综合提升承载力的旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩，其特征在于：通过旋扩灌注在持力土层中形成以大截面锥形螺旋体盘绕且凸出外周的可变径圆柱桩体，并以与桩体轴线形成适度倾角的大截面连续螺旋锥体纵向辅助桩芯承载，同时以螺旋锥体坡面向持力土层均匀传递扩散桩体承载的竖向荷载，并可根据设计和承载需要随意旋扩改变桩体芯径。

2.权利要求1所述以钻入旋扩方式完成旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩的成桩装置，通过特种连接构造将动力装置、组合钻杆、钻入旋扩装置、承插式转动轴连接液压管组装配体、转动轴配压输压机构、重力传感装置、转动轴液压滑动花键爪卡夹具组装而成，其特征在于：由钻入喷水减阻***、土层反力触探传感***、混凝土灌注口液压开启闭合***、桩体塑形旋扩***、混凝土二次搅拌灌注增压***、转动轴液压管组配压输压***、专用组合连接***和转动轴液压滑键花键爪锁夹紧***、动力驱动***多***协同完成成桩工作。

3.根据权利要求2所述旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩成桩装置的钻入旋扩装置，由旋扩装置与钻尖组成，其特征在于：旋扩装置壳体为锥体螺纹环绕并与钻杆同径的圆柱状外型，内分隔为混凝土灌注通道和设备密闭仓两部分，上端为钻杆花键轴组合连接端口，下端为钻尖花键套组合连接端口，设备密闭仓开口处铰接安装有旋扩弧形肋板及与旋扩弧形肋板同轴铰接联动的旋转密闭罩以铰接在密闭仓壁轴座与旋扩螺旋弧形肋板轴座的液压推杆的推拉实现旋转伸缩，桩芯旋扩螺旋弧形肋板旋切开口铰接安装有锥体螺盘旋扩瓣通过铰接在旋扩螺旋弧形肋板轴座和锥体螺盘旋扩瓣内连接轴座的液压推杆的推拉实现旋转伸缩；旋扩装置可根据需求不仅组装成可旋扩锥体螺盘同时可旋扩桩体芯径的双扩功能旋扩装置，也可简化构造组装成仅旋扩锥体螺盘或仅旋扩桩体芯径的单扩功能旋扩装置；钻尖为环绕锥体变径螺纹的圆锥体外型的钻尖尖部与钻尖尾部组成，钻尖尖部与钻尖尾为锥台牙嵌双向锁定离合构造，钻尖尾部上端为与旋扩装置同径配套的花键轴接口与旋扩装置壳体下端花键套接口套合用尾部螺纹销固定，钻尖尖部以空心连杆连接钻尖定向尾翼并连接安装在旋扩装置壳体密闭仓中的钻尖尖部空心液压推杆下端，通过定向尾翼上的滑键与钻尖尾部内侧的滑键槽的定向配合，钻尖尖部与钻尖尾部接合面锥台双向锁定牙嵌构造在每次开启和闭合中始终保持接口对正，闭合时钻尖尾部下端平口内楞边与钻尖尖部上锥台面触靠，反力探头及反力传导空心连杆穿过钻尖尖部及空心连杆、钻尖定向尾翼、液压空心推杆与安装在扩张装置壳体密闭仓中的反力导杆重力平衡液压调节推杆下端连接，在钻杆钻入时钻尖尖部与钻尖尾部锥台牙嵌面闭合，扩张装置注水孔道、钻尖液压空心推杆、反力传导空心连杆、钻尖注水孔道的开孔处在对齐状态并通过孔轴密封技术利用钻尖液压空心推杆、反力传导空心连杆空腔形成钻尖喷水通道，喷水口锥形凹窝内螺孔安装防堵塞喷水咀；而反力导杆重力平衡液压调节推杆上端向上顶托，使上部所有反力传导杆的端面接触并使最上端面与动力头顶部的重力传感器探头底面接触并保持探测器件灵敏和初始反力“对零”，随时让重力传感器感触铺捉钻尖尖部土层反力变化的信号；伸缩密闭罩相连于定向钻尖尾翼和扩张装置壳体之间随钻尖升降而联动缩伸；旋扩装置上端花键轴组合接口端内轴座安装有固定承插接口液压管组，上端与钻杆内液压管组承插连通，使上部钻杆内转动轴液压管组同步跟随旋扩装置转动，下端各液压管口输出端与密闭仓中各液压装置对应接口连接；液压管组固定承插接口外侧安装有内转杆承重转动牙嵌接口座与上端钻杆内内转杆牙嵌接口对接；钻入旋扩装置外牵引锥体螺纹与锥体螺盘旋扩瓣截面受力特征一致。

4.根据权利要求2所述旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩成桩装置的组合钻杆，其特征在于：通过花键轴组合接口件和花键套组合接口件或带键槽锁口的花键套组合接口件与无螺纹或带锥体螺纹的钻杆外管焊接，利用花键轴接口件和花键套接口件的内轴座与带牙嵌端口的内转杆或带正反搅拌螺叶和增压螺杆内转杆及带正反搅拌螺叶内转杆、转动轴液压管组、反力传导杆端部之间的轴肩构造按功能要求进行轴向限位组合装配成功能各异的组合钻杆，反力传导杆安装嵌套在转动轴液压管组的芯管内并保证一定的轴向滑动空间；钻杆外牵引锥体螺纹与钻入旋扩装置上段一致。

5.根据权利要求2所述旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩成桩装置的花键轴套组合接口，其特征在于：以花键轴、花键套、尾部螺纹销固定为装置端外转轴构件接口连接形式，通过花键轴与花键套在套合连接同时使套合在内轴座内的内转杆牙嵌口、转动轴液压管组交错承插口同步与各自相接接口连接，以接口结合平面的密封垫圈和承插管孔孔轴密封圈实现组合密封。

6.根据权利要求2所述旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩成桩装置的承插式转动轴液压管组装配体，其特征在于：以***和穿过两端交错承插接口件和液压管组定位件具有适度刚度的芯管和在两端交错承插接口件端面呈现间隔伸出和间隔缩进环绕芯管四周整齐排列的液压管群通过管壁与液压管组定位件和交错承插接口件的焊接固定，所有液压管和芯管同长，管端统一为推拔口，两端管口缩进端口尺寸大于伸出端口尺寸且尺寸一致，交错承插接口件所有管端缩进孔内壁两端近孔口安有一对密封圈边口相对的孔轴密封圈，每支***的推拔管口都能准确套入密封圈中，交错承插接口件和液压管组定位件呈圆柱状，在其外周的轴瓦环形槽内嵌入耐磨衬套。

7.根据权利要求2所述旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩成桩装置之转动轴液压管组配压装置的转动轴压力液配给机构，其特征在于：通过对两端圆锥滚子轴承的固定将环形槽转动轴定位在转动轴配压装置外壳轴孔内，环形槽组转动轴至少有一个以上数量的径向环形槽，转动轴上每一径向环形槽两侧都安装有一对密封圈与其它环形槽及外界进行隔离实现密封，各环形槽都与转配压装置外壳上静态液压管接口内壁开孔位置一一相对，各环形槽通过一联通口与转动轴内对应轴向液压液传输孔道连通，并经液压液传输孔道引出承插管将液压液输配给转动轴液压管组，转动轴中心孔道上与转动轴配压装置外壳顶盖中心接口孔对正，下由引出承插芯管与转动轴液压管组芯管插口相接。

8.根据权利要求2所述旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩成桩装置的转动轴液压滑动花键爪卡夹具通用转动轴压力驱动夹紧机械机构，其特征在于：通过液压滑动键花键爪卡具连接轴、平键、输出轴液压滑动键花键爪卡夹具连接螺套、安装固定在减速机输出轴上并随减速机输出轴旋转，液压滑动键花键爪卡具连接轴上端侧壁的一对以上径向环形槽通过各自相邻的一对密封圈实现与另一环形槽及外界隔离和密封，径向环形槽与安装在减速机箱底盖裙边上的静态液压管接口内壁开口一一相对并与卡具连接轴内各自的液压液传输孔道连通至相对应的卡具座顶面的配压环形槽，每个配压环形槽通过与各自相连的卡具配压孔道和固定活塞座配压孔道与滑动内嵌式液压缸由固定活塞连杆固定在滑动液压缸固定活塞座上的固定活塞分隔出的液压缸活塞前室和液压缸活塞后室联通，在液压液压力推动下随着液压缸活塞前室和液压缸活塞后室相对空间大小的变化滑动键爪前后滑动；转动轴液压滑动花键爪卡具内侧可安装轴径变换调整套，以接长滑动键爪固定螺栓连接滑动键爪与相配的接长滑动键爪共同联动。

9.根据权利要求2所述旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩成桩装置的动力装置，其特征在于：大桩径动力驱动***由抱轴动力装置以多动力减速装置环绕对称布置在大经空心输出轴四周，钻杆在大径输出轴中心穿过由转动轴液压滑动花键爪卡夹具夹紧锁固，由混凝土进料口管、内转杆减速装置、转动轴液压管组配压装置、重力传感器以内转杆减速装置输出轴轴心线由下而上叠合组装成内转杆动力动力装置，通过混凝土进料口立管与钻杆转动分离装置连接管端与带花键锁槽的花键套接口件将内转杆、转动轴液压管组、反力传导杆接口组装成与钻杆接口统一的花键套组合接口连接钻杆协同抱轴动力动力装置一道工作；中小桩径动力驱动***由多动力减速装置、混凝土进料口立管、内转杆减速装置、转动轴液压管组配压装置、重力传感器沿转轴轴心线由下而上组装成叠合动力装置，通过输出轴法兰连接螺套和输出轴钻杆连接花键套与动力头减速机输出轴的连接，将钻杆、内转杆、液压管组、反力传导杆接口组装成与钻杆接口统一的花键套组合接口。

10.权利要求1所述旋扩变径锥体螺盘混凝土灌注桩的成桩方法，其特征在于：由喷水钻入通过反力触探准确抵达持力土层设计深度，并通过螺旋提升扩螺扩径同步搅拌增压灌注桩体混凝土一次成桩。

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