一种弱化泥皮效应的能源桩施工装置及其施工方法

1.本发明涉及能源桩施工技术领域，特别是一种弱化泥皮效应的能源桩施工装置及其施工方法。


背景技术：

2.能源桩作为一种兼具结构承载与换热双重功能的新型建筑结构，近年来在建筑工程领域得到了广泛应用，然而，随着工程应用案例的增加，能源桩运行过程中存在的问题也逐渐暴露，具体表现为桩体沉降大，在能源桩运行过程中，冷热循环荷载作用不仅会对桩身产生影响(热胀冷缩等)，同时也会对桩周土体产生影响(饱和度、土压力变化等)，对于钻孔能源桩，一般与泥浆护壁工艺配合使用，因而桩土之间会形成泥皮，其对冷热温度具有更强的敏感性，形成显著的泥皮效应，泥皮效应，即对于含有泥皮的能源桩结构，受冷热循环影响，桩土之间的泥皮强度会逐渐降低，影响桩身的侧摩阻力，进而使得桩身表现出更大的沉降量，这种现象对于摩擦桩而言表现的更加显著，现有技术中的钻头及施工工艺难以弱化泥皮效应，而泥皮效应的存在极大的降低了能源桩的稳定性，存在一定的安全隐患。


技术实现要素：

3.本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
4.鉴于上述和/或现有的弱化泥皮效应的能源桩施工装置及其施工方法中存在的问题，提出了本发明。
5.因此，本发明所要解决的问题在于现有技术中的钻头及施工工艺难以弱化泥皮效应，而泥皮效应的存在极大的降低了能源桩的稳定性，存在一定的安全隐患。
6.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种弱化泥皮效应的能源桩施工装置，其包括，钻头组件，包括轴杆、钻头、扩张件、爆破件、驱动件以及拼接件，所述钻头固定于所述轴杆底端，所述扩张件设置于所述钻头表面，所述爆破件设置于所述轴杆上，所述驱动件固定于所述轴杆顶端，所述拼接件设置于所述驱动件上；以及，连接组件，设置于所述轴杆端部，包括第一连通件、第二连通件以及堵塞件，所述第一连通件设置于所述轴杆端部，所述第二连通件设置于所述轴杆端部，且位于所述第一连通件一侧，所述堵塞件设置于所述第二连通件内。
7.作为本发明所述弱化泥皮效应的能源桩施工装置的一种优选方案，其中：所述扩张件包括扩大板、铰接块以及导向块，所述扩大板通过所述铰接块铰接于所述钻头表面，所述导向块固定于所述钻头上，所述扩大板上开设有矩形孔，所述导向块滑动于所述矩形孔内。
8.作为本发明所述弱化泥皮效应的能源桩施工装置的一种优选方案，其中：所述爆破件包括气囊以及二氧化碳爆破包，所述气囊固定于所述轴杆顶部和底部，所述二氧化碳
爆破包固定于所述轴杆表面，且位于两个所述气囊之间，所述轴杆内开设有通气孔，其与所述气囊连通。
9.作为本发明所述弱化泥皮效应的能源桩施工装置的一种优选方案，其中：所述驱动件包括驱动杆以及驱动齿，所述驱动杆固定于所述轴杆表面顶部，所述驱动齿固定于所述驱动杆端部。
10.作为本发明所述弱化泥皮效应的能源桩施工装置的一种优选方案，其中：所述拼接件包括固定板、活动板、凸块、第一弹簧以及固定柱，所述固定板固定于所述驱动杆上，其顶部开设有凹槽，所述活动板滑动于所述凹槽内壁两侧，所述凸块固定于所述活动板端部，所述第一弹簧两端分别与所述凹槽和所述凸块固定，所述固定柱固定于所述轴杆表面底部，且与所述活动板配合。
11.作为本发明所述弱化泥皮效应的能源桩施工装置的一种优选方案，其中：所述第一连通件包括第一固定管、第二固定管以及密封圈，所述第一固定管固定于所述轴杆顶端，所述第二固定管固定于所述轴杆底端，所述密封圈固定于所述第一固定管顶端，所述轴杆中部开设有注浆孔。
12.作为本发明所述弱化泥皮效应的能源桩施工装置的一种优选方案，其中：所述第二连通件包括连接管以及安装管，所述连接管固定于所述轴杆顶端，且位于所述通气孔外侧，所述安装管固定于所述轴杆底端，且与所述连接管配合。
13.作为本发明所述弱化泥皮效应的能源桩施工装置的一种优选方案，其中：所述堵塞件包括固定轴、第一密封板、第二密封板以及顶杆，所述固定轴转动连接于所述安装管内，所述第一密封板固定于所述固定轴上，所述第二密封板转动连接于所述固定轴上，所述顶杆固定于所述连接管顶端两侧。
14.作为本发明所述弱化泥皮效应的能源桩施工装置的一种优选方案，其中：所述堵塞件还包括第一限位块、第二限位块、挡板以及第二弹簧，所述第一限位块与所述第二限位块分别固定于所述固定轴和所述第二密封板上，所述挡板固定于所述安装管表面，所述第二弹簧两端分别与所述挡板和限位块固定。
15.作为本发明所述弱化泥皮效应的能源桩施工装置施工方法的一种优选方案，其中：定位设计；
16.用钻头进行钻孔操作；
17.注射泥浆，并加长轴杆；
18.注射水泥浆，并将钻头向上提；
19.气囊充气，并将二氧化碳爆破包爆破；
20.将气囊放气，并重复注射水泥浆，同步将钻头向上提。
21.本发明有益效果为：本发明通过钻头组件的设置在将钻头向上提的过程中将泥皮去除，同时可提高能源桩的摩擦力，并通过连接组件的设置提高轴杆内部孔的密封性，避免过多的杂质进入轴杆内，影响其后续使用。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本
领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
23.图1为弱化泥皮效应的能源桩施工装置的整体结构图。
24.图2为弱化泥皮效应的能源桩施工装置的拼接件结构图。
25.图3为弱化泥皮效应的能源桩施工装置的钻头剖面图。
26.图4为弱化泥皮效应的能源桩施工装置的扩张件剖面图。
27.图5为弱化泥皮效应的能源桩施工装置的轴杆另一个视角图。
28.图6为弱化泥皮效应的能源桩施工装置的连接组件剖面图。
29.图7为弱化泥皮效应的能源桩施工装置的堵塞件另一个视角图。
具体实施方式
30.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
31.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
32.其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
33.实施例1
34.参照图1和图2，为本发明第一个实施例，该实施例提供了一种弱化泥皮效应的能源桩施工装置及其施工方法，弱化泥皮效应的能源桩施工装置及其施工方法包括钻头组件100和连接组件200，通过钻头组件100对能源桩进行施工，并通过连接组件200提高钻头组件100使用时的便利性。
35.具体的，钻头组件100，包括轴杆101、钻头102、扩张件103、爆破件104、驱动件105以及拼接件106，钻头102固定于轴杆101底端，扩张件103设置于钻头102表面，爆破件104设置于轴杆101上，驱动件105固定于轴杆101顶端，拼接件106设置于驱动件105上。
36.轴杆101设置为多段合成方式，最低端的轴杆101与钻头102固定，上方的轴杆101可依次向上连接延长，以便于在钻孔的过程中进行长距离打孔，扩张件103用来在钻头102向上提的时候对桩孔内壁进行扩张，以将泥皮刮除，去除泥皮效应，爆破件104可在桩孔内各处进行定点爆破，形成椭圆形孔，从而提高能源桩成形后的摩擦力，使其更加稳固，驱动件105用来驱动轴杆101和钻头102进行钻孔操作，拼接件106用来连接相邻两个轴杆101，使其拆装效率更加高，且连接更加稳固。
37.连接组件200，设置于轴杆101端部，包括第一连通件201、第二连通件202以及堵塞件203，第一连通件201设置于轴杆101端部，第二连通件202设置于轴杆101端部，且位于第一连通件201一侧，堵塞件203设置于第二连通件202内。
38.第一连通件201用来对相邻两个轴杆101中间的孔进行密封，避免在灌注水泥浆或泥浆时发生侧漏的情况，第二连通件202用来对爆破件104的充气孔进行密封，避免在使用的过程中泥浆进入其内部，影响其充气效果，然后通过堵塞件203对该孔进行封闭，避免轴
杆101在闲置状态下过多的灰尘杂质等进入孔内，影响其后续使用。
39.实施例2
40.参照图1～图7，为本发明第二个实施例，该实施例基于上一个实施例。
41.具体的，扩张件103包括扩大板103a、铰接块103b以及导向块103c，扩大板103a通过铰接块103b铰接于钻头102表面，导向块103c固定于钻头102上，扩大板103a上开设有矩形孔m，导向块103c滑动于矩形孔m内。
42.扩大板103a分为两个部分，第一部分通过铰接块103b铰接在钻头102的侧壁，呈倾斜状，第二部分固定在第一部分的顶部，呈垂直状态，当钻头102向上提起并转动时，通过桩孔内壁向内侧的压力将扩张件103向外侧压动，使得钻头102向上移动并转动的过程中将桩孔内壁的泥皮刮除，以消除其桩孔的泥皮效应，且扩大板103a至少设置有三个，呈环形均布在钻头102表面，导向块103c和矩形孔m用来对扩大板103a进行限位，防止其在向外侧偏移的过程中偏移过大的角度，影响泥皮效应的移除。
43.爆破件104包括气囊104a以及二氧化碳爆破包104b，气囊104a固定于轴杆101顶部和底部，二氧化碳爆破包104b固定于轴杆101表面，且位于两个气囊104a之间，轴杆101内开设有通气孔v，其与气囊104a连通。
44.气囊104a的材质能够承受二氧化碳定点爆破时的冲击力，避免冲击力向顶部和底部扩散，从而使得两个气囊104a之间的泥土区域被微爆出圆形的孔，从而使得能源桩在浇筑成形后与土之间的摩擦力更加大，极大的提高了其稳定性，二氧化碳爆破包104b上设置有远程爆破的机构，此为现有技术，在此不做赘述，其设置有多个，呈环形均布在轴杆101表面，从而使其在爆破时能够形成完整的圆，且其为微爆，不会对轴杆101的强度产生影响。
45.通气孔v用来向两个气囊104a内充气，当需要充气时，只需将气管连接在最顶端轴杆101顶部的通气孔v即可，极大的提高了充放气的便利性。
46.驱动件105包括驱动杆105a以及驱动齿105b，驱动杆105a固定于轴杆101表面顶部，驱动齿105b固定于驱动杆105a端部。
47.驱动杆105a设置有多个，呈环形均布在每个轴杆101表面的顶部，驱动齿105b固定在驱动杆105a端部，该装置可采用三个驱动电机，通过三轴联动的方式来驱动，进而提高其钻孔的便利性和稳定性，此为现有的成熟技术，在此不做赘述。
48.拼接件106包括固定板106a、活动板106b、凸块106c、第一弹簧106d以及固定柱106e，固定板106a固定于驱动杆105a上，其顶部开设有凹槽k，活动板106b滑动于凹槽k内壁两侧，凸块106c固定于活动板106b端部，第一弹簧106d两端分别与凹槽k和凸块106c固定，固定柱106e固定于轴杆101表面底部，且与活动板106b配合。
49.固定板106a固定在每个驱动杆105a上，活动板106b对称滑动在凹槽k内壁，其底部固定有限位条，用来对活动板106b进行限位，防止其在左右移动的过程中发生偏移等情况，凸块106c固定在两个活动板106b的端部，且其顶部做倒角处理，第一弹簧106d给凸块106c和活动板106b施加向凹槽k内部移动的力，固定柱106e的数量与驱动杆105a相同，当需要拼接两个相邻的轴杆101时，将顶部的轴杆101向下移动至底部轴杆101的顶端，使得固定柱106e对应插接在凹槽k内，并将活动板106b和凸块106c向外侧推动，当固定柱106e完全位于凹槽k内时，通过第一弹簧106d将两个活动板106b推动至固定柱106e顶部，以对其进行限位，防止在使用过程中顶部轴杆101意外脱落，同时使得底部的轴杆101能够跟随顶部轴杆
101转动。
50.第一连通件201包括第一固定管201a、第二固定管201b以及密封圈201c，第一固定管201a固定于轴杆101顶端，第二固定管201b固定于轴杆101底端，密封圈201c固定于第一固定管201a顶端，轴杆101中部开设有注浆孔s。
51.第一固定管201a的直径小于第二固定管201b的直径，当两个相邻轴杆101拼接时，第二固定管201b的底端插接在第一固定管201a顶部，并通过密封圈201c对二者接触的位置进行密封，以防止在向注浆孔s内灌注泥浆或水泥浆时发生泄漏等情况，且注浆孔s的底端延伸至钻头102底部两侧，从而从钻头102底端直接灌注水泥浆和泥浆，相较于现有技术中从侧面灌注的方式，该方式能够极大的提高钻头102的钻孔效率和稳定性。
52.第二连通件202包括连接管202a以及安装管202b，连接管202a固定于轴杆101顶端，且位于通气孔v外侧，安装管202b固定于轴杆101底端，且与连接管202a配合。
53.连接管202a的直径小于安装管202b的直径，当顶部轴杆101拼接在底部轴杆101顶部时，连接管202a会从安装管202b底端插入其内部，通气孔v贯穿轴杆101，且与两个气囊104a连通，当需要对气囊104a充气时，工作人员可将外部气管与连接管202a连接，并通过连接管202a和安装管202b之间的密封避免通气孔v内部的气体泄漏。
54.堵塞件203包括固定轴203a、第一密封板203b、第二密封板203c以及顶杆203d，固定轴203a转动连接于安装管202b内，第一密封板203b固定于固定轴203a上，第二密封板203c转动连接于固定轴203a上，顶杆203d固定于连接管202a顶端两侧。
55.固定轴203a位于安装管202b中部，其两端延伸至安装管202b外侧，第一密封板203b与第二密封板203c合为整个圆形，用来对整个安装管202b进行密封，且第一密封板203b转动连接在固定轴203a上，其两侧的圆环也延伸至安装管202b两端，并通过轴承与其转动连接，从而使得两个密封板都能同时向上或同时向下转动，顶杆203d呈l形，当连接管202a插接在安装管202b内时，通过顶杆203d将两个密封板向上顶起，以将安装管202b开启。
56.堵塞件203还包括第一限位块203e、第二限位块203f、挡板203g以及第二弹簧203h，第一限位块203e与第二限位块203f分别固定于固定轴203a和第二密封板203c上，挡板203g固定于安装管202b表面，第二弹簧203h两端分别与挡板203g和限位块固定。
57.第一限位块203e和第二限位块203f错位分布，通过挡板203g的设置使得两个密封板在闭合时能够正好将安装管202b封闭，避免其向下转动过多，造成安装管202b漏气，然后通过第二弹簧203h拉动两个限位块和密封板，使其复位更加方便。
58.在使用时，钻孔时，通过驱动机构带动轴杆101和钻头102转动并向桩孔内移动，此时扩大板103a受到土的压力，向钻头102的方向移动，当向下移动一定距离后，需要延长轴杆101，此时将延长的轴承向下安装在底部轴杆101上，使得固定柱106e对应插接在凹槽k内，并将活动板106b和凸块106c向外侧推动，当固定柱106e完全位于凹槽k内时，通过第一弹簧106d将两个活动板106b推动至固定柱106e顶部，以对其进行限位，防止在使用过程中顶部轴杆101意外脱落，同时使得底部的轴杆101能够跟随顶部轴杆101转动，同时第二固定管201b的底端插接在第一固定管201a顶部，并通过密封圈201c对二者接触的位置进行密封，以防止在向注浆孔s内灌注泥浆或水泥浆时发生泄漏等情况，且安装管202b对应插接在连接管202a顶端，通过顶杆203d将两个密封板向上顶起，以将安装管202b开启，钻孔完成后，将该装置停在指定位置，然后向通气孔v和气囊104a内充气，使得两个气囊104a与桩孔
的内壁贴合，再通过外部控制将二氧化碳爆破包104b爆破，使得桩孔内壁形成圆形孔，提高桩侧摩阻力，有效提高桩身的侧向摩阻力，使其变形小，然后将钻头102向上提起，并使其转动，此时扩大板103a顶部受到土的压力而向外侧扩大，并将桩孔内壁的泥皮去除，消除了泥皮效应，有效解决桩土之间泥皮对桩身侧摩阻力的影响。
59.实施例3
60.参照图1～图7，为本发明第三个实施例，该实施例基于前两个实施例。
61.具体的，定位设计；工作人员通过实地勘测等对施工现场进行定位和设计桩孔的位置，为后续的施工提供保障。
62.然后如上述实施例中的操作用钻头102进行钻孔操作。
63.在钻孔的过程中，通过注浆孔s注射泥浆，并根据实际桩孔的长度来加长轴杆101。
64.钻孔完成后，向注浆孔s内注射水泥浆，并安装上述实施例的操作将钻头102向上提，消除泥皮效应。
65.气囊104a充气，并将二氧化碳爆破包104b爆破，以提高桩侧摩阻力，有效提高桩身的侧向摩阻力，使其变形小。
66.将气囊104a放气，并重复上述注射水泥浆操作，同步将钻头102向上提，完成施工。
67.应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种弱化泥皮效应的能源桩施工装置，其特征在于：包括，钻头组件(100)，包括轴杆(101)、钻头(102)、扩张件(103)、爆破件(104)、驱动件(105)以及拼接件(106)，所述钻头(102)固定于所述轴杆(101)底端，所述扩张件(103)设置于所述钻头(102)表面，所述爆破件(104)设置于所述轴杆(101)上，所述驱动件(105)固定于所述轴杆(101)顶端，所述拼接件(106)设置于所述驱动件(105)上；以及，连接组件(200)，设置于所述轴杆(101)端部，包括第一连通件(201)、第二连通件(202)以及堵塞件(203)，所述第一连通件(201)设置于所述轴杆(101)端部，所述第二连通件(202)设置于所述轴杆(101)端部，且位于所述第一连通件(201)一侧，所述堵塞件(203)设置于所述第二连通件(202)内。2.如权利要求1所述的弱化泥皮效应的能源桩施工装置，其特征在于：所述扩张件(103)包括扩大板(103a)、铰接块(103b)以及导向块(103c)，所述扩大板(103a)通过所述铰接块(103b)铰接于所述钻头(102)表面，所述导向块(103c)固定于所述钻头(102)上，所述扩大板(103a)上开设有矩形孔(m)，所述导向块(103c)滑动于所述矩形孔(m)内。3.如权利要求1或2所述的弱化泥皮效应的能源桩施工装置，其特征在于：所述爆破件(104)包括气囊(104a)以及二氧化碳爆破包(104b)，所述气囊(104a)固定于所述轴杆(101)顶部和底部，所述二氧化碳爆破包(104b)固定于所述轴杆(101)表面，且位于两个所述气囊(104a)之间，所述轴杆(101)内开设有通气孔(v)，其与所述气囊(104a)连通。4.如权利要求3所述的弱化泥皮效应的能源桩施工装置，其特征在于：所述驱动件(105)包括驱动杆(105a)以及驱动齿(105b)，所述驱动杆(105a)固定于所述轴杆(101)表面顶部，所述驱动齿(105b)固定于所述驱动杆(105a)端部。5.如权利要求4所述的弱化泥皮效应的能源桩施工装置，其特征在于：所述拼接件(106)包括固定板(106a)、活动板(106b)、凸块(106c)、第一弹簧(106d)以及固定柱(106e)，所述固定板(106a)固定于所述驱动杆(105a)上，其顶部开设有凹槽(k)，所述活动板(106b)滑动于所述凹槽(k)内壁两侧，所述凸块(106c)固定于所述活动板(106b)端部，所述第一弹簧(106d)两端分别与所述凹槽(k)和所述凸块(106c)固定，所述固定柱(106e)固定于所述轴杆(101)表面底部，且与所述活动板(106b)配合。6.如权利要求5所述的弱化泥皮效应的能源桩施工装置，其特征在于：所述第一连通件(201)包括第一固定管(201a)、第二固定管(201b)以及密封圈(201c)，所述第一固定管(201a)固定于所述轴杆(101)顶端，所述第二固定管(201b)固定于所述轴杆(101)底端，所述密封圈(201c)固定于所述第一固定管(201a)顶端，所述轴杆(101)中部开设有注浆孔(s)。7.如权利要求4、5和6任一项所述的弱化泥皮效应的能源桩施工装置，其特征在于：所述第二连通件(202)包括连接管(202a)以及安装管(202b)，所述连接管(202a)固定于所述轴杆(101)顶端，且位于所述通气孔(v)外侧，所述安装管(202b)固定于所述轴杆(101)底端，且与所述连接管(202a)配合。8.如权利要求7所述的弱化泥皮效应的能源桩施工装置，其特征在于：所述堵塞件(203)包括固定轴(203a)、第一密封板(203b)、第二密封板(203c)以及顶杆(203d)，所述固定轴(203a)转动连接于所述安装管(202b)内，所述第一密封板(203b)固定于所述固定轴(203a)上，所述第二密封板(203c)转动连接于所述固定轴(203a)上，所述顶杆(203d)固定
于所述连接管(202a)顶端两侧。9.如权利要求8所述的弱化泥皮效应的能源桩施工装置，其特征在于：所述堵塞件(203)还包括第一限位块(203e)、第二限位块(203f)、挡板(203g)以及第二弹簧(203h)，所述第一限位块(203e)与所述第二限位块(203f)分别固定于所述固定轴(203a)和所述第二密封板(203c)上，所述挡板(203g)固定于所述安装管(202b)表面，所述第二弹簧(203h)两端分别与所述挡板(203g)和限位块固定。10.一种弱化泥皮效应的能源桩施工装置的其施工方法，其特征在于：包括如权利要求1－9所述的钻头组件(100)和连接组件(200)，还包括如下步骤：定位设计；用钻头(102)进行钻孔操作；注射泥浆，并加长轴杆(101)；注射水泥浆，并将钻头(102)向上提；气囊(104a)充气，并将二氧化碳爆破包(104b)爆破；将气囊(104a)放气，并重复注射水泥浆，同步将钻头(102)向上提。

技术总结
本发明公开了一种弱化泥皮效应的能源桩施工装置及其施工方法，包括钻头组件，包括轴杆、钻头、扩张件、爆破件、驱动件以及拼接件，所述钻头固定于所述轴杆底端，所述扩张件设置于所述钻头表面，所述爆破件设置于所述轴杆上，所述驱动件固定于所述轴杆顶端，所述拼接件设置于所述驱动件上；以及，连接组件，设置于所述轴杆端部，包括第一连通件、第二连通件以及堵塞件。本发明通过钻头组件的设置在将钻头向上提的过程中将泥皮去除，同时可提高能源桩的摩擦力，并通过连接组件的设置提高轴杆内部孔的密封性，避免过多的杂质进入轴杆内，影响其后续使用。续使用。续使用。


技术研发人员：黄献文 姜朋明 李承超 李秉宜 姜玥
受保护的技术使用者：苏州科技大学
技术研发日：2023.06.20
技术公布日：2023/9/20