混凝土桩的施工设备及其施工方法与流程

本申请涉及土木工程领域，具体涉及一种混凝土桩的施工设备以及一种混凝土桩的施工方法。

背景技术：

目前在建筑工程领域的地基处理工程中，经常遇到这样的情况：地表下一定深度处存在密度较大的砂土层、碎石土层、黄土层、砾卵石层等，并且这些土层的硬度不均、厚度不均。这种地质条件对桩基施工时的桩身成孔造成很大难度，目前常用的振动沉管、静压或者回转钻进等方式，基本上都很难形成桩孔至设计深度。某些工法如采用旋挖钻机和人工挖孔虽然能够在这些较硬的土层中成孔，但施工的成本较高且速度较慢，而且都是将地基中的原土取出的方法，不仅需要清土外运增加成本且易污染环境，也没有充分的利用原土且没有桩孔护壁，极易造成孔壁坍塌和缩径，特别是当地下水含量较高时，桩孔会很快进水，无法进行下步施工。

技术实现要素：

本发明是为了解决上述的问题而提出的，目的在于提供一种混凝土桩的施工设备，并且通过该施工装置提供一种简单、高效的施工方法，能够根据不同的地质条件和施工要求选择相应的装置迅速高效的形成桩孔，并且一次性完成成孔、挤土、护壁、桩体施工的操作，同时产生提高工效、节约环保的优异效果。

为了实现上述目的，本发明的一种混凝土桩的施工设备，包括有机架、动力锤、冲压装置，其特征是：所述机架（1）前端的立杆上设有可沿立杆上下移动的动力锤（2），所述动力锤（2）采用柴油锤或者液压锤或者重锤或者振动头；所述冲压装置设于动力锤（2）的下方并可沿立杆上下移动，根据不同的施工要求冲压装置包括下述三种结构方式：

第一种结构方式：冲压装置包括冲击锤头（3）、中空杆件（4）、输料装置、注浆装置，所述冲击锤头（3）的尖端向下固定于中空杆件（4）的底端，且冲击锤头（3）的直径大于中空杆件（4）的直径，所述输料装置包括进料口（5）、出料口（6）、输料管（7），输料管（7）设于中空杆件（4）的内腔中，进料口（5）在中空杆件（4）的上端探出，出料口（6）设于冲击锤头（3）上，所述注浆装置包括进浆口（8）、高压喷嘴（9）、高压浆管（10），高压浆管（10）设于中空杆件（4）的内腔中或者外壁上，进浆口（8）在中空杆件（4）的上端探出，高压喷嘴（10）设于冲击锤头（3）上或∕和中空杆件（4）下端部，高压喷嘴（10）的喷射角度向下或∕和向外；

第二种结构方式：不包括第一种结构方式中的注浆装置，即：冲压装置包括冲击锤头（3）、中空杆件（4）、输料装置，所述冲击锤头（3）的尖端向下固定于中空杆件（4）的底端，且冲击锤头（3）的直径大于中空杆件（4）的直径，所述输料装置包括进料口（5）、出料口（6）、输料管（7），输料管（7）设于中空杆件（4）的内腔中，进料口（5）在中空杆件（4）的上端探出，出料口（6）设于冲击锤头（3）上；

第三种结构方式：在第一种或第二种结构方式的基础上，在中空杆件（4）的上端部加设直径更大的漏斗状或圆柱状扩径部（11）。

最好，上述的施工设备中，所述机架为长螺旋钻机或者钻探钻机的机架。

最好，上述的施工设备中，所述动力锤（2）采用柴油锤或者液压锤或者重锤时，在中空杆件（4）的顶端加设夯击盘或击打帽以便于柴油锤或者液压锤或者重锤的夯击，动力锤（2）采用振动头时，在振动头的下部加设液压卡钳以便于夹持中空杆件（4）。

最好，上述的施工设备中，视施工要求和环境要求能够采用静压设备来替代上述动力锤（2）。

最好，上述的施工设备中，施工设备还包括驱动动力锤（2）和冲压装置上升或下降的卷扬机系统。

最好，上述的施工设备中，冲击锤头（3）带有能够打开和闭合的活瓣式锤尖或者活动封门。

最好，上述的施工设备中，进料口（5）与施工设备外部的混凝土输送泵相连，进浆口（8）与施工设备外部的高压泵相连，高压泵与制浆设备或/和供水设备或/和供气设备相连。

为实现上述目的，本发明还包括一种混凝土桩的施工方法，该方法采用上述权利要求1所述的混凝土桩的施工设备，包括下述步骤：

1）将上述权利要求1所述的混凝土桩的施工设备对准地基中的桩位；

2）施工设备中的动力锤（2）采用柴油锤或者液压锤或者重锤时，通过柴油锤或者液压锤或者重锤的上下往复动作击打中空杆件（4），驱使冲击锤头（3）向下冲击挤扩土体；施工设备中的动力锤（2）采用振动头时，通过振动头的振动并下压中空杆件（4），驱使冲击锤头（3）向下冲击挤扩土体；

3）施工设备中如包括注浆装置，一边进行上述步骤2）的冲击操作，一边向注浆装置中高压注入拌和好的水泥浆液，形成向下或∕和向外的高压射流冲击并润滑土体；施工设备中如不包括注浆装置，只需反复进行上述步骤2）的冲击操作；

4）反复进行上述步骤3）的操作直至达到设定深度，从而在地基中形成桩孔，施工设备中的中空杆件（4）如包括扩径部（11），所形成的桩孔上部自然形成扩径；

5）一边向上提升冲压装置，一边向输料装置内加压输送混凝土或者水泥拌合物，混凝土或者水泥拌合物从出料口（6）注入桩孔；

6）持续进行上述步骤5）的操作，直至将冲压装置提出地基表面，在桩孔中形成混凝土桩；

7）根据基础结构形式，通过下述方法之一进行后续施工：

①用于桩基形式时，在混凝土桩身的中心位置，向下反压或者反插钢筋笼至设计深度；

②用于复合地基形式时，在桩顶表面铺设砂石或者混凝土或者钢筋混凝土垫层。

最好，上述的施工方法中的步骤3）中，上述水泥浆液的材料成份包括水或∕和水泥或∕和砂或∕和粉煤灰或∕和外加剂。

最好，上述的施工方法中的步骤3）中，上述向注浆装置中高压注入拌和好的水泥浆液，是在遇到较硬土层如砂层时进行的。

最好，上述的施工方法中的步骤5）中，上述向输料装置内加压输送混凝土或者水泥拌合物，水泥拌合物是由水泥和水或∕和土或∕和碎石或∕和砂或∕和粉煤灰拌合的混合料。

本发明的施工设备及施工方法的特点和优势在于：①成孔的工效极高，采用动力锤直接击打冲孔装置，使冲击锤头产生极大的冲击能量冲击破开周围的土体或岩层，从而快速形成桩孔；并且由于传力杆的直径小于冲击锤尖的直径，因此在冲击下沉和上提的过程中，仅有冲击锤头与桩孔土体接触，大幅降低摩擦面积和摩擦力，从而显著提高成孔工效；②动力锤可采用多种机械工具，并且冲压装置根据不同的施工要求冲压装置也可采用多种结构方式，第一种结构方式适用于较硬土层且特别适用于穿透砂层，第二种结构方式适用于不包含砂层的较硬土层，第三种结构方式由于包含扩径体故特别适用于复合地基中使用；③成孔质量好，在成孔的过程中将原桩孔处的土体全部挤入到桩孔底部和孔壁周围，相当于对周围土体进行了强制加固挤密，使桩间土的强度得到显著增强；④连续性强，成孔、挤土、护壁、成桩的全部工序一次完成，在完成挤土成孔的工序后，无须提出护筒或者更换设备，直接进行桩身混凝土或水泥拌合物的压灌，速度快效率高；⑤整个施工过程中都没有将地基土取出，很好的利用了原土，即减少了清土外运的环节，又避免了环境污染，并且适用范围广泛，在软土、硬层、夹层、含水量高等各种地质条件下均可适用，在桩基施工和复合地基处理中均可适用。

附图说明

图1是本发明的混凝土桩的施工设备的一个较佳实施例的示意图；图2至图8分别是施工设备中动力锤和冲压装置的不同结构形式的实施例的示意图；图9是本发明的混凝土桩的施工方法的第一个较佳实施例的工序示意图；图10是本发明的混凝土桩的施工方法的第二个较佳实施例的工序示意图；图1至图10中，1为机架，2为动力锤，3为冲击锤头，4为中空杆件，5为进料口，6为出料口，7为输料管，8为注浆口，9为高压喷嘴，10为高压浆管，11为活瓣锤尖，12为夯击盘，13为液压卡钳，14为活动封门，15为中空杆件的扩径部，16为混凝土，17为钢筋笼，18为垫层。

具体实施方式

图1是本发明的混凝土桩的施工设备的一个较佳实施例的示意图，如图1所示，该施工设备包括有机架1、动力锤2、冲压装置，机架1采用长螺旋钻机，机架1前端的立杆上设有可沿立杆上下移动的动力锤2，动力锤2采用柴油锤，冲压装置设于动力锤（2）的下方并可沿立杆上下移动，冲压装置包括冲击锤头3、中空杆件4、输料装置、注浆装置；冲击锤头3固定于中空杆件4的底端，冲击锤头3下部带有可打开和闭合的活瓣锤尖11；中空杆件4的直径小于冲击锤头3的直径，中空杆件4的顶端设有夯击盘12便于动力锤2的击打；输料装置包括带有进料口5和出料口6的输料管7，输料管7设于中空杆件4的内腔中，进料口5在中空杆件4的上端、夯击盘12之下向外探出，便于连接施工设备外部的混凝土输送泵，出料口6设于冲击锤头3的活瓣锤尖的内部；注浆装置包括带有注浆口8和高压喷嘴9的高压浆管10，高压浆管也设于中空杆件4的内腔中，注浆口8在中空杆件4的上端、夯击盘12之下向外探出，便于连接施工设备外部的高压泵，高压喷嘴10设于冲击锤头3的活瓣锤尖11的上部，高压喷嘴10的喷射角度向下。

图2是施工设备中动力锤和冲压装置的第一种结构形式的一个实施例的示意图；如图2所示，动力锤2采用柴油锤；冲压装置包括冲击锤头3、中空杆件4、输料装置、注浆装置；冲击锤头3固定于中空杆件4的底端，冲击锤头3下部带有可打开和闭合的活瓣锤尖11，冲击锤头3向下冲击时活瓣锤尖11向内闭合，冲击锤头3向上提升时活瓣锤尖11向外打开；中空杆件4为厚壁钢管且直径小于冲击锤头3的直径，中空杆件4的顶端设有夯击盘12便于动力锤2的击打；输料装置包括带有进料口5和出料口6的输料管7，输料管7设于中空杆件4的内腔中，进料口5在中空杆件4的上端、夯击盘12之下向外探出，便于连接施工设备外部的混凝土输送泵，出料口6设于冲击锤头3的活瓣锤尖的内部；注浆装置包括带有注浆口8和高压喷嘴9的高压浆管10，高压浆管也设于中空杆件4的内腔中，注浆口8在中空杆件4的上端、夯击盘12之下向外探出，便于连接施工设备外部的高压泵，高压喷嘴10设于冲击锤头3的活瓣锤尖11的上部，高压喷嘴10的喷射角度向下。

图3是施工设备中动力锤和冲压装置的第一种结构形式的另一个实施例的示意图；如图3所示，动力锤2采用振动头；冲压装置包括冲击锤头3、中空杆件4、输料装置、注浆装置；动力锤2的下部设有左右液压卡钳13，液压卡钳13夹持中空杆件4上端两侧，从而使动力锤2和中空杆件4连接为一体；冲击锤头3固定于中空杆件4的底端，冲击锤头3带有可打开和闭合的活动封门14，冲击锤头3向下冲击时活动封门14向内闭合，冲击锤头3向上提升时活动封门14向外打开；中空杆件4为厚壁钢管且直径小于冲击锤头3的直径；输料装置包括带有进料口5和出料口6的输料管7，输料管7设于中空杆件4的内腔中，进料口5在中空杆件4的上端、夯击盘12之下向外探出，便于连接施工设备外部的混凝土输送泵，出料口6设于冲击锤头3的活动封门14内；注浆装置包括带有注浆口8和高压喷嘴9的高压浆管10，高压浆管也设于中空杆件4的内腔中，注浆口8在中空杆件4的上端、夯击盘12之下向外探出，便于连接施工设备外部的高压泵，高压喷嘴10设于冲击锤头3的活动封门14的上部，高压喷嘴10的喷射角度向下。

图4是施工设备中动力锤和冲压装置的第二种结构形式的一个实施例的示意图；如图4所示，动力锤2采用柴油锤；冲压装置包括冲击锤头3、中空杆件4、输料装置；冲击锤头3固定于中空杆件4的底端，冲击锤头3下部带有可打开和闭合的活瓣锤尖11，冲击锤头3向下冲击时活瓣锤尖11向内闭合，冲击锤头3向上提升时活瓣锤尖11向外打开；中空杆件4为厚壁钢管且直径小于冲击锤头3的直径，中空杆件4的顶端设有夯击盘12便于动力锤2的击打；输料装置包括带有进料口5和出料口6的输料管7，输料管7设于中空杆件4的内腔中，进料口5在中空杆件4的上端、夯击盘12之下向外探出，便于连接施工设备外部的混凝土输送泵，出料口6设于冲击锤头3的活瓣锤尖的内部。

图5是施工设备中动力锤和冲压装置的第二种结构形式的另一个实施例的示意图；如图5所示，动力锤2采用柴油锤；冲压装置包括冲击锤头3、中空杆件4、输料装置；冲击锤头3固定于中空杆件4的底端，冲击锤头3为平底且底面带有可打开和闭合的两片活动封门14，冲击锤头3向下冲击时活动封门14向内闭合，冲击锤头3向上提升时活动封门14向外打开；中空杆件4为厚壁钢管且直径小于冲击锤头3的直径；输料装置包括带有进料口5和出料口6的输料管7，输料管7设于中空杆件4的内腔中，进料口5在中空杆件4的上端、夯击盘12之下向外探出，便于连接施工设备外部的混凝土输送泵，出料口6设于冲击锤头3的活动封门14内。

图6是施工设备中动力锤和冲压装置的第二种结构形式的另一个实施例的示意图；如图5所示，动力锤2采用振动头；冲压装置包括冲击锤头3、中空杆件4、输料装置、注浆装置；动力锤2的下部设有左右液压卡钳13，液压卡钳13夹持中空杆件4上端两侧，从而使动力锤2和中空杆件4连接为一体；冲击锤头3固定于中空杆件4的底端，冲击锤头3带有可打开和闭合的活动封门14，冲击锤头3向下冲击时活动封门14向内闭合，冲击锤头3向上提升时活动封门14向外打开；中空杆件4为厚壁钢管且直径小于冲击锤头3的直径；输料装置包括带有进料口5和出料口6的输料管7，输料管7设于中空杆件4的内腔中，进料口5在中空杆件4的上端、夯击盘12之下向外探出，便于连接施工设备外部的混凝土输送泵，出料口6设于冲击锤头3的活动封门14内。

图7是施工设备中动力锤和冲压装置的第三种结构形式的一个实施例的示意图，如图7所示，该图在图2所示的动力锤和冲压装置的基础上，在中空杆件4的上部且在夯击盘12、进料口5、注浆口8的下方，加设直径更大的漏斗状扩径部（15）。

图8是施工设备中动力锤和冲压装置的第三种结构形式的另一个实施例的示意图，如图8所示，该图在图6所示的动力锤和冲压装置的基础上，在中空杆件4的上部且在夯击盘12、进料口5的下方，加设直径更大的圆柱状扩径部（15）。

图9是本发明的混凝土桩的施工方法的第一个较佳实施例的工序示意图，该实施例的混凝土桩的施工设备采用如图2所示的结构方式；首先，如图9中a所示，将该混凝土桩的施工设备的冲击锤头3对准地基中的桩位；然后，如图9中b所示，通过柴油锤的上下往复动作，击打中空杆件4顶端的夯击盘12，从而驱使冲击锤头3向下冲击挤扩土体并带动整个冲压装置在地基土体中沉入；然后，如图9中 c所示，一边进行上述冲击操作，一边向注浆装置中高压注入拌和好的水泥浆液，水泥浆液在高压喷嘴10处形成向下的高压射流冲击并润滑土体；然后，如图9中d所示，反复进行上述一边冲击一边高压注入水泥浆液的操作，直至达到设定深度，从而在地基中形成桩孔；然后，如图9中e所示，一边向上提升冲压装置，一边向输料装置内加压输送混凝土16，混凝土16从出料口6注入桩孔；然后，如图9中f所示，持续进行上述一边提升冲压装置一边输送混凝土16的操作，直至将冲压装置提出地基表面，在桩孔中形成混凝土桩16；最后，如图9中g所示，在混凝土桩身16的中心位置，向下反插钢筋笼17至设计深度，完成该混凝土桩的施工。

图10是本发明的混凝土桩的施工方法的另一个较佳实施例的工序示意图，该实施例的混凝土桩的施工设备采用如图6所示的结构方式；首先，如图10中a所示，将该混凝土桩的施工设备的冲击锤头3对准地基中的桩位；然后，如图10中b所示，通过柴油锤的上下往复动作，击打中空杆件4顶端的夯击盘12，从而驱使冲击锤头3向下冲击挤扩土体并带动整个冲压装置在地基土体中沉入；然后，如图10中c所示，反复进行上述冲击挤扩土体的操作，直至达到设定深度，从而在地基中形成桩孔，并且由于冲压装置中扩径部15挤压浅表土体，所形成的桩孔自然带有上部的扩径；然后，如图10中d所示，一边向上提升冲压装置，一边向输料装置内加压输送混凝土16，混凝土16从出料口6注入桩孔；然后，如图10中e所示，持续进行上述一边提升冲压装置一边输送混凝土16的操作，直至将冲压装置提出地基表面，在桩孔中形成上部带有扩径的混凝土桩16；最后，如图10中f所示，在混凝土桩16的桩顶表面铺设砂石垫层18，形成复合地基。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。