高频挤密压灌桩的专用设备及方法与流程

本发明涉及桩基施工过程中应用到的设备，具体地说是一种高频挤密压灌桩的专用设备及方法。

背景技术：

目前，公知的基桩桩型有灌注桩和预制桩，灌注桩施工工法有螺旋钻机工法、正反循环工法、旋挖钻机工法和冲击成孔工法；预制桩施工工法有静压式和锤击式工法。灌注桩施工需泥浆护壁，产生大量泥浆，泥浆造价高且需处置和外运，产生环境污染；预制桩因锤击噪声污染和桩接头腐蚀受局限性较大；地下连续墙施工同样采用泥浆护壁，并且对施工场地要求较高。

泥浆护壁灌注桩和旋挖灌注桩采用旋转或冲击成孔，地下连续墙采用成槽机成孔，需用泥浆维护孔壁稳定性，有塌孔危险，需处理孔底沉渣问题，混凝土灌注方式为水下灌注，成孔速度慢。成桩完毕需处理成桩用泥浆和桩孔中泥浆带出的泥土，泥浆量大，有泥浆处置和外运污染。另冲击成孔噪音较大，有噪音污染。

混凝土预制桩为锤击或静压方式成桩，锤击成桩过程中有较大噪音污染，另预制桩在桩长要求较大时需要接桩，接头需做防腐处理，处理不当或建筑物使用时间较长时接头会产生腐蚀，不利于抵御地震荷载、风荷载等造成的水平力和上拔力，且接桩速度严重影响桩基施工进度，对工期不利。

技术实现要素：

为了克服上述方法在施工过程中存在的不足，本发明一是提供了一种高频挤密压灌桩的专用设备，二是提供了用这种专用设备进行高频挤密压灌桩的方法。

本发明采用的技术方案是：一种高频挤密压灌桩的专用设备，包括机械臂、高频振动器、法兰盘、振动锤杆和挤土锤头，其中：

所述高频振动器安装在机械臂的下端，高频振动器的底部与法兰盘固定连接，法兰盘底部与振动锤杆连接，挤土锤头连接在振动锤杆的下部；

所述振动锤杆包括振动锤杆上部和振动锤杆下部两个部分，两部分杆体通过螺纹连接在一起。

振动锤杆为钢制套管组成的空腔结构，其本体上设置有混凝土灌注孔，锤杆内部的空腔结构部分构成混凝土灌注通道。

振动锤杆上部的一端为外壁带螺纹的锥形管体结构；所述振动锤杆下部的一端为内壁带螺纹的锥形管体结构；振动锤杆上部和振动锤杆下部通过螺纹结构连接在一起。

振动锤杆下部的另一端为外壁带螺纹的锥形管体结构；所述挤土锤头的一端为内壁带螺纹的锥形管体结构；所述振动锤杆下部与挤土锤头通过螺纹结构连接在一起。

挤土锤头为钢制的中空腔体结构，其自由端为中央带圆锥形活瓣桩靴的正方形结构。

挤土锤头为钢制的中空腔体结构，其自由端为中央带圆锥形活瓣桩靴的长方形结构。

长方形挤土锤头，其内部的中空结构构成阶梯状的混凝土灌注通道。

高频振动器的参数范围是：偏心力矩40-85NM，振频2800RPM，激振力36-75TON，主机重量1500-3500KG，液压系统操作压力280-300BAR，液压系统流量需求155-255LPM，适合挖掘机重量18-65YON，最长打桩长度9-18M。

应用所述的高频挤密压灌桩的专用设备进行高频挤密压灌桩的方法，按照以下工艺步骤进行：

①、依据设计施工图纸及地质勘察报告中特殊地层情况，在平面上划分不同地质区域，做好边界定位标记，测量定位圆桩中心点或其他桩型边界线；

②、启动移动式设备，活瓣桩靴对准桩位，开启高频振动器，通过振动锤杆、挤土锤头及活瓣桩靴在指定桩位上挤土成孔，使桩周和桩底土体进行振密加固；

若需扩底，待挤土锤头的活瓣桩靴振到桩底标高后，高频振动器停止振动，提升锤头，向孔底添加硬质干骨料，然后再次压下锤头，开启振动，反复2-3次，扩底成型，停止振动；

③、挤土锤头的活瓣桩靴在孔底标高位置，启动连接于该设备的混凝土泵，向振动锤杆和挤土锤头的空腔结构内灌注混凝土，待混凝土泵压力达到预定压力后提升振动锤杆及锤头，提升速度视混凝土泵压力而定，活瓣桩靴提升至桩顶设计标高时停止压力灌注混凝土，高频振动反插钢筋笼、型钢，完成一次灌桩，移动设备至下一桩位施工。

根据实际施工需求，更换挤土锤头的规格，实现圆形、方形、长方形等多种结构形状的异形桩的灌注。

高频挤密压灌桩方法是依靠上部高频振动器的振动力，将钢质套管组成的空腔结构的振动锤杆、挤土锤头及焊接成一体的活瓣桩靴沉入预定的设计深度，在地基中形成空的空形域，在振动锤杆、挤土锤头中的混凝土灌注通道内均匀压力灌注混凝土，缓慢提升振动锤杆，使混凝土自锤头活瓣桩靴开口部位涌出，靠混凝土泵送压力上顶锤头及活瓣桩靴形成压力灌注，提至保护桩头设计标高，完成基桩施工。

这种专用设备和方法相结合，适用于软弱土、粘性土、砂土、粒径100mm以下卵石碎石薄层及地下水位以下的桩基工程和基坑支护工程；可缩短施工周期50%，无噪音污染，免除泥浆制备、外运及环境污染，可解决孔底沉渣问题，避免大量土方开挖运输及二次污染，节约资源，保护环境；降低施工成本，提高施工效率，避免泥浆和噪声污染，做到绿色环保。

施工方法优点如下：

①、高频挤密干成孔，不受地下水位影响；

②、成孔速度快，高频振动挤密加固桩周和桩底土体，提高桩的极限侧阻力和极限端阻力，有效提高单桩竖向极限承载力；

③、孔底压力灌混凝土成桩，避免塌孔和缩颈危害；

④、高频振动反插钢筋笼、型钢等钢体材料；

⑤、可成圆桩、方桩、矩形桩等异型桩；

⑥、应用于桩基工程中，可通过套管在孔底预填硬质骨料，高频振动挤密形成孔底扩大头，提高单桩竖向极限承载力；

⑦、可缩短施工周期50%；

⑧、噪音污染小，可免除泥浆制备、外运及环境污染；

⑨、可解决孔底沉渣问题；

⑩、可避免成桩出土大量土方开挖运输及二次污染；

本发明重点在于相同工程地质和水文地质条件、相同桩径和桩长条件下单桩竖向极限承载力标准值的提高，避免成桩过程中的泥浆和噪音污染等问题，提高效率，保护环境。

附图说明

图1为本发明中专用设备的结构示意图。

图2为本发明中振动锤杆上部结构示意图。

图3为本发明中挤土锤头结构示意图。

图4为图3的右视图。

图5为本发明中长方形挤土锤头结构示意图。

图6为图5的俯视图。

图7为本发明中长方形挤土锤头的剖面图。

图8为本发明中振动锤杆下部结构示意图。

图9为本发明中高频振动器的参数配比图标。

图中：机械臂1、高频振动器2，法兰盘3，混凝土灌注孔4，振动锤杆上部5，混凝土灌注通道6，挤土锤头7，活瓣桩靴8，振动锤杆下部9。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

参见附图1-8，本发明所公开的这种专用设备适用于软弱土、粘性土、砂土、粒径100mm以下卵石碎石薄层及地下水位以下的桩基工程和基坑支护工程。本发明公开了一种高频挤密压灌桩基桩施工方法及专用设备，其主要工艺为高频挤密干成孔、高频振动挤密加固桩周和桩端土体、孔底压力灌混凝土成桩、高频振动反插钢筋笼、型钢等钢体材料。本工法可成圆桩、方桩、矩形桩等异型桩，可快速成孔，对桩周和桩端土体进行振密加固，提高桩的极限侧阻力和极限端阻力，有效提高单桩竖向极限承载力；应用于桩基工程中，可在基桩孔底预填硬质骨料，高频振动挤密形成孔底扩大头，提高单桩竖向极限承载力；应用于基坑支护工程可成矩形桩替代地下连续墙。

这种高频挤密压灌桩的专用设备，包括机械臂1、高频振动器2，法兰盘3，混凝土灌注孔4，振动锤杆上部5，混凝土灌注通道6，挤土锤头7，活瓣桩靴8，振动锤杆下部9。

高频振动器安装在机械臂的下端，高频振动器的底部与法兰盘固定连接，法兰盘底部与振动锤杆连接，挤土锤头连接在振动锤杆的下部；振动锤杆包括振动锤杆上部和振动锤杆下部两个部分，两部分杆体通过螺纹连接在一起。

振动锤杆为钢制套管组成的空腔结构，其本体上设置有混凝土灌注孔，锤杆内部的空腔结构部分构成混凝土灌注通道。

作为优选方案：振动锤杆上部的一端为外壁带螺纹的锥形管体结构；所述振动锤杆下部的一端为内壁带螺纹的锥形管体结构；振动锤杆上部和振动锤杆下部通过螺纹结构连接在一起。振动锤杆下部的另一端为外壁带螺纹的锥形管体结构；所述挤土锤头的一端为内壁带螺纹的锥形管体结构；所述振动锤杆下部与挤土锤头通过螺纹结构连接在一起。在实际使用时，振动锤杆上下两部分之间、振动锤杆下部与挤土锤头之间也可以采用直筒型的螺纹连接结构。

挤土锤头为钢制的中空腔体结构，其自由端为中央带圆锥形活瓣桩靴的正方形结构，如图4；或者其自由端为中央带圆锥形活瓣桩靴的长方形结构，如图6。长方形挤土锤头，其内部的中空结构构成阶梯状的混凝土灌注通道，如图5。

作为优选，高频振动器的参数范围是：偏心力矩40-85NM，振频2800RPM，激振力36-75TON，主机重量1500-3500KG，液压系统操作压力280-300BAR，液压系统流量需求155-255LPM，适合挖掘机重量18-65YON，最长打桩长度9-18M。具体匹配参数见附图9.

应用这种高频挤密压灌桩的专用设备进行高频挤密压灌桩的方法，按照以下工艺步骤进行：

①、依据设计施工图纸及地质勘察报告中特殊地层情况，在平面上划分不同地质区域，做好边界定位标记，测量定位圆桩中心点或其他桩型边界线；

②、启动移动式设备，活瓣桩靴对准桩位，开启高频振动器，通过链接的法兰盘和与法兰盘配套的专用设备，再通过振动锤杆、挤土锤头及活瓣桩靴在指定桩位上挤土成孔，使桩周和桩底土体进行振密加固；

若需扩底，待挤土锤头的活瓣桩靴振到桩底标高后，高频振动器停止振动，提升锤头，向孔底添加硬质干骨料，然后再次压下锤头，开启振动，反复2-3次，扩底成型，停止振动；

③、挤土锤头的活瓣桩靴在孔底标高位置，启动连接于该设备的混凝土泵，向振动锤杆和挤土锤头的空腔结构内灌注混凝土，待混凝土泵压力达到预定压力后提升振动锤杆及锤头，提升速度视混凝土泵压力而定，活瓣桩靴提升至桩顶设计标高时停止压力灌注混凝土，高频振动反插钢筋笼、型钢，完成一次灌桩，移动设备至下一桩位施工。

根据实际施工需求，更换挤土锤头的规格，实现圆形、方形、长方形等多种结构形状的异形桩的灌注。

高频挤密压灌桩方法是依靠上部高频振动器的振动力，将钢质套管组成的空腔结构的振动锤杆、挤土锤头及焊接成一体的活瓣桩靴沉入预定的设计深度，在地基中形成空的空形域，在振动锤杆、挤土锤头中的混凝土灌注通道内均匀压力灌注混凝土，缓慢提升振动锤杆，使混凝土自锤头活瓣桩靴开口部位涌出，靠混凝土泵送压力上顶锤头及活瓣桩靴形成压力灌注，提至保护桩头设计标高，完成基桩施工。

与其他桩型和施工方法对比：

（1）与泥浆护壁灌注桩、旋挖灌注桩和地下连续墙比较：

①、极限侧阻力和极限端阻力比较

泥浆护壁灌注桩和旋挖灌注桩极限侧阻力和极限端阻力所采用参数为上表5.3.5-1和5.3.5-2中“泥浆护壁钻（冲）孔桩”的数据，本工法高频挤密压灌桩为挤土方式成孔，所采用参数为“混凝土预制桩”参数，从表中可以看出，同样土层情况下，本工法所采用参数要大于泥浆护壁灌注桩和旋挖灌注桩采用参数。

另本工法可成方形、矩形等异型桩，按等桩端面积情况下周长较大，也即极限总侧阻力Qsk较大。（如桩径400圆桩，周长u=3.14*0.4=1.256m，面积A=0.1256㎡；当面积A=0.1256㎡时，正方形桩边长b=0.3544m，周长u=0.3544*4=1.4176m。比圆形周长长1.4176-1.256=0.1616m。）

②、成桩工艺比较

泥浆护壁灌注桩和旋挖灌注桩采用旋转或冲击成孔，地下连续墙采用成槽机成孔，需用泥浆维护孔壁稳定性，有塌孔危险，需处理孔底沉渣问题，混凝土灌注方式为水下灌注，成孔速度慢。成桩完毕需处理成桩用泥浆和桩孔中泥浆带出的泥土，泥浆量大，有泥浆处置和外运污染。另冲击成孔噪音较大，有噪音污染。

本工法高频挤密压灌桩采用高频振动挤土方式成孔，孔底压力灌注混凝土，成桩速度快。不存在塌孔和孔底沉渣问题，泥浆污染为零，基本没有噪音。

（2）与混凝土预制桩和干作业钻孔桩比较：

①、极限侧阻力和极限端阻力比较

本工法高频挤密压灌桩为振动挤土方式成孔，所采用参数为“混凝土预制桩”参数相同，比“干作业钻孔桩”参数高；高频挤密压灌桩可做孔底扩大，比混凝土预制桩和干作业钻孔桩总极限端阻力Qpk大。

②、成桩工艺比较

混凝土预制桩为锤击或静压方式成桩，锤击成桩过程中有较大噪音污染，另预制桩在桩长要求较大时需要接桩，接头需做防腐处理，处理不当或建筑物使用时间较长时接头会产生腐蚀，不利于抵御地震荷载、风荷载等造成的水平力和上拔力，且接桩速度严重影响桩基施工进度，对工期不利。

干作业钻孔桩成孔过程中用旋转钻进（如CFG桩）或人工挖孔的方式成孔，桩孔内原状土被卷出或挖出，会产生大量土方，有土方外运及弃土污染，桩底标高在地下水位以下不降水时不全部适用，软土地层有塌孔、缩颈危害，另人工挖孔桩还有施工速度慢、危险性大、经济效益低等特征。