CN110886295A - 一种采用中通法的静压沉桩装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用中通法的静压沉桩装置及方法，包括预应力管桩、立柱架、空心钻杆以及设置在所述钻杆端部的钻头，所述第一节管桩的内腔中设有内导管，该内导管与管桩通过螺栓连接。从地面到砂层之间有较厚的粉质粘土层或粘土层时，管桩内设置内导管从而防止了粉质粘土或粘土进入管桩的空腔内堵塞其内壁空腔。中通法有效破坏了砂层中的机械自锁现象，整个过程的钻引孔与静压沉桩是同步进行的，而且两种施工设备连成一体不分开,钻引孔不需移动且在预应力管桩的空腔内引孔，引孔时不会对桩身周围土层产生扰动，从而不会对施工管桩及桩周附近已施工管桩承载力产生影响，直至预应力管桩的桩端穿透密实的砂层，达到设计标高及桩长。

Description

一种采用中通法的静压沉桩装置及方法

技术领域

本发明涉及管桩施工技术领域，具体而言，涉及一种采用中通法的静压沉桩装置及方法。

背景技术

预应力混凝土管桩因其桩体强度高、施工速度快、现场文明施工条件好、便于检测等优点，已被广泛应用于建（构）筑物桩基础工程中。随着预应力管桩应用的普及，预应力管桩施工中经常遇到难以穿越的复杂地层，如致密砂层、砂砾层等。

为解决预应力管桩施工中困难和障碍，现在大多采用辅助引孔施工。采用常规的钻孔、冲孔工艺引孔，存在成孔直径偏大、施工速度慢、泥浆护壁使得现场文明施工管理困难、引孔成本高等问题；当采用长螺旋砂层地区引孔时，受地下水位的不利影响，容易造成塌孔，长螺旋钻在钻进过程中螺旋叶片对桩周土体切割造成扰动，使原有土体结构发生破坏，强度降低，并对引孔后施工的管桩及桩周附近已施工的管桩的承载力产生影响，且达不到预期目的。

经过理论分析，管桩在沉桩过程中，桩周侧摩阻力应随着压桩深度逐步上升，但实际情况是当管桩进入砂层地区时，摩阻力会从100T瞬间增加至500T甚至更大，导致沉桩困难。而施工现场通过提拔管桩，管桩却可以拔出，说明管桩进入砂层沉桩困难，并非桩身侧摩阻力导致，而是桩端阻力导致。而通过计算，除非进入岩层地区才会有那么大的端阻力，而现场施工的管桩端部只是进入砂层地区。

以上情况说明预应力管桩在密实砂层地区施工，管桩为挤土桩，将桩压入砂层时，在压桩力剧烈的挤压挤密作用下，桩端周围密实的砂层形成一个相对密封的环，导致压桩过程中砂层中弥漫性的钙质结核等不能向桩身周围移动只能发生偏转，钙质结核越积越多，逐渐改变摩阻力的摩擦角，最终形成类似砂石垫层结构的机械自锁现象，使沉桩困难（如图1所示）。而这种自锁现象并不稳定，若实际施工中只是按照自锁现象确定压桩力，随着时间的推移，这种自锁现象可能会逐步打开，将会导致管桩承载力不能满足设计要求，危及房屋建筑的使用及安全。

有些机械，就其结构情况分析是可以运动的，但由于摩擦力的存在，却会出现无论驱动力如何增大，也无法使其运动的现象，称为机械自锁。机械自锁的实质是作用力在构件上的驱动力的有效分力总是小于由其所引起的同方向上的最大摩擦力。

如图2所示，构件a在构件b上，作用于构件a上的外力为F，其与接触面法线之间夹角为β。若两构件之间的摩擦系数为f，则有f=tgφ。由外力F而产生的摩擦阻力为Ff_ba=fFcosβ=Fcosβtgφ，F在水平方向上的分力为Fsinβ。当Fsinβ<<Ff_ba时，无论F如何增大，也不会使构件2运动，这种现象叫自锁现象。这时有β≤φ。

通过大量实践证明，预应力管桩在密实砂层地区施工困难正是机械自锁现象在砂层地质中的体现。

发明内容

为了寻求更快捷高效的新工艺新方法，节省投资，加快施工进度，保证施工质量，解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种引孔有效性高且能有效破坏砂层中自锁现象的内部疏通的方法即中通法和采用中通法的静压沉桩装置及方法。解决了由于砂层地层在压桩力剧烈的挤压挤密作用下，桩端附近的砂层土体形成类似砂石垫层结构的机械自锁现象而导致压桩达不到设计深度而产生的桩长过短、截桩、引孔、单桩承载力无法保证等问题，使预应力管桩顺利达到设计深度。

本发明的一方面提供了一种采用中通法的静压沉桩装置，包括预应力管桩、立柱架、空心钻杆以及设置在所述钻杆端部的钻头，所述第一节管桩的内腔中设有内导管，该内导管与管桩通过螺栓连接。从地面到砂层之间有较厚的粉质粘土层或粘土层时，管桩内设置内导管从而防止了粉质粘土及粘土进入管桩的空腔内堵塞其内壁空腔。本发明的沉桩装置具有引孔有效性高且能有效破坏砂层中自锁现象的优点。

由于机械自锁现象，无法再继续沉桩时，使用安装在立柱架上的动力头及钻杆下沉至预应力管桩内壁空腔内，然后高压喷射、大流量注水、注气下钻引孔至桩端底部附近时再继续向下静压沉桩，钻杆长度可调，钻引孔动力头及钻杆可水平旋转，引孔过程无需分段接长，不妨碍管桩静压施工,边钻引孔边静压沉桩跟进，确保了引孔的有效性,始终保持钻头比管桩底部长45-55厘米，通过钻杆底部钻头高压喷射、大流量注水、喷气等冲击切削硬层，使大流量水携带砂土从预应力管桩的内壁空腔中排出，从而破坏砂层土体中的机械自锁现象，使预应力管桩继续顺利向下沉桩。

整个过程的钻引孔与静压沉桩是同步进行的，而且两种施工设备连成一体不分开,钻引孔不需移动且在预应力管桩空腔内引孔，引孔时不会对桩身周围土层产生扰动，从而不会对施工管桩及桩周附近已施工管桩承载力产生影响，直至预应力管桩的桩端穿透密实的砂层，达到设计标高及桩长。

优选的是，所述内导管的顶端焊接法兰盘，该法兰盘上开有螺纹孔与管桩的顶端通过螺栓连接。当管桩压入到砂层时，松开螺栓，吊出内导管即可。

在上述任一方案中优选的是，所述内导管选用无缝钢管，其长度与管桩的长度相等；内导管的外径与管桩内空腔直径匹配。

在上述任一方案中优选的是，所述空心钻杆的顶部和底部设有接头螺口。当桩长超过20米时，通过螺栓将空心钻杆连接在一起来加长钻杆。

在上述任一方案中优选的是，所述空心钻杆的顶部与动力头连接；空心钻杆的下端设有钻头。

在上述任一方案中优选的是，所述空心钻杆内设有三根同心管，分别为高喷射管、大流量注水管和注气管。钻孔及高压喷射可以快速切削土体，若遇到砂层中夹有粉质粘土层时，钻孔及高压喷射可以使引孔顺利穿过，增加引孔及压桩施工的效率。设置高喷射管、大流量注水管和注气管实现了大流量注水、注气携带切削的砂层顺利沿着管桩的空腔内排出，再通过引流排到场地指定位置。

在上述任一方案中优选的是，所述钻头的下端比管桩的下端低45-55厘米。

在上述任一方案中优选的是，所述空心钻杆的顶部接口包括高压喷射接口、大流量注水接口和注气管接口。

在上述任一方案中优选的是，所述空心钻杆的顶部接口与后台设备连接。

在上述任一方案中优选的是，所述后台设备包括高压喷射设备、大流量注水设备和大流量注气设备。

在上述任一方案中优选的是，所述立柱架的顶部设有动力头水平旋转装置或者水平旋转装置，防止动力头及钻杆阻碍预应力管桩进入静压桩机夹具内。

在上述任一方案中优选的是，所述立柱架固定于静压桩机载台上，其高度为30米，从而使钻杆无需重复拆卸安装，提高工作效果；所述静压桩机载台上设有静压桩机夹具。

本发明的另一方面提供了一种中通静压沉桩方法，其包括以下步骤：

第一步：从地面到砂层之间有较厚的粉质粘土层或粘土层时，防止粉质粘土或粘土进入管桩空腔内堵塞管桩内壁空腔，第一节管桩下沉时先在管桩的内壁空腔内设置内导管，内导管的长度与管桩的长度相等，内导管的外径与管桩内空腔直径相等，内导管的顶端焊接法兰盘与管桩顶端固有螺孔用螺栓连接，当管桩压入到砂层时，松开法兰盘上的螺栓，用静压桩自带吊机吊出内导管即可；

第二步：开启钻引孔动力装置，动力头带动空心钻杆插入管桩的空腔内进行钻引孔；边钻引孔边压桩，保持第一节空心钻杆的钻头始终比管桩底部低45-55厘米，钻引孔过程中持续进行高压喷射、大流量注水和注气工作；

第三步：当第一节管桩压至焊接位置，提升空心钻杆至立柱架的水平旋转装置位置，动力头及钻杆水平旋转90度；

第四步：用吊机吊入第二节管桩，将第二节管桩放下与第一节管桩对准后焊接固定，再将空心钻杆下沉至管桩的空腔内并持续进行高压喷射、大流量注水和注气工作，边钻引孔边压桩；

第五步：重复第三步和第四步，直至管桩达到设计桩长及标高，提出钻引孔钻杆，整根桩施工程序完成；若从地面到砂层之间没有较厚的粉质粘土层或粘土层时，施工从第二步开始即可。

本发明的采用中通法的静压沉桩装置及方法解决了由于砂层地层在压桩力剧烈的挤压挤密作用下，桩端附近的砂层土体形成类似砂石垫层结构的机械自锁现象而导致压桩达不到设计深度而产生的桩长过短、截桩、引孔、单桩承载力无法保证等问题，使预应力管桩顺利达到设计深度。

附图说明

图1为现有技术中砂层地质形成机械自锁现象过程示意图。

图2为现有技术中机械自锁现象理论分析图。

图3为按照本发明的采用中通法的静压沉桩装置的结构示意图。

图4为按照本发明的采用中通法的静压沉桩装置的图1所示实施例中管桩内置导管的示意图。

图5为按照本发明的采用中通法的静压沉桩装置的图4所示实施例的俯视图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的实施例。

如图3-图5所示，按照本发明的采用中通法的静压沉桩装置的一优选实施例的结构示意图。本发明的一方面提供了一种采用中通法的静压沉桩装置，包括预应力管桩2、立柱架10、空心钻杆11以及设置在所述钻杆端部的钻头14，所述管桩2的内腔中设有内导管3，该内导管与管桩2通过螺栓连接。管桩2内设置内导管3从而防止了粉质粘土或粘土进入管桩2的空腔内堵塞其内壁空腔。本发明的沉桩装置具有引孔有效性高且能有效破坏砂层中自锁现象的优点。

由于机械自锁现象，无法再继续沉桩时，使用安装在立柱架10上的动力头5及钻杆11下沉至预应力管桩2内壁空腔内，然后高压喷射、大流量注水、注气下钻引孔至桩端底部附近时再继续向下静压沉桩，钻杆11长度可调，钻引孔动力头5及钻杆11可水平旋转，引孔过程无需分段接长，不妨碍管桩静压施工,边钻引孔边静压沉桩跟进，确保了引孔的有效性,始终保持钻头14比管桩2底部长45-55厘米，通过钻杆11底部钻头14高压喷射、大流量注水、喷气等冲击切削硬层，使大流量水携带砂土从预应力管桩的内壁空腔中排出，从而破坏砂层土体中的机械自锁现象，使预应力管桩继续顺利向下沉桩。

整个过程的钻引孔与静压沉桩是同步进行的，而且两种施工设备连成一体不分开,钻引孔不需移动且在预应力管桩空腔内引孔，引孔时不会对桩身周围土层产生扰动，从而不会对施工管桩及桩周附近已施工管桩承载力产生影响，直至预应力管桩的桩端穿透密实的砂层，达到设计标高及桩长。

本发明的采用中通法的静压沉桩装置及方法解决了由于砂层地层在压桩力剧烈的挤压挤密作用下，桩端附近的砂层土体形成类似砂石垫层结构的机械自锁现象而导致压桩达不到设计深度而产生的桩长过短、截桩、引孔、单桩承载力无法保证等问题，使预应力管桩顺利达到设计深度。

在本实施例中，所述内导管3的顶端焊接法兰盘1（见图4、图5所示），该法兰盘上开有螺纹孔4与管桩2的顶端通过螺栓连接。当管桩2压入到砂层时，松开螺栓，吊出内导管3即可。

在本实施例中，所述内导管3选用无缝钢管，其长度与管桩2的长度相等；内导管3的外径与管桩2内空腔直径匹配。

在本实施例中，所述空心钻杆11的顶部和底部设有接头螺口。当桩长超过20米时，通过螺栓将空心钻杆连接在一起来加长钻杆。

在本实施例中，所述空心钻杆11的顶部与动力头5连接；空心钻杆11的下端设有钻头14。

在本实施例中，所述空心钻杆11内设有三根同心管，分别为高喷射管、大流量注水管和注气管。钻孔及高压喷射可以快速切削土体，若遇到砂层中夹有粉质粘土层时，钻孔及高压喷射可以使引孔顺利穿过，增加引孔及压桩施工的效率。设置高喷射管、大流量注水管和注气管实现了大流量注水、注气携带切削的砂层顺利沿着管桩2的空腔内排出，再通过引流排到场地指定位置。

在本实施例中，所述钻头14的下端比管桩2的下端低45-55厘米。

在本实施例中，所述空心钻杆11的顶部接口包括高压喷射接口6、大流量注水接口7和注气管接口8。

在本实施例中，所述空心钻杆11的顶部接口与后台设备13连接。

在本实施例中，所述后台设备13包括高压喷射设备、大流量注水设备和大流量注气设备。

在本实施例中，所述立柱架10的顶部设有动力头水平旋转装置或者水平旋转装置9，防止动力头5及钻杆11阻碍预应力管桩2进入静压桩机夹具12内。

在本实施例中，所述立柱架10固定于静压桩机载台上，其高度为30米，从而使钻杆11无需重复拆卸安装，提高工作效果；所述静压桩机载台上设有静压桩机夹具12。

本发明的另一方面提供了一种中通静压沉桩方法，其包括以下步骤：

第一步：从地面到砂层之间有较厚的粉质粘土层或粘土层时，防止粉质粘土或粘土进入管桩2空腔内堵塞管桩2内壁空腔，第一节管桩2下沉时先在管桩2内壁空腔内设置内导管3，内导管3的长度与管桩2的长度相等，内导管3的外径与管桩2内空腔直径相匹配，内导管3的顶端焊接法兰盘1与管桩2顶端固有螺孔4用螺栓连接，当管桩2压入到砂层时，松开法兰盘4上的螺栓，用静压桩自带吊机吊出内导管3即可；

第二步：开启钻引孔动力装置，动力头5带动空心钻杆11插入管桩2的空腔内进行钻引孔；边钻引孔边压桩，保持第一节空心钻杆11的钻头14始终比管桩2底部低45-55厘米，钻引孔过程中持续进行高压喷射、大流量注水和注气工作；

第三步：当第一节管桩压至焊接位置，提升空心钻杆11至立柱架10的水平旋转装置9位置，动力头5及钻杆11 水平旋转90度；

第四步：用吊机吊入第二节管桩，将第二节管桩放下与第一节管桩对准后焊接固定，再将空心钻杆11下沉至管桩的空腔内并持续进行高压喷射、大流量注水和注气工作，边钻引孔边压桩；

第五步：重复第三步和第四步，直至管桩达到设计桩长及标高，提出钻引孔钻杆，整根桩施工程序完成；若从地面到砂层之间没有较厚的粉质粘土层或粘土层时，施工从第二步开始即可。

本领域技术人员不难理解，本发明的采用中通法的静压沉桩装置及方法包括本说明书中各部分的任意组合。限于篇幅且为了使说明书简明，在此没有将这些组合一一详细介绍，但看过本说明书后，由本说明书构成的各部分的任意组合构成的本发明的范围已经不言自明。

Claims (10)

1.一种采用中通法的静压沉桩装置，包括预应力管桩（2）、立柱架（10）、空心钻杆（11）以及设置在所述钻杆端部的钻头（14），其特征在于：管桩（2）的内腔中设有内导管（3），该内导管与管桩（2）通过螺栓连接。

2.如权利要求1所述的采用中通法的静压沉桩装置，其特征在于：内导管（3）的顶端焊接法兰盘（1），该法兰盘上开有螺纹孔（4）与管桩（2）的顶端通过螺栓连接。

3.如权利要求2所述的采用中通法的静压沉桩装置，其特征在于：内导管（3）选用无缝钢管，其长度与管桩（2）的长度相等；内导管（3）的外径与管桩（2）内空腔直径匹配。

4.如权利要求2或3所述的采用中通法的静压沉桩装置，其特征在于：空心钻杆（11）的顶部和底部设有接头螺口。

5.如权利要求2所述的采用中通法的静压沉桩装置，其特征在于：空心钻杆（11）的顶部与动力头（5）连接；空心钻杆（11）的下端设有钻头（14）。

6.如权利要求2所述的采用中通法的静压沉桩装置，其特征在于：空心钻杆（11）内设有三根同心管，分别为高喷射管、大流量注水管和注气管。

7.如权利要求2所述的采用中通法的静压沉桩装置，其特征在于：钻头（14）的下端比管桩（2）的下端低45-55厘米。

8.如权利要求2所述的采用中通法的静压沉桩装置，其特征在于：空心钻杆（11）的顶部接口包括高压喷射接口（6）、大流量注水接口（7）和注气管接口（8）。

9.如权利要求2所述的采用中通法的静压沉桩装置，其特征在于：空心钻杆（11）的顶部接口与后台设备（13）连接。

10.一种预应力管桩内置钻引孔静压施工方法，其包括以下步骤：

第一步：从地面到砂层之间有较厚的粉质粘土层或粘土层时，第一节管桩（2）下沉时先在管桩（2）内壁空腔内设置内导管（3），内导管（3）的顶端焊接法兰盘（1）与管桩（2）顶端固有螺孔（4）用螺栓连接，当管桩（2）压入到砂层时，松开法兰盘（4）上的螺栓，用静压桩自带吊机吊出内导管（3）即可；

第二步：开启钻引孔动力装置，动力头（5）带动空心钻杆（11）插入管桩（2）的空腔内进行钻引孔；边钻引孔边压桩，保持第一节空心钻杆（11）的钻头（14）始终比管桩（2）底部低45-55厘米，钻引孔过程中持续进行高压喷射、大流量注水和注气工作；

第三步：当第一节管桩压至焊接位置，提升空心钻杆（11）至立柱架（10）的水平旋转装置（9）位置，动力头（5）及钻杆（11） 水平旋转90度；

第四步：用吊机吊入第二节管桩，将第二节管桩放下与第一节管桩对准后焊接固定，再将空心钻杆（11）下沉至管桩的空腔内并持续进行高压喷射、大流量注水和注气工作，边钻引孔边压桩；

第五步：重复第三步和第四步，直至管桩达到设计桩长及标高，提出钻引孔钻杆，整根桩施工程序完成；若从地面到砂层之间没有较厚的粉质粘土层或粘土层时，施工从第二步开始即可。

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