CN102383731A - 高压水射流成孔工具、装置以及灌注桩施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高压水射流成孔工具、装置以及灌注桩施工方法，该工具、装置以及灌注桩施工方法利用高压水射流切割含有岩体卵石等的坚硬地层、冲松砂土、减小土体对套管的阻力，从而使套管可以被轻易连续地压入土中成孔。在成孔过程中，套管可以保护孔壁，而高压水射流不仅可以切割砂土，同时与套管中土体形成自动溢出的泥浆。成孔后，在套管内吊放钢筋骨架、浇注混凝土，最后拔出套管。这种施工工具、装置和方法适用于穿越含孤石、卵石、岩石砂层、强风化泥岩等的坚硬地层，其优点是，制成的桩基质量稳定、施工过程简便、对套管强度要求较低、能耗小、施工噪声小、安全系数高、套管可回收、以及节省投资。

Description

高压水射流成孔工具、装置以及灌注桩施工方法

技术领域

本发明涉及建筑工程中的桩基础领域，具体地说，涉及一种桩孔成孔工具、装置以及形成灌注桩的施工方法。

背景技术

随着工用和民用建筑的不断发展，高层建筑逐渐增多，同时建筑施工过程中遇到各种坚硬地层(如含有孤石、卵石、岩石、强风化泥岩等的地层)的机会增多。在此类坚硬地层上建设高层建筑时，因天然地基的承载力偏低、地层不均匀，需要在这些地基上设置桩子。通常是采用冲击成孔、灌注成桩的方法来设置桩子。

最初的灌注桩采用泥浆护壁的方法保护桩孔，防止孔壁坍塌。这种泥浆护壁灌注桩污染环境，并且灌注后不能充分地置换泥浆护壁。目前，一种锤击双套管成孔的施工方法逐渐应用在灌注桩施工中。该成孔施工方法使用的装置包括外套管、内套管、圆形板、重锤底座和重锤，其中，外套管的底端开口，内套管的底端封闭。在施工时，将外套管立于地面，并使内套管置于外套管内，然后将圆形板置于内外套管的顶端，并将重锤底座置于圆形板上。接着，启动重锤，锤击重锤底座，使内外套管同时沉入地层中。由于内套管的底端是封闭的，因此，在内外套管下沉成孔的过程中，内套管将孔底的土石挤向四周。当内外套管下沉预定的深度后，停止锤击，抽出内套管。然后向外套管中灌注混凝土，此时，外套管作为桩孔的护壁。当桩孔中灌注的混凝土达到一定的硬度后，缓慢匀速地拔出外套管，并用振动棒对桩体进行振捣，这样就形成了灌注桩。其中，如果要形成钢筋混凝土灌注桩，则在抽出内套管后，先将钢筋笼放入外套管内，然后再向外套管内灌注混凝土。这种方法是一种沉管挤密方法，成孔时不出土，从而使桩间土的密实度大大提高。

另外，在一种改进的双套管成孔施工方法中，内套管的底端也是开口的，并安装有取土活叶。在沉管到预定深度时，关闭内套管上的取土活叶，并拔出内套管，以实现内套管取土。在卸土时，打开取土活叶即可。这种方法避免了沉管过程中出现挤土，大大增加了套管穿透地基的能力，并对土体周围的建筑影响很小。

上述方法都能保证桩基的承载力，同时在施工过程中污染小、速度快。但其施工过程比较繁琐、套管强度要求很高、能耗大、使用的套管多，施工噪声较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高压水射流成孔工具、装置、以及使用该装置进行灌注桩施工的方法，以解决现有灌注桩施工过程繁琐、套管强度要求高、能耗大、使用套管多、施工噪声大的问题。

根据本发明的一个方面，提供一种高压水射流成孔工具，其包括：套管；至少一个直钢管，每个直钢管焊接在所述套管的内壁上，并从所述套管的上端附近延伸至不超过该套管底面的下端附近；环状钢管，焊接在所述套管的内壁下端附近并与所述至少一个直钢管的下端密封连通；以及多个喷嘴，方向朝下均匀地设置在所述环状钢管上并与所述环状钢管密封连通。

优选地，所述喷嘴直径可以为0.1mm～2mm；所述喷嘴距离所述套管下端可以为2cm至20cm；喷嘴开口方向与竖直方向夹角可以为大于等于0°且小于等于45°。

优选地，所述套管可以包括多段套管，所述至少一个直钢管中每个直钢管可以包括多段直钢管，所述多段直钢管中相邻两个直钢管的端部密封连通，所述多段套管中相邻两个套管的端部相连接。进一步优选地，所述多段直钢管中相邻两个直钢管的端部可以采用快速接头密封连通，所述多段套管中相邻两个套管的端部可以采用焊接方式连接。

另一方面，本发明提供一种高压水射流成孔装置，其包括：高压水产生单元，用于产生高压水，并通过至少一个水管将所产生的高压水输出；上述任一高压水射流成孔工具，该高压水射流成孔工具中的每个直钢管的上端与所述高压水产生单元中的一个水管密封连通；套管夹持器，设置在所述高压水射流成孔工具中的套管的上端，并设有通孔以使所述套管的内部暴露出来；以及夹具，用于将所述套管夹持器与所述套管夹住。

再一方面，本发明提供一种灌注桩施工方法，其包括下述施工步骤：(1)将上述的高压水射流成孔装置建立在待成孔地面上，使所述高压水射流成孔工具中的喷嘴朝下；(2)由高压水产生单元提供具有预定压强的水流，并通过喷嘴喷出高压水射流；(3)在高压水射流切割坚硬地层、冲松砂土的同时，在套管夹持器上施加向下的压力，使套管沉入地层中，套管中的砂土与高压水射流混合所形成的泥砂浆自动从套管上端排出；(4)当套管上端到达预定高度时，关闭高压水产生单元，并撤去施加在套管夹持器上的压力；(5)清理套管内的沉碴；(6)在套管内吊放钢筋笼；(7)浇注混凝土；(8)通过锤击或者振动方式拔出套管，成桩。

在步骤(4)和步骤(5)之间还可以包括下述步骤：(a)取下夹具和套管夹持器；(b)在套管和直钢管的上端分别续接另一段套管和另一段直钢管，其中，所述两个直钢管的端部采用快速接头密封连通，所述两个套管的端部采用焊接方式连接；(c)在最上面的套管的上端安装套管夹持器和夹具；(d)重复步骤(2)-(4)；(e)重复步骤(a)-(d)，直到预定数目的套管和直钢管沉入地层中为止。

优选地，所述高压水产生单元的压力可以大于200Mpa；喷嘴喷出的高压水射流速度可以为200～1000m/s。

如上所述，本发明所提供的高压水射流成孔工具、装置以及灌注桩施工方法利用高压水射流切割含有岩体卵石等的坚硬地层、冲松砂土、减小土体对套管的阻力，从而使套管可以被轻易连续地压入土中成孔。在成孔过程中，套管可以保护孔壁，而高压水射流不仅可以切割砂土，同时与套管中土体形成自动溢出的泥浆。成孔后，在套管内吊放钢筋骨架、浇注混凝土，最后拔出套管。这种施工工具、装置和方法适用于穿越含孤石、卵石、岩石砂层、强风化泥岩等的坚硬地层，其优点是，制成的桩基质量稳定、施工过程简便、对套管强度要求较低、能耗小、施工噪声小、安全系数高、套管可回收、以及节省投资。

附图说明

图1是剖面示意图，示出了本发明的一个实施例所述的高压水射流成孔工具；

图2是剖面示意图，示出了本发明的另一个实施例所述的高压水射流成孔工具；以及

图3是剖面示意图，示出了本发明的一个实施例所述的高压水射流成孔装置；

具体实施方式

下面将参考附图来描述本发明所述的高压水射流成孔工具、装置以及灌注桩施工方法的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。

图1是剖面示意图，示出了本发明的一个实施例所述的高压水射流成孔工具。如图1所示，本发明的一个实施例所述的高压水射流成孔工具10包括套管11、至少一个直钢管12，环状钢管13以及多个喷嘴14。

每个直钢管12焊接在套管11的内壁上，并从套管11的上端附近延伸至不超过该套管底面的下端附近。这里，所述上端附近是指既可以超出也可以不超出套管11的上端端面。在图1的例子中，直钢管12的上端超出了套管11的上端端面。

环状钢管13焊接在套管11的内壁下端附近并与每个直钢管的下端密封连通。这里，密封连通是指高压水能够从直钢管无泄漏地流动到环状钢管中。

多个喷嘴14方向朝下均匀地设置在环状钢管13上并与环状钢管13密封连通。这里，密封连通是指高压水能够从环状钢管13无泄漏地流动到喷嘴14中，并从喷嘴14喷出，形成水射流。在实践中，可以根据套管11的直径确定喷嘴14的数量，使得每个喷嘴喷出的水射流的作用区域既不相距太远，也不必重叠。例如，在一个例子中，对于直径为850mm的套管11，可设置6个喷嘴14。另外，优选地，喷嘴14的直径可以取为0.1mm～2mm，喷嘴14距套管11底面的距离可以取为2cm至20cm，喷嘴14的开口方向与竖直方向的夹角可以取为大于等于0°且小于等于45°，以保证水射流对下方地层的切割力较大。

另外，根据桩孔深度的不同要求，可采用多段套管对接(包括直钢管对接)的方式组成全套管结构。也就是说，可以是套管11包括多段套管，每个直钢管12中包括多段直钢管，其中，所述多段直钢管中相邻两个直钢管的端部密封连通，所述多段套管中相邻两个套管的端部相连接。

图2是剖面示意图，示出了本发明的另一个实施例所述的高压水射流成孔工具。如图2所示，在本实施例中，套管11包括例如3段套管，直钢管12包括3段直钢管。其中，相邻的两个直钢管的端部可以采用例如快速接头15密封连通，而相邻的两个套管的端部可以采用例如焊接方式连接。具体说，每个直钢管12的上端可以凸出相应的套管12的上端端面，其下端凹进相应套管12的下端端面。在直钢管12的上端安装快速接头，例如插拔式快速接头。在施工过程中，根据桩孔深度的要求，可对接多个套管11(包括对接直钢管12)。对接时，将两段套管中的直钢管对齐，并将一段直钢管的下端插入另一段直钢管上端的快速接头15中，此时，两段套管的端口接触，通过焊接，将两段套管连接起来。

图3是剖面示意图，示出了本发明的一个实施例所述的高压水射流成孔装置。如图3所示，本发明的一个实施例所述的高压水射流成孔装置100包括：高压水产生单元20、上述高压水射流成孔工具10、套管夹持器30以及夹具40。

高压水产生单元20用于产生高压水，并通过至少一个水管21将所产生的高压水输出。高压水产生单元20可以例如通过液压泵从水源中抽取普通水，然后将水传递至高压加压器进行加压处理，最后通过至少一个水管21输出高压水。

高压水射流成孔工具10中的每个直钢管12的上端与高压水产生单元20中的一个水管21密封连通。

套管夹持器30设置在高压水射流成孔工具10中的套管11的上端。套管夹持器30具有手柄31，用于在压入或拔出套管11时进行把持。套管夹持器30还具有通孔32以使套管11的内部暴露出来，用于使水管21穿过并使成孔过程中形成的泥砂浆排出(后面描述)。另外，当对套管11施加力时，通过套管夹持器30将力传递在套管11上。

夹具40用于将套管夹持器30与套管11夹住。

当上述高压水射流成孔装置100工作时，高压水产生单元20产生高压水，高压水通过水管21、直钢管12、环状钢管13抵达喷嘴14，最后通过喷嘴14喷出形成压强很高的水射流，以切割土石。

下面将描述本发明的一个实施例所述的利用上述高压水射流成孔装置100形成灌注桩的施工方法。

首先，将上述高压水射流成孔装置100建立在待成孔地面上，使其中的高压水射流成孔工具10中的套管11垂直立于地面，喷嘴14朝下。

然后，由高压水产生单元20提供具有预定压强的水流，并通过喷嘴14喷出高压水射流。在一个例子中，高压水产生单元20的压力大于200MPa，从喷嘴14喷出的水射流的速度为200～1000m/s。

在高压水射流切割坚硬地层、冲松砂土的同时，在套管夹持器30上施加向下的压力，使套管11沉入地层中。在这个过程中，套管中的砂土与高压水射流混合形成泥砂浆，泥砂浆会自动从套管11的上端排出。

当套管11的上端到达预定高度(例如，距离地面的预定高度)时，关闭高压水产生单元20，并撤去施加在套管夹持器30上的压力。此时，沉入地层中的套管11可以保护桩孔壁，防止其坍塌、漏浆。

随后，根据泥浆要求的指标，采用抽浆法、换浆法、掏碴法或砂浆置换沉碴法清理套管11内的沉碴，并在套管11内吊放钢筋笼、浇注混凝土。

最后，通过锤击或者振动方式拔出套管11，于是，灌注桩就形成了。

如果桩孔较深，那么可以采用多段套管11依次沉入的方法来形成桩孔。具体说，如果要沉入多段套管11，那么在第一段套管的上端达到预定高度、关闭了高压水产生单元20并撤去施加在套管夹持器30上的压力之后，取下夹具40和套管夹持器30。然后，在套管11和直钢管12的上端分别续接另一段套管11和另一段直钢管12，其中，所述两个直钢管的端部采用快速接头密封连通，所述两个套管的端部采用焊接方式连接。接着，在最上面的套管的上端安装套管夹持器和夹具。之后，就重复上述提供高压水、在套管夹持器30上施加压力、套管上端到达预定高度时关闭高压水、撤去所施加的力这些步骤。这样就将第二段套管沉入地下。

这样的步骤可以重复进行，从而使预定数目的套管和直钢管沉入地层中。

通过实际的施工验证，本发明所提供的这种高压水射流成孔工具、装置以及灌注桩施工方法具有施工简便、速度快、噪声低、无污染、质量稳定、造价低、地基承载力高和变形小、安全系数高、能耗小的优点。另外，由于作用在套管上使套管下沉的力很小，因此，套管的强度不需要很大。再者，与现有技术中使用内外双套管相比，本发明只使用外套管，因此也可以节省套管，并且套管均能回收利用，可以节省投资。经施工数据测试比对，本发明所提供的施工方法可以缩短工期30％～50％，节约造价10％～30％，是一种噪音低、无污染的环保型施工技术。

需要说明的是，本发明所提供的高压水射流成孔工具、装置以及灌注桩施工方法的应用范围很广，可以用于穿越含有孤石、卵石、岩石、砂层、强风化泥岩等的坚硬地层的工程，也可以用于在较软地层上施工的工程。

在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上对本发明所提供的高压水射流成孔工具、装置以及灌注桩施工方法进行改进或变形，而这些改进或变形，都落在本发明的保护范围内。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好地解释本发明的目的，本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种高压水射流成孔工具，包括：

套管；

至少一个直钢管，每个直钢管焊接在所述套管的内壁上，并从所述套管的上端附近延伸至不超过该套管底面的下端附近；

环状钢管，焊接在所述套管的内壁下端附近并与所述至少一个直钢管的下端密封连通；以及

多个喷嘴，方向朝下均匀地设置在所述环状钢管上并与所述环状钢管密封连通。

2.如权利要求1所述的高压水射流成孔工具，其中，

所述喷嘴直径为0.1mm～2mm；

所述喷嘴距离所述套管下端2cm至20cm；

所述喷嘴开口方向与竖直方向夹角大于等于0°且小于等于45°。

3.如权利要求1所述的高压水射流成孔工具，其中，

所述套管包括多段套管，所述至少一个直钢管中每个直钢管包括多段直钢管，所述多段直钢管中相邻两个直钢管的端部密封连通，所述多段套管中相邻两个套管的端部相连接。

4.如权利要求3所述的高压水射流成孔工具，其中，

所述多段直钢管中相邻两个直钢管的端部采用快速接头密封连通；

所述多段套管中相邻两个套管的端部采用焊接方式相连接。

5.一种高压水射流成孔装置，包括：

高压水产生单元，用于产生高压水，并通过至少一个水管将所产生的高压水输出；

如权利要求1-4中的任一权利要求所述的高压水射流成孔工具，该高压水射流成孔工具中的每个直钢管的上端与所述高压水产生单元中的一个水管密封连通；

套管夹持器，设置在所述高压水射流成孔工具中的套管的上端，并设有通孔以使所述套管的内部暴露出来；以及

夹具，用于将所述套管夹持器与所述套管夹住。

6.一种灌注桩施工方法，包括下述施工步骤：

(1)将权利要求5所述的高压水射流成孔装置建立在待成孔地面上，使所述高压水射流成孔工具中的喷嘴朝下；

(2)由高压水产生单元提供具有预定压强的水流，并通过喷嘴喷出高压水射流；

(3)在高压水射流切割坚硬地层、冲松砂土的同时，在套管夹持器上施加向下的压力，使套管沉入地层中，套管中的砂土与高压水射流混合所形成的泥砂浆自动从套管上端排出；

(4)当套管上端到达预定高度时，关闭高压水产生单元，并撤去施加在套管夹持器上的压力；

(5)清理套管内的沉碴；

(6)在套管内吊放钢筋笼；

(7)浇注混凝土；

(8)通过锤击或者振动方式拔出套管，成桩。

7.如权利要求6所述的灌注桩施工方法，其中，在步骤(4)和步骤(5)之间还包括下述步骤：

(a)取下夹具和套管夹持器；

(b)在套管和直钢管的上端分别续接另一段套管和另一段直钢管，其中，所述两个直钢管的端部采用快速接头密封连通，所述两个套管的端部采用焊接方式连接；

(c)在最上面的套管的上端安装套管夹持器和夹具；

(d)重复步骤(2)-(4)；以及

(e)重复步骤(a)-(d)，直到预定数目的套管和直钢管沉入地层中为止。

8.如权利要求6或7所述的灌注桩施工方法，其中，

高压水产生单元的压力大于200Mpa；

喷嘴喷出的高压水射流速度为200～1000m/s。

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