本发明涉及一种应用于软基工程中的预制桩，特别涉及一种混凝土管桩装置及其施工方法。
背景技术：
管桩是一种预制的工程桩，主要用于桩基工程，能够提高地基与基础的承载力，目前常用的主要是预应力高强混凝土管桩。现有技术中对于混凝土管桩的施工方法有捶打法、旋转压入法、内部挖掘法等，在这些施工方法中，管桩均会受到地基阻力。
传统的管桩外形多为直线型，在初期施工中管桩前端仅会受到纯截面上的承压阻力，随着打桩长度变长后，砂土进入到管桩内部导致管桩的内周面与地基之间的摩擦力增大导致施工难度就大幅提高。
技术实现要素：
本发明的第一个目的是提供一种混凝土管桩装置，在受到外部的轴向力时端部可进行转动，可大幅减少管桩在推进过程周面与地基之间的摩擦力，提高了施工效率。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种混凝土管桩装置，包括：
桩体，内部具有与外界连通的腔室；
管桩头，连接于桩体的端部并可相对桩体发生转动，所述管桩头内部开设有与腔室连通的容置槽；
驱动机构，包括穿设于腔室内并可沿腔室发生轴向位移的驱动杆以及可由驱动杆沿腔室在轴向往复运动过程中带动管桩头相对桩体发生转动的驱动部，所述驱动部包括均布在容置槽内壁上的若干第一驱动块以及均布驱动杆外壁上的若干第二驱动块，所述第一驱动块具有楔形面，所述第二驱动块具有一前端部，所述前端部可施力于楔形面上驱动管桩头的转动。
通过采用上述技术方案，在对混凝土管桩装置进行打桩时，驱动杆会受到外部作用力沿腔室发生轴向位移，位移过程中驱动杆上的第二驱动块前端部冲击到管桩头内部第二驱动块的楔形面上，使得管桩头被驱动发生周向转动，驱动杆以往复运动的形式不断的驱动管桩头发生周向转动，进而使得整个管状装置以旋转加推进方式进入到地面下，减少打桩过程中与地基之间的阻力，降低施工难度同时提升施工效率。
作为优选地，所述管桩头的外壁上还设置有呈螺旋状的刀刃，所述管桩头的旋转方向与刀刃的钻进方向相同。
通过采用上述技术方案，首先在管桩头外壁上设置呈螺旋状的刀刃更好减少管桩头与地基之间阻力，尤其是管桩头的外壁与地面下土壤之间阻力，使得整个管桩装置在螺旋推进过程中更为顺畅；其次刀刃在由管桩头带动时，以刀刃前端缘为中心进行旋转，此时地基会受到刀刃的旋转力矩作用，而反过来刀刃会受到方向与旋转力矩相反的反作用，防止整个管桩装置发生偏心，起到一定的纠偏作用，保证施工的质量。
作为优选地，所述刀刃的外径小于或者等于桩体的外径。
通过采用上述技术方案，整个管桩装置在螺旋推进过程中，刀刃与地基存在一定阻力，外径越大表面积就越大，进而会受到阻力也就越大，而将刀刃的外径缩小后能减少与地基之间的阻力，同时刀刃在旋转过程中可以将部分土壤顺势推送至桩体的外围，进而桩体在推进过程中能减少与土壤之间的阻力，更好的提高施工效率。
作为优选地，所述腔室内设置有迫使驱动杆始终具有从远离管桩头的腔室一侧脱离的弹性件，所述驱动杆的端部从桩体的腔室内延伸而出。
通过采用上述技术方案，驱动杆在每次冲击后会在弹性件的作用下进行复位，保证下次的冲击，并且驱动杆的端部要伸出于桩体的端面使得作用在管桩装置的轴向力首先能够冲击到驱动杆上，使得管桩头相对管桩轴向推进前发生周向旋转，同时初步带动整个管桩装置进行轴向位移，此后桩体再受到轴向力大幅进行轴向推进，提高施工效率。
作为优选地，所述桩体内还设置有纠偏机构，所述纠偏机构包括至少一个套设在驱动杆上且沿驱动杆轴向层叠的纠偏件，所述纠偏件包括与驱动杆外壁抵接的密封部以及迫使密封部始终具有往驱动杆一侧运动趋势的间隙补偿部。
通过采用上述技术方案，在对整个管桩进行打桩过程中，外部的冲击力必须除了强度大外速度还必须要快，而驱动杆相对桩体的直径要小，容易在轴向位移时发生偏心现象，此时利用多个纠偏件将驱动杆抱紧，通过纠偏件上的密封部与驱动杆的外壁紧贴，首先提高了驱动件导向性，其次将腔室与外界隔离，减少垃圾杂物进入到桩体内，影响后续的灌装施工提高施工质量，最后还利用与密封部连接的间隙补偿部保证密封部始终紧贴在驱动件的外部，在提高腔室密封性的同时利用间隙补偿部弹性力始终保持驱动杆处于腔室的中心位置，起到良好的纠偏作用，提高施工质量。
作为优选地，所述间隙补偿部包括至少一个呈倒v形的波纹段。
通过采用上述技术方案，利用呈v形的波纹段提供对密封部的弹性力，波纹段的个数越多所能调节间隙就越大，可适用于不同驱动杆直径与施工工况，降低施工难度。
作为优选地，所述纠偏件还包括与间隙补偿部相连的支撑部，所述支撑部的下端面设置有垂直向外延伸的卡接环，所述支撑部的上端面开设有供卡接环卡设的限位槽。
通过采用上述技术方案，相邻的两纠偏件互相层叠，并利用其中一纠偏件上的卡接环卡设进入在相邻纠偏件上的限位槽内实现两者的径向限位，提高整个纠偏机构对驱动杆的导向与纠偏性能；其次相邻两纠偏件的互相卡设层叠还能提高轴向上的抗压力，提高整个纠偏机构的使用寿命。
作为优选地，所述管桩头包括位于端部的凸台，所述桩体的端部开设有供凸台部分容置的第一安装槽，所述第一安装槽与凸台之间设置有推力轴承；所述桩体包括设置在端部的两调整块，所述调整块开设有供凸台剩余部分容置的第二安装槽。
通过采用上述技术方案，管桩头上的凸台分别卡设在桩体与两调整块之间，首先实现了管桩头与桩体之间的相对转动；其次利用推力轴承减少管桩头与桩体之间相对摩擦磨损，同时两推力轴承能够承受较大轴向力，提高了整个管桩装置的使用寿命，而设置两个分体的调整块除了为凸台外，还能起到对凸台水平的定位，通过设计不同粗糙度或者截面形状来互补凸台加工精度的问题，进而提高了管桩头转动的精度，防止发生偏心转动，提高施工质量。
本发明的第二个目的是提供一种利用混凝土管桩装置的施工方法，采用旋转推进方式大幅减少管桩在推进过程周面与地基之间的摩擦力，提高了施工效率。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种使用所述的混凝土管桩装置的施工方法，包括以下步骤：
步骤1、测放桩位：桩位放线应根据场地控制桩进行施放，桩位放线时应根据设计要求，首先确定桩的位置相对坐标，将桩位中心位置用竹签打入地面下500mm，用生石灰线将桩径圈定；
步骤2、桩机就位：采用柴油打桩机，将混凝土管桩装置吊入打桩机内，将管桩头定位于桩位中心；
步骤3、打桩：混凝土管桩装置定位后，开始沉桩，桩锤与桩体和管桩头中心线重合，打桩过程中桩锤首先冲击驱动杆，使得驱动杆快速的缩进到桩体的腔室内，驱动杆上的第二驱动块的前端部作用到第一驱动块的楔形面上挤压第一驱动块，推动管桩头相对桩体发生转动，同时桩锤冲击到桩体上整体推动混凝土管桩装置打入地下，桩锤反复进行锤击直到混凝土管桩装置达到标高位置；
步骤4、灌混凝土：向腔室填灌封底混凝土，并敲击桩体将粘挂在腔室内壁的混凝土振下并将混凝土振捣密实；
步骤5、桩头切割：土方挖至基底设计标高后，把多余的桩体切割或凿至比基础底标高高出100mm。
通过采用上述技术方案，利用锤击法在对混凝土管桩装置进行打桩时，首先桩锤冲击到驱动杆上使其驱动管桩头相对桩体提前发生转动，随后当驱动杆的端部完全进入到桩体的腔室内后桩锤冲击到桩体的端部使得整个混凝土管桩装置进行轴向推进，由于桩锤的冲击力以及冲击速度较快，管桩头的旋转与整个混凝土管桩装置的推进几乎同时进行，大幅降低了混凝土管桩装置在打桩过程中与地基之间阻力，同时还提高了施工效率。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、通过设置一根穿设在桩体内的驱动杆，并利用该驱动杆在腔室内往复的轴向运动，驱动管桩头相对桩体进行转动，同时桩体在冲击下发生轴向推进，以旋转配合直线推进方式大幅降低了与地基之间的阻力，提高了施工效率；
2、通过在桩体内设置纠偏机构配合管桩头外壁上呈螺旋状设置的刀刃有效的防止了整个管桩装置轴向推进过程中产生的偏心现象，提高了施工质量。
附图说明
图1为实施例一中混凝土管桩装置的剖视图；
图2为实施例一中混凝土管桩装置处于其中一视角上各部件的分解示意图；
图3为实施例一中混凝土管桩装置处于另一视角上各部件的分解示意图；
图4为实施例一中管桩头的俯视图；
图5为实施例一中驱动杆上第二驱动块的结构示意图；
图6为实施例一中多个纠偏件与驱动杆之间的安装示意图。
图中：1、桩体；11、腔室；12、纠偏槽；13、压盖；14、第一安装槽；15、调整块；151、第二安装槽；2、管桩头；21、刀刃；22、容置槽；23、第一驱动块；231、楔形面；24、凸台；3、驱动杆；31、抵接块；32、活动限位块；33、第二驱动块；331、前端部；4、纠偏机构；41、纠偏件；411、支撑部；412、间隙补偿部；413、密封部；414、卡接环；415、限位槽；5、弹性件；6、推力轴承。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例一
参阅图1，一种混凝土管桩装置，包括呈柱形的桩体1以及连接于桩体1下端并可相对桩体1发生转动的管桩头2。桩体1内部开设有截面呈圆形的腔室11，腔室11的下端与外部连通，腔室11的上端连通有同样截面呈圆形的纠偏槽12，纠偏槽12的直径要大于腔室11的直径使得两者在连接处形成一阶梯面，纠偏槽12内安装有纠偏机构4，纠偏机构4通过与桩体1上端面连接的压盖13进行轴向限位。
混凝土管桩装置还包括一驱动机构，该驱动机构包括一根截面呈柱形的驱动杆3，驱动杆3穿设于腔室11内并可沿腔室11的轴向发生位移，此外驱动杆3的上端部分从腔室11内延伸而出，整个纠偏机构4连接在驱动杆3的上端部分。
共同参阅图1至图3，管桩头2的上端具有一圆形的凸台24且在管桩头2的外壁上设置有呈螺旋状的刀刃21，具体的刀刃21螺旋方向为右螺旋，即管桩头2的旋进方向a为顺时针方向。另外，刀刃21外径d1等于或者小于桩体1外径d2，此处所谓的刀刃21外径d1与桩体1外径d2指代刀刃21或者桩体1的水平投影外缘上两点的最大连线距离。
管桩头2的内部开设有朝向桩体1一侧为敞口且截面呈圆形的容置槽22，管桩头2在与桩体1连接后容置槽22与腔室11互相连通，特别的容置槽22的直径与腔室11的直径相同，驱动杆3在沿腔室11发生位移时其端部可进入至容置槽22中。
桩体1朝向管桩头2的一端面上开设有第一安装槽14，第一安装槽14内安装有推力轴承6，凸台24的上端面抵接在推力轴承6上，并凸台24的部分收容在第一安装槽14内；凸台24露出于第一安装槽14的部分收容在两调整块15所开设的第二安装槽151内，两调整块15为镜像设置，通过螺钉固定于桩体1的下端面处，实现管桩头2与桩体1的连接。
驱动杆3在其外壁上还套设有一弹性件5，该弹性件5优选为压缩弹簧，其中弹性件5的一端抵接在与驱动杆3一体制成的抵接块31上，另一端抵接在通过焊接方式固定于腔室11内壁上的活动限位块32处，抵接块31与活动限位块32两者将弹性件5的限位于腔室11内；另外，活动限位块32于腔室11内的垂直高度位置决定了弹性件5初始状态的压缩量，此处所谓的初始状态指代弹性件5不受任何外力的情况下。
共同参阅图2、图4与图5，驱动机构还包括一驱动部，驱动部包括均匀设置在容置槽22内壁上的四块第一驱动块23以及均匀设置在驱动杆3外壁上的第二驱动块33，多个第一驱动块23处于同一水平面上，同样多个第二驱动块33处于同一水平面上。第一驱动块23具有一楔形面231，楔形面231由管桩头2的端部朝向凸台24一侧方向倾斜。第二驱动块33包括朝向管桩头2一侧的前端部331，该前端部331的截面大致呈三角形，驱动杆3在沿腔室11发生轴向位移时，上述的前端部331可冲击到第一驱动块23的楔形面231上，迫使第一驱动块23带动整个管桩头2按照旋进方向a进行转动。特别的，第一驱动块23与第二驱动块33的数量影响到管桩头2每次转动的角度。
参阅图6，纠偏机构4包括多个互相层叠的纠偏件41，该纠偏件41包括呈圆筒状的支撑部411、连接在支撑部411下方且向内部延伸的间隙补偿部412以及连接间隙补偿部412上的密封部413，其中密封部413由弹性材料制成，且与驱动杆3的外部紧贴。支撑部411的下端面上设置有卡接环414，支撑部411的上端面开设有供卡接环414卡设的限位槽415，多个纠偏件41利用卡接环414与限位槽415的配合起到定位与径向限位作用。
实施例二
一种使用实施例一中混凝土管桩装置的施工方法，具体包括以下步骤：
步骤1、测放桩位
桩位放线应根据场地控制桩进行施放，桩位放线时应根据设计要求，首先确定桩的位置相对坐标，将桩位中心位置用竹签打入地面下500mm，用生石灰线将桩径圈定。
步骤2、桩机就位
采用柴油打桩机，将混凝土管桩装置吊入打桩机内，将管桩头2定位于桩位中心。
步骤3、打桩
混凝土管桩装置定位后，开始沉桩，桩锤与桩体1和管桩头2中心线重合，打桩过程中桩锤首先冲击驱动杆3，使得驱动杆3快速的缩进到桩体1的腔室11内，驱动杆3上的第二驱动块33的前端部331作用到第一驱动块23的楔形面231上并挤压第一驱动块23，推动管桩头2相对桩体1发生转动，同时桩锤冲击到桩体1上整体推动混凝土管桩装置打入地下，桩锤抬升后驱动杆3在弹性件5的作用下快速复位，反复进行锤击直到混凝土管桩装置达到标高位置，并最后按照设计和试桩确定的收锤标准收锤。
步骤4、灌混凝土
拆下压盖13一级安装在桩体1内的纠偏机构4，向腔室11填灌封底混凝土，并同时敲击桩体1将粘挂在腔室11内壁的混凝土振下并将混凝土振捣密实。
步骤5、桩头切割
土方挖至基底设计标高后，把多余的桩体1与驱动杆3切割或凿至比基础底标高高出100mm。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。