桩工机械施工作业-筑路机械应用

1.柴油打桩机的应用

柴油桩锤的特点是构造简单，使用方便，不像振动桩锤需要外接电源，它所需要的燃料就装在它的气缸外面的油箱里。因此，柴油桩锤成为目前广泛采用的打桩设备。我国已制定了柴油桩锤系列标准（见表3-2）。

表3-2　柴油桩锤系列标准

柴油桩锤的另一特点是，地层越硬，桩锤跳得越高，即柴油桩锤可自动调节冲击力。地层软时，由于贯入度（每打击一次桩的下沉量，一般用mm表示）过大，燃油不能爆发或爆发无力，桩锤跳不起来，反而使工作循环中断。这时只好重新启动，甚至要将桩打入一定深度后，才能正常工作。所以，在软土地使用柴油桩锤时，开始一段效率较低。若在打桩作业过程中发现桩的每次下沉量很小，而柴油桩锤又确无故障时，说明此型号桩锤规格太小，应换大型号桩锤。过小规格的桩锤作业效率低，而用过大的油门试图增大落距和增大锤击力的做法，对生产效率提高不大，还往往将桩打坏。一般要求是重锤轻击，即锤应偏重，落距宜小，而不是轻锤重击。另外，柴油桩锤打斜桩效果较差。若打斜桩时，桩的斜度不宜大于30°。

2.振动沉拔桩机的应用

振动沉拔桩机的结构简单、辅助设备少、工作效率高、质量轻、体积小、对桩头的作用力均匀而使桩头不易损坏，还可以用来拔桩，因此已得到广泛使用。

桥梁工程中已广泛采用振动沉桩法施工来解决板桩、钢管桩、钢筋混凝土桩和管桩的施工问题。振动沉桩工作效率决定于振幅、离心力和静压力，振幅是决定沉桩速度的主要因素，理想的振幅是10～20 mm。过大的振幅不但消耗动力多，而且机械工作不平稳。沉桩作业时，作用在桩身单位断面面积上的静压力对桩的下沉也有很大的影响，只有当静压力（包括桩的自重）超过某值时，才发生沉桩现象，振动沉桩机必须有足够的重量，必要时还应附加配重。

振动沉拔桩机不仅可进行垂直沉桩作业（见图3-33），还可进行沉斜桩作业。

图3-33　振动沉拔桩作业

1—动力装置；2—操纵杆；3—电线；4—弹性悬挂装置；5—隔振器；6—电动机；7—偏心块。

3.钻孔灌注桩施工方法

根据所选护壁形成的不同，灌注桩的施工有泥浆护壁施工法和全套管施工法两种。

1）泥浆护壁施工法

冲击钻孔、冲抓钻孔和回转钻削成孔等均可采用泥浆护壁施工法。该施工法的过程是：平整场地→泥浆制备→埋设护筒→铺设工作平台→安装钻机并定位→钻进成孔→清孔并检查成孔质量→下放钢筋笼→灌注水下混凝土→拔出护筒→检查质量。施工顺序如图3-34所示。

图3-34　泥浆护壁钻孔灌注桩施工顺序

1—泥浆泵；2—钻机；3—护筒；4—泥浆；5—钻杆；6—钻头；7—沉淀泥浆；8—隔水塞；9—导管；10—钢筋笼；11—混凝土。

（1）施工准备

施工准备包括选择钻机、钻具，场地布置等。

钻机是钻孔灌注桩施工的主要设备，可根据地质情况和各种钻孔机的应用条件来选择。

（2）钻孔机的安装与定位

安装钻孔机的基础应稳固，否则施工中易产生钻孔机倾斜、桩倾斜和桩偏心等不良影响。对于地层较软或有坡度的地基，可用推土机推平，再垫上钢板或枕木加固。

钻孔中心位置应准确选定并正确安装钻孔机，以确保桩位准确。对于有钻塔的钻孔机，先利用钻机本身的动力与附近的地笼配合，将钻杆移动大致定位，再用千斤顶将机架顶起，准确定位，使起重滑轮、钻头或固定钻杆的卡孔与护筒中心在一垂线上，以保证钻机的垂直度。钻机位置的偏差不得大于2 cm。对准桩位后，用枕木垫平钻机横梁，并在塔顶对称于钻机的轴线上拉上缆风绳。

（3）埋设护筒

钻孔成败的关键是防止孔壁坍塌。当钻孔较深时，地下水位以下的孔壁土在静水压力的作用下会向孔内坍塌，甚至发生流沙现象。钻孔内若能保持比地下水位高的水头，增加孔内静水压力，能稳定孔壁、防止坍孔。同时，护筒还有隔离地表水、保护孔口地面、固定桩孔位置和为钻头导向的作用。

制作护筒的材料有木、钢、钢筋混凝土3种。护筒要求坚固耐用，不漏水，其内径应比钻孔直径大（旋转钻约大20 cm，潜水钻、冲击或冲抓锥约大40 cm），每节长度为2～3 m。一般常用钢护筒。

（4）泥浆制备

钻孔泥浆由水、黏土（膨润土）和添加剂组成。泥浆具有浮悬钻渣、冷却钻头、润滑钻具、增大静水压力，并在孔壁形成泥皮、隔断孔内外渗流、防止坍孔的作用。调制的钻孔泥浆及经过循环净化的泥浆均应有适当的稠度。泥浆太稀，排渣能力小，护壁效果差；泥浆太稠，会削弱钻头冲击功能，降低钻进速度。泥浆稠度应根据钻孔方法和地层情况来确定。

（5）钻孔

钻孔是一道关键工序，在施工中必须严格按照操作要求进行，才能保证成孔质量。首先要注意开孔质量，为此必须对好中线及垂直度，并压好护筒。在施工中要注意不断添加泥浆和抽渣（冲击式用），还要随时检查成孔是否有偏斜现象。采用冲击式或冲抓式钻机施工时，附近土层因受到振动而影响邻孔的稳固，所以钻好的孔应及时清孔，下放钢筋笼和灌注水下混凝土。钻孔的顺序也应事先规划好，既要保证下一个桩孔的施工不影响上一个桩孔，又要使钻机的移动距离不要过远和相互干扰，一般可采用如图3-35所示的顺序钻孔。

图3-35　钻机钻孔顺序

（6）清孔

钻孔的深度、直径、位置和孔形直接关系到成桩质量与桩身曲直。为此，除了钻孔过程中密切观测监督外，在钻孔达到设计要求深度后，应对孔深、孔位、孔形、孔径等进行检查。在终孔检查完全符合设计要求时，应立即进行孔底清理，避免隔时过长以致泥浆沉淀，引起钻孔坍塌。对于摩擦桩，当孔壁容易坍塌时，要求在灌注水下混凝土前沉渣厚度不大于30 cm；当孔壁不易坍塌时，不大于20 cm。对于柱桩，要求在射水或射风前，沉渣厚度不大于5 cm。清孔方法视使用的钻机不同而灵活应用。通常可采用正循环旋转钻机、反循环旋转钻机、真空吸泥机以及抽渣筒等清孔。其中用吸泥机清孔，所需设备不多，操作方便，清孔也较彻底，但在不稳定土层中应慎重使用。

（7）灌注水下混凝土。

清孔之后，就可将预制的钢筋笼垂直吊放到孔内，定位后要加以固定，然后用导管灌注混凝土，灌注时混凝土不要中断，否则易出现断桩现象。

2）全套管施工法

全套管施工法的施工顺序如图3-36所示。其一般施工过程是平整场地→铺设工作平台→安装钻机→压套管→钻进成孔→安放钢筋笼→放导管→浇筑混凝土→拉拔套管→检查成桩质量。

图3-36　全套管施工法的施工顺序

全套管施工法的主要施工步骤除不需泥浆及清孔外，其他步骤与泥浆护壁法都类同。压入套管的垂直度，取决于挖掘开始阶段5～6 m深时的垂直度。因此应该随时用水准仪及铅垂校核其垂直度。

4.桩工机械的选用

1）预制桩施工机械的适用范围及选用

（1）适用范围

预制桩施工机械的适用范围见表3-3。

表3-3　预制桩施工机械适用范围

（2）柴油桩锤的选用

选择桩锤的主要依据是桩的承载能力。在打桩过程中，沉桩阻力随桩的下沉而不断增加，沉桩到位时的阻力R（称为终沉阻力）应不小于桩的极限承载力P。P为土建设计数据，一般为桩的容许承载力的2倍。在实际应用中，一般以每10击桩的下沉量小于5 mm（称最终贯入度）为桩停止下沉的标志，并认为此时作用在桩上的沉桩力（即桩锤的冲击力）等于终沉阻力R。显然沉桩力与桩锤的冲击动能有关，桩锤冲击动能E越大，沉桩力也就越大。因此，终沉阻力R与桩锤冲击动能E有关，其关系用式（3-1）确定：

式中　R——终沉阻力，kN；

E——桩锤冲击动能，kJ；

W——冲击部分重量，kN；

H——冲击部分跳起高度（即行程），m；

S——最终贯入度，mm；

C1——锤击时桩帽、桩头的弹性变形（见表3-4），mm；

C2——锤击时桩身的弹性变形（见表3-5），mm；

C3——锤击时桩周围和端部土的弹性变形（见表3-6），mm；

η——锤击效率。(www.xing528.com)

当W≥Qε时

当W＜Qε时

其中　Q——桩重，kN；

ε——恢复系数，对无桩帽钢桩及无桩帽有垫层混凝土桩，ε＝0.5；对有桩帽有垫层混凝土桩，ε＝0.4。

表3-4　C1值

注：p1＝R/Ah，Ah为桩头截面面积。

表3-5　C2值

注：L——桩头至桩入土部分中心的距离（m）；p2＝R/Ab，Ab为桩身截面面积。

表3-6　C3值

注：p3＝R/At，At为对端承桩为桩尖水平投影面积，对摩擦桩为桩身沉入土内部分的表面积。

由式（3-1）选择柴油桩锤的步骤：先初选柴油桩锤型号（通常使W＞Q），以选得的该型号柴油桩锤的W、冲击体行程H，以及S＝5 mm代入式中进行计算，将算出的终沉阻力R与桩的极限承载力P进行比较，R略大于P时所选柴油桩锤型号即满足要求。若R＜P时，应重新选择型号，以新的W值代入式（3-1）进行计算，直到R≥P时为止。

由表3-4～表3-6查3个弹性变形C值（C1、C2、C3）时，要先计算3个p值（p1、p2、p3），而3个p值均与待求的终沉阻力R有关，此时可令R等于桩的极限承载力P，即以P代R计算三个p值，然后查出3个C值。

我国生产的筒式柴油桩锤的技术参数见表3-7。

表3-7　筒式柴油桩锤部分技术参数

（3）振动桩锤的选用

为使振动桩锤顺利沉桩，必须满足3个条件。一是振动桩锤工作振幅应不小于始沉振幅A0，A0的数值取决于振动频率、土的类别、桩的尺寸和形状；二是振动桩锤在某一振动频率下产生的激振力应不小于土对桩身侧面上的总阻力T，T的数值与桩身侧面面积及土的类别有关；三是桩的自重和振动桩锤的重量所构成的对桩的下沉压力至少不小于始沉压力p0，实际应用中要求不小于比p0大的需要下沉压力p，p0和p实际上是一种压强，其值与桩的断面形状和断面面积有关，可由实验获得。

上述3个条件可用下面3个近似公式表述：

式中　α——利用系数，对混凝土桩取0.3，对其他桩取1；

M——振动桩锤静偏心力矩，N·m；

QC——桩的自重，N；

QB——振动锤的自重，N；

A0——始沉振幅，见表3-8，m；

ω——偏心块旋转时的角速度，1/s；

g——重力加速度，m/s2；

F——桩的断面面积，m2；

p——需要下沉压力，见表3-9，MPa；

T——土对桩身侧面上的总阻力，N。

S——桩的断面周长，m；

li——从地面往下第i类土的厚度，m；

τi——从地面往下第i类土的临界阻力，见表3-10，kN/m2；

n——土层类别总数。

表3-8　始沉振幅A0（适用于饱和的砂及软的塑态黏土）

表3-9　始沉压力及需要的下沉压力

表3-10　临界阻力τ

根据式（3-2）、式（3-3）和式（3-4）可确定振动锤的M、ω、QB的适当数值，以此选择振动桩锤的型号。或先选桩锤型号，将其M、ω、QB代入以上三式验算，若满足，则可用。

2）灌注桩施工机械的适用范围及选用

如前所述，灌注桩基础施工工艺过程繁多，但在整个施工过程中，关键环节是钻孔。因此钻孔机械的选择尤为重要，工艺过程的其他机械随钻孔机械而进行配套。钻孔机械就是灌注桩基础施工的主导机械。

钻机的种类有：全套管钻机、旋转钻机、回转斗钻机、冲击钻机、螺旋钻机、冲抓钻机、潜水钻机等，各种钻机有其各自的工作特点和适用范围。因此，钻机的选择往往是顺利完成施工的重要环节。钻机的选择可根据以下原则进行。

（1）选择钻机类型时，必须根据钻孔位的地质（土及土层结构）情况结合钻机的适用能力而选型，参见表3-11。

表3-11　各种钻孔方法适用范围

（2）钻机的型号应根据设计钻孔的直径和深度结合钻机钻孔能力而定。

（3）一台钻机配备有不同形式的钻头，而钻头应根据地质结构情况进行选择。

（4）钻机的选择还应考虑钻架设立的难易程度、钻机的运输条件、钻机安装场地的水文地质、钻机钻进反力等情况，力求所选钻机结构简单、工作可靠、使用及运输方便。

（5）所选钻机生产率应符合工程进度的要求，在保证工作质量和工作进度的前提下，生产率不宜过大。因为生产率高的钻机费用高，工程造价高。

（6）一个工程队如要配备两台以上钻机时，应尽可能统一型号规格，便于管理。根据施工需要，也可配备各不同型号种类的钻机。

总之，在钻机选型时，要综合考虑各种因素，力求生产上适用，技术上先进，经济上合理。