一种无隔水栓水下灌注施工装置及其使用方法与流程

本发明涉及建筑施工技术设备领域，具体是一种无隔水栓水下灌注施工装置及其使用方法。

背景技术：

钻孔灌注桩因具有承载力高、可以穿越软硬土层及施工方便等优点，在我国沿海地区以及内地地基基础工程中被广泛使用。该方法具有施工程序简单、适用面广、易于掌握、快速、经济、效果显著等特点，在桩基施工特别是城市桩基施工中具有非常广阔的前景。

钻孔灌注桩施工方法在我国的发展已经有几十年的历史，在我国广泛使用于道路交通、基础桩基等施工中。最近四五年随着我国建筑设备机械特别是旋挖钻机设备的研发及普及，水下灌注也被逐渐认识和应用，现已广泛应用于工业与民用建筑、公路路基及机场跑道等工程中。旋挖钻机一般适用粘土、粉土、砂土、淤泥质土、人工回填土及含有部分卵石、碎石的地层。旋挖钻机及施工工艺在我国北方地区已经得到了很快普及。

水下混凝土灌注也称导管混凝土灌注，是将混凝土通过竖立的导管，依靠混凝土的自重压力进行水下灌注的方法。是钻孔成功进行水下灌注成桩质量控制中的关键工序，若灌注方法不恰当就会造成断桩或桩间夹泥等缺陷，甚至造成桩孔报废和桩基移位，从而给工程项目建设带来困难及损失。因此，在水下混凝土灌注中改进并运用合理的灌注施工控制措施以确保工程质量显得十分重要。

无隔水栓水下灌注桩法，顾名思义即在水下灌注过程中，尤其是首次灌注过程中，混凝土与水之间无隔水装置和设施，不是由混凝土带着隔水栓排出导管内的水及空气，而是直接由有强烈势能的混凝土本身将孔底的水及沉渣激起并排开。

近些年，建筑市场上很多地块地下水位较高，水下灌注混凝土技术日益成熟，但建筑市场中常出现没有采取降水措施直接将导管伸到水下进行灌注的情况，极易造成混凝土的水下离析和成桩效果欠佳、出现严重质量事故等。这就迫使新型水下灌注技术的产生，使水下灌注方法更简洁，效果更明显，工艺流程更易与其他工艺相结合。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种无隔水栓水下灌注施工装置及其使用方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种无隔水栓水下灌注施工装置，包括吊具，所述吊具通过钢丝与料斗的顶部连接，料斗的底部连接导管，导管向下延伸进入到钢筋笼的内部底端，所述料斗上的外部设有操作平台，操作平台的上部最外侧上安装有围栏，在围栏上均匀布置安装有伸缩杆，伸缩杆的顶部设有照明灯。

作为本发明进一步的方案：所述吊具包括吊环A，吊环A安装在吊臂的末端，吊臂的始端与吊环B连接，所述吊臂设有三根，两相邻吊臂之间呈120°。

作为本发明进一步的方案：所述料斗分两段，上段为圆柱状，下段为锥状，圆柱状的底部与锥状的顶部连接，在圆柱状的顶部一周均匀布置有与吊环A相对应的吊环C，圆柱状与锥状相接处的圆柱状的外侧一周均匀布置有若干销孔，所述锥状的底部出口处安装有阀门。

作为本发明进一步的方案：所述操作平台的底部设有销轴，销轴与料斗上设置的销孔对应设置。

作为本发明进一步的方案：所述导管的上端内侧设有承口，承口的内部设有承口环，导管的下端设有插口，插口处设有插口环，相邻导管通过上端导管的插口插入下端导管的承口内实现连接，在连接处的外侧设有卡箍进行固定。

作为本发明进一步的方案：所述卡箍包括两个半圆形的卡槽，两个卡槽的一端铰接另一端上设有用于使卡箍连接紧固的顶丝。

上述无隔水栓水下灌注施工装置的使用方法为：包括以下步骤：

第一步：采用吊装设备通过吊环B吊起吊具，吊具的底部通过钢丝将料斗吊起，从而将导管吊起；

第二步：将导管插入到钻孔的内部；

第三步：向料斗中注入混凝土，待混凝土注入料斗内部的量达到要灌注混凝土的量或满料斗时，打开阀门，料斗中的混凝土一次性灌入到钻孔中完成一次灌浆。

第四步：重复第三步中的操作直至灌满至满足要求。

与现有技术相比，本发明利用吊车将导管放入桩孔中，上部吊起大型料斗，料斗底部口设有阀门，并在料斗中一次性充满足够的混凝土，而后打开料斗底部阀门，料斗中混凝土一次性灌入到钻孔中，借助其自身重量产生的压力排除导管内的泥浆及空气，完成施工；这相比导管栓塞法，少了预先放置合适隔水栓的步骤，也无需对导管内壁的光滑程度做过分苛刻的要求和处理，不但避免了堵管问题，还不需过分处理导管内壁，能够省下大量的工作量和工作时间。

附图说明

图1为整体装置的结构示意图；

图2为料斗的结构示意图；

图3为吊具的结构图；

图4为操作平台的结构示意图；

图5为导管的剖视图；

图6为卡箍的结构示意图；

图7为首批混凝土灌注所需混凝土数量计算示意图；

图8为漏斗底口高出孔水面或桩顶的必须高度计算示意图。

图中：1-吊具、101-吊环A、102-吊臂、103-吊环B、2-钢丝、3-照明灯、4-伸缩杆、5-围栏、6-操作平台、601-销轴、7-料斗、701-吊环C、702-销孔、703-阀门、8-导管、801-承口环、802-承口、803-插口、804-插口环、9-钢筋笼、10-卡箍、1001-卡槽、1002-顶丝。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

请参阅图1-8，一种无隔水栓水下灌注施工装置及其使用方法，包括吊具1，所述吊具1通过钢丝2与料斗7的顶部连接，料斗7的底部连接导管8，导管8向下延伸进入到钢筋笼9的内部底端，所述料斗7上的外部设有操作平台6，操作平台6的上部最外侧上安装有围栏5，在围栏5上均匀布置安装有伸缩杆4，伸缩杆4的顶部设有照明灯3。照明灯3的设置能够方便夜间施工。

所述吊具1包括吊环A 101，吊环A 101安装在吊臂102的末端，吊臂102的始端与吊环B 103连接，所述吊臂102设有三根，两相邻吊臂102之间呈120°。

所述料斗7分两段，上段为圆柱状，下段为锥状，圆柱状的底部与锥状的顶部连接，在圆柱状的顶部一周均匀布置有与吊环A 101相对应的吊环C 701，圆柱状与锥状相接处的圆柱状的外侧一周均匀布置有若干销孔702，所述锥状的底部出口处安装有阀门703。

所述操作平台6的底部设有销轴601，销轴601与料斗7上设置的销孔702对应设置。

所述导管8的上端内侧设有承口802，承口802的内部设有承口环801，导管8的下端设有插口803，插口803处设有插口环804，相邻导管8通过上端导管的插口803插入下端导管的承口802内实现连接，在连接处的外侧设有卡箍10进行固定。

所述卡箍10包括两个半圆形的卡槽1001，两个卡槽1001的一端铰接另一端上设有用于使卡箍10连接紧固的顶丝1002。

上述无隔水栓水下灌注施工装置的使用方法为：包括以下步骤：

第一步：采用吊装设备通过吊环B吊起吊具，吊具的底部通过钢丝将料斗吊起，从而将导管吊起；

第二步：将导管插入到钻孔的内部；

第三步：向料斗中注入混凝土，待混凝土注入料斗内部的量达到要灌注混凝土的量或满料斗时，打开阀门，料斗中的混凝土一次性灌入到钻孔中完成一次灌浆。

第四步：重复第三步中的操作直至灌满至满足要求。

利用吊车将导管放入桩孔中，上部吊起大型料斗，料斗底部口处设有阀门，并在料斗中一次性充满足够的混凝土，而后打开阀门，料斗中混凝土一次性灌入到钻孔中，借助其自身重量产生的压力排除导管内的泥浆及空气，完成施工。

这相比导管栓塞法，少了预先放置合适隔水栓的步骤，也无需对导管内壁的光滑程度做过分苛刻的要求和处理。不但避免了堵管问题，仅不需过分处理导管内壁一条无隔水栓法就能省下很大的工作量和工作时间。

在操作规范、料斗高度等参数计算无误的情况下，无隔水栓水下灌注桩最终效果和质量与传统的导管栓塞法无异，在桩体的完整性和整个施工过程是否顺利等方面要优于导管栓塞法。

与导管栓塞法水下混凝土灌注相比，无隔水栓法施工方便、简单、省时省力、经济成本更低。不会产生因隔水栓安放位置不准确或导管内部有残留混凝土块等而产生堵管的情况。但要注意首次浇灌时，初灌量应将导管底端能一次埋入0.8～1.5m，并且导管内存留的混凝土高度，足以抵制钻孔内的泥浆侵入导管。

无隔水栓水下灌注桩施工工法适用条件广泛，一般采用水下灌注方式的，均应是钻机设备成孔，若地层岩土松散，钻机成孔过程中还需泥浆或护筒护壁。该法较适宜于地下水位不高的桩基工程，孔中水柱高度不宜大于10m。对于孔深方面，一般的钻孔基本都可以实施无隔水栓水下灌注法，只是孔深不能过浅（小于4m）或过深（大于20m），过浅会导致首批混凝土的灌入量太多溢出造成浪费和增加后期处理的成本；过深会因为导管内壁摩擦的原因造成下落势能减弱，影响灌注效果。孔径要求为0.6-1.0m。

通过所了解实例得出：辽宁某电厂采用此工艺，孔径0.6m，孔深8-10m，水位高度6.0m，采用此方法效果特别好；北新集团大厦基坑支护项目支护桩桩径1.0m也很好的采用了这种方法并取得良好效果。

无隔水栓水下灌注桩法，是使用吊装设备，将导管起吊到一定的高度，在料斗中一次性充满足够的混凝土，待混凝土足够后，将料斗底部盖板或临时栓塞打开，料斗中混凝土一次性灌入到钻孔中，在接触到泥浆的瞬间，巨大的冲击能量产生很高的冲击压力，排除导管内的泥浆，从而起到排出导管内泥浆的作用。

无隔水栓水下灌注桩法的原理比较简单。上部料斗中收集足够埋住底部导管管口的混凝土量，而后一次性灌入到钻孔中，充满导管的混凝土的势能瞬间转化成动能，混凝土在高速下落的过程中，与导管中的泥浆接触，借助混凝土自身重量产生的压力将导管内的泥浆和水挤到导管外部，再配合导管的上提，完成整个桩体的灌注作业。

无隔水栓水下灌注桩法施工原理的相关计算：

按照导管初次埋置深度h2=1.5m，填充导管底部间隙h3=0.5m，孔内静止水位至桩底最大深度为10m，孔内泥浆和水混合重度为γ浆=12N/m³，混凝土重度γ砼=24N/m³计算。

1、首批混凝土灌注所需混凝土数量计算：

其所需要的混凝土的数量按下式计算（如图7）：

H砼=h2-h3=1.5+0.5=2.0m

h1≥γ浆H浆/γ砼=12*（10-2）/24=4.0m

V首≥πr²h1+πR²H砼=π*0.125²*4+π*0.5²*2=1.77m³

式中：V：首次混凝土所需数量m³；

r：导管半径m；

R：桩孔半径m；

H砼：灌注首批混凝土时所需井孔内混凝土面至孔底的高度m；

h1：井孔混凝土面高度达到H砼时，导管内混凝土的高度m；

h2：导管初次埋置深度m；

h3：导管底端距钻孔底部距离m；

H浆：井孔内混凝土面以上泥浆和水混合物的深度m。

2、首批混凝土下落的冲击能：

E=0.5m*v²（其中v=gt，冲击力F=mg）

因此E冲击=0.5*（ρV1+ρV2）*（gt）²=0.5*（2.4*1000kg/m³*2m*0.5²*3.14+2.4*1000kg/m³*4m*0.125²*3.14）*（10*）²=317925J

式中：E冲击：混凝土在水面上5.0m处下落的冲击能J；

m：首批混凝土质量kg；

v：混凝土下落速度m/s

t：混凝土下落时间s

V1：管外混凝土高度下孔内的混凝土体积m³；

V2：除去管外混凝土高度下的管内混凝土体积m³。

3、灌注漏斗高度的计算：

在灌注末期，漏斗底口高出孔水面或桩顶的必须高度计算（如图8）：

h砼≥（Pc+γ浆H浆）/γ砼=（150+12*1）/24=6.75m

式中：h砼：井内混凝土面以上，导管内混凝土（计算至漏斗底口）高度m；

Pc：使导管内混凝土下落至导管底并将导管外的混凝土顶升时所需要的超压力。；

H砼：井孔内混凝土面以上的泥浆与水混合物深度m。

主要参数表：

上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下做出各种变化。