CN111676949A - 一种用于湿陷性黄土加固施工的加固桩机 - Google Patents

Abstract

一种用于湿陷性黄土加固施工的加固桩机，通过振动锤带动振动杆振动，并通过辅助介质的作用，使振点周围黄土的结构破坏并密实重组，使黄土的湿陷性消除，形成密实桩，对密实桩及周边黄土进行加固，以满足强度要求，所述辅助介质为高压的气相介质和/或液相介质。该方法施工方便、操作简单，体现了环保、节能的理念，降低了工程造价，其优点主要有：该施工方法不用材料，低碳、环保、节能；施工效率高，工程造价低；施工后，黄土的湿陷性完全消除，强度高，可以立即进行下一道工序，无需等待龄期，节约工期；可进行智能化操作，降低人工成本，保证施工质量。

Description

一种用于湿陷性黄土加固施工的加固桩机

技术领域

本发明涉及一种地基处理方法的技术领域，特别是一种用于湿陷性黄土加固施工的加固桩机。

背景技术

我国西北地区分布着大量黄土，具有层厚深、分布广和成因类型复杂的特征，面积达63万平方公里，约占国土面积的6.6％。黄土在形成过程中因当地气候干燥，土中所含碳酸盐、硫酸钙等在土表面析出形成胶结物与粘着水、毛细水共同形成较好的粘性，使土在自重夏形成的大孔与孔隙得不到固结，处于欠固结状态，被水浸湿后，由于水分子锲入颗粒间破坏原来联结与造成盐类溶解，降低抗剪强度，在自重或外力作用下，土骨架被破坏，土粒落入大孔或挤紧，造成湿陷。在外界载荷(如地震、工程振动等)及水的作用下容易失稳，发生滑坡、震陷和湿陷。造成黄土湿陷的原因主要有三种：①黄土的力学性质从内部改变了黄土在浸水及外部荷载因素下，使剪应力超过抗剪强度，从而发生湿陷。②土质里面受水浸润，土壤自身摩擦力降低，外力作用导致湿陷。③黄土内部结构发生崩解，使黄土颗粒间胶结强度弱化，颗粒间相对迁移，并伴随小颗粒进入大间隙。同时由于颗粒间胶结被水溶解，在外部扰动作用下强度已不堪平衡，造成土质结构损坏。

在湿陷性黄土地区的工程建设中，若对地基处理不当，则会出现建筑物不均匀沉降，从而使建筑物及结构物产生较大的变形。近年来，由此引起的事故急剧增多，给生命财产带来了严重的威胁，使国家和社会承受了巨大的经济损失。黄土地基处理问题成为工程地质和岩土工程领域关注的重点和难点。

常用的湿陷性黄土地基处理方法有强夯法、换土垫层发、挤密桩法和化学加固法等，目前这些加固方法在广泛的使用，通过大量的工程实践，这些加固方法普遍存在着造价高、工效低、污染环境等缺点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提出了一种效率高、工期短、强度高的一种用于湿陷性黄土加固施工的加固桩机。

本发明要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的，一种用于湿陷性黄土加固施工的加固桩机，包括可移动的底盘、桅杆、提升卷扬、振动锺和振动杆，振动杆的上端与振动锺相接，振动杆的下端连接有钻头部，其特点是：设有辅助介质输送系统，辅助介质输送系统包括设置在钻头部的下出口和设置在振动杆上部的上部进口，振动杆设置为辅助介质的输送通道，上部进口通过供气管路与气液供给机构相接，气液供给机构包括一个高压储气罐和为高压储气罐提供高压气体的空压机，高压储气罐通过恒压阀与供气管路相接，供气管路上设有液相介质接入口，经过计量的液相介质经液相介质接入口输入。

本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，设有供液箱和高压计量泵，液相介质接入口与高压计量泵相接。

本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，振动杆设有中空的芯管，芯管构辅助介质的输送通道，在芯管周边呈放射状分布有若干破土叶片。

本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，破土叶片外沿设置为锯齿状，相邻破土叶片之间的区域设有若干破土横担，在破土叶片上竖向间隔的设置有碎土通孔。

本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，钻头部设有与振动杆对接的芯杆，在芯杆周边呈放射状分布有若干三角形钻叶，芯杆内设有与振动杆的辅助介质输送通道相连通的介质注入腔，芯杆上设有与上述介质注人腔相通的介质喷出口。

本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，芯杆的底端连接有钻尖。

本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，在底盘前部设有黄土回填机构，黄土回填机构包括一个螺旋输土装置，底盘前部设有安装螺旋输土装置的支架，螺旋输土装置装在一个可水平向摆动的摆架下方，摆架与上述支架铰接，摆架与支架之间设有摆架驱动机构。

本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，螺旋输土装置与摆架之间设有调节螺旋输土装置切土深度的升降装置。

本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，所述螺旋输土装置包括一个切土旋转轴，旋转轴上设有螺旋切土输送叶片，切土旋转轴上方设有盖板。

本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，设有与振动杆匹配连接振动圆盘，振动圆盘与振动杆外径相匹配，振动圆盘与振动杆下端部的钻头部通过插销连接。

本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，在底盘前部设有用于输送振动圆盘至振动杆底部并自动对中的对中输送机构。

本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，对中输送机构包括一个用于放置振动圆盘的托盘，托盘与底盘之间设有可前后移动、左右移动、上下移动实现对中调节的滑台结构。

本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，

本发明与现有技术相比，有益效果：该桩机施工方便、操作简单，体现了环保、节能的理念，降低了工程造价，其优点主要有：

(1)该施工桩机不用材料，低碳、环保、节能；

(2)施工效率高，工程造价低；

(3)施工后，黄土的湿陷性完全消除，强度高，可以立即进行下一道工序，无需等待龄期，节约工期；

可进行智能化操作，降低人工成本，保证施工质量。

附图说明

图1为本发明加固柱机的结构简图；

图2为气液供给机构结构示意图；

图3为振动圆盘对中输送机构结构示意图；

图4为黄土回填机构结构示意图；

图5为振动杆结构示意图；

图6为振动杆的几种结构剖面示意图；

图7为钻头部结构示意图；

图8为钻头部的几种结构剖面示意图；

图9为湿陷性黄土的加固操作施工工艺图。

具体实施方式

以下进一步描述本发明的具体技术方案，为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，以便于本领域的技术人员进一步地理解本发明，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，而不构成对其权利的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种用于湿陷性黄土加固施工的加固桩机，包括可移动的底盘3、桅杆4、提升卷扬2、振动锺5和振动杆6，振动杆的上端与振动锺相接，振动杆的下端连接有钻头部8，设有辅助介质输送系统1，辅助介质输送系统包括设置在钻头部的下出口和设置在振动杆上部的上部进口，振动杆设置为辅助介质的输送通道，上部进口通过供气管路7与气液供给机构 1相接，气液供给机构包括一个高压储气罐12和为高压储气罐提供高压气体的空压机11，高压储气罐通过恒压阀13与供气管路7相接，供气管路上设有液相介质接入口，经过计量的液相介质经液相介质接入口输入。设有供液箱15、水阀门16和高压计量泵14，液相介质接入口与高压计量泵相接。

振动杆设有中空的芯管33，芯管构辅助介质的输送通道，在芯管周边呈放射状分布有若干破土叶片31。

破土叶片外沿设置为锯齿状34，相邻破土叶片之间的区域设有若干破土横担35，在破土叶片上竖向间隔的设置有碎土通孔32。

钻头部设有与振动杆对接的芯杆40，在芯杆周边呈放射状分布有若干三角形钻叶37，芯杆内设有与振动杆的辅助介质输送通道相连通的介质注入腔，芯杆上设有与上述介质注人腔相通的介质喷出口39。

芯杆的底端连接有钻尖36。芯杆40在介质喷出口下方设有清理孔38，在工作过程中，清理孔处于封闭状态。

在底盘前部设有黄土回填机构9，黄土回填机构包括一个螺旋输土装置，底盘前部设有安装螺旋输土装置的支架22，螺旋输土装置装在一个可水平向摆动的摆架23下方，摆架与上述支架铰接，摆架与支架之间设有摆架驱动机构。

螺旋输土装置与摆架之间设有调节螺旋输土装置切土深度的升降装置24。

所述螺旋输土装置包括一个切土旋转轴26，旋转轴上设有螺旋切土输送叶片27，切土旋转轴上方设有盖板25。

盖板25与摆架之间通过升降装置24连接，摆架驱动机构包括竖向装在支架上的液压旋转油缸29，旋转油缸输出轴的下端部与盖板25之间连接有多级上下运动油缸28。

设有与振动杆匹配连接振动圆盘20，振动圆盘与振动杆外径相匹配，振动圆盘与振动杆下端部的钻头部通过插销连接。

在底盘前部设有用于输送振动圆盘至振动杆底部并自动对中的对中输送机构10。

对中输送机构包括一个用于放置振动圆盘20的托盘21，托盘与底盘之间设有可前后移动、左右移动、上下移动实现对中调节的滑台结构。包括前后移动油缸18、左右移动油缸17、上下移动油缸19。

具体操作如下：

a、场地平整：将场地整平至按设计要求的标高；

b、放样：按设计要求，将施工的点位放好；

c、定位：移动智能化振动杆密实桩机，将组合钻头对准放好的桩位；组合钻头是由Y型、六爪型、十字型、米字型通过螺纹连接自由组合而成，各种形状的钻头长度一般在50-80cm之间，鉴于湿陷性黄土结构性较强，通过不同形状钻头的组合，目的是对土体进行多次切割，破坏土体结构，便于通过振动密实对土体结构进行重组，组合的原则是振动锤在12-18HZ频率工作范围内，每种形状钻头叶片之间不夹土块；在组合钻头底部应采用叶片较少的Y型或十字型，便于入土时破土，在最底部安装锥尖，便于准确定准桩位和组合钻头入土导向作用；组合钻头最底部钻头是由圆钢和一定厚度的三角形钢板组成，圆钢上钻孔，有清理孔、喷嘴、通水或通气孔，清理孔在喷嘴的下部并有一定距离，以便沉淀杂质和清理，喷嘴上安装丝堵，在丝堵上钻有1-2mm孔，且该孔为锥形，外大里小，使得喷出的水或高压空气呈雾状，其作用是消除湿陷性和切割土体，使得土体颗粒化，以利于振动密实重组；在组合钻头的上部采用叶片较多的六爪型、米字型钻头；组合钻头的均为叶片为三角形，利于破土，在叶片上有圆孔，便于经切割破碎后的土在一定频率的振动下，在叶片之间相互运动，再次破碎；

d、通过垂直度传感器(精度：0.005°)采集显示的数据，调整好垂直度；

e、开启振动锤(根据地质条件，工作频率一般在12-18HZ之间)，启动卷扬机，以一定的速度放松钢丝绳(放松钢丝绳速度以保持钢丝绳处于张紧状态为准)，使组合钻头入土；

f、振动杆下部与组合钻头通过螺纹或夹板连接，上部通过法兰与振动锤连接，在自重和振动锤激振力的共同作用下逐渐入土；振动杆是十字型，由钢管与四个一定厚度的叶片焊接组成，钢管的内孔作为水或高压空气的通道，在钢管的上部有接头与输送管连接，叶片外侧呈三角形锯齿状，其效果是在振动锤的作用下更好的破土；在叶片上每隔一定距离焊接四块一定尺寸的三角铁，三角铁与叶片垂直，在此层三角铁的上一层，三角铁与叶片焊接的位置应在下一层三角铁焊接叶片位置的反面，每一层三角铁焊接的位置交替进行，其效果是在振动锤的作用下，反复的破土；在叶片上每隔一定距离开有一定尺寸的圆孔，其效果是便于将经切割破碎后的土在一定频率的振动下，在叶片之间相互运动，再次破碎；

g、当组合钻头入土时，开启送气、送水装置；湿陷性黄土根据成因不同，结构性和含水量均不相同，但都有湿陷性，一般含水量偏低时，结构性较强，但遇水，强度迅速降低；含水量偏高时，虽然结构性不强，但仍具有一定的湿陷性；为了达到既消除湿陷性又保证加固强度，加装送气、送水装置，当湿陷性黄土天然含水量偏高时，既送气也送水(送水量与回填天然含水量之和不得大于加固最优含水量)，当湿陷性黄土天然含水量大于加固最优含水量时，只送气不送水(防止含水量过高，降低加固强度)；送气、送水装置由空压机、储气罐、空气阀门、水箱、水阀门、流量计等组成；工作时，启动空压机，产生的高压空气至储气罐(压力根据需要一般控制在0.5Mpa-1.0Mpa)，当送气、送水时，先开启空气阀门，然后开启水阀门，高压空气经过三通管时，对水形成负压，将水带出(水量的大小由通过流量计显示由水阀门控制)，高压空气混合着一定水量，经输送管、振动杆从组合钻头喷嘴呈雾状喷出，其作用是切割土体并消除湿陷性；当只送气时，开启空气阀门，高压空气经输送管、振动杆从组合钻头喷嘴呈雾状喷出，其作用是切割土体；

h、组合钻头入土后，土体在不同方向叶片切割和高压气体冲击共同作用下被破碎，破碎的土体在振动锤的振动频率影响下，经叶片上的圆孔进行流动，再次破碎，随着深度的增加，振动杆入土，破碎的土体在振动杆的不同方向叶片振动作用下进行破碎，同时，破碎的土体在振动杆叶片圆孔之间流动进行破碎，直至设计深度，在此过程中，注水量应按土体天然含水量与最优加固含水量差值一次性均匀喷完；

i、卷扬机停止转动，关闭水阀门，保持送气，留振5-15秒；

j、卷扬机反向转动，以一定速度开始提升(保持送气)，每提升2-3米，卷扬机反转，使组合钻头与振动向下钻进进行反插，其作用是将破碎重组后的土体密实，直至组合钻头提出地面，在以上过程中，一般会形成2-3米的孔洞；

k、振动锤停止振动，开启托盘机构，将振动圆盘(振动圆盘与组合钻头等径)送至组合钻头底部，然后用插销将振动圆盘固定在组合钻头底部，移开托盘机构；托盘机构由左右运动油缸、左右辅助杆、导向轮、滑道、前后运动油缸、前后辅助杆、上下运动油缸、上下辅助杆、托盘、振动圆盘组成；振动圆盘放在托盘上，当需要安装振动圆盘时，通过左右、前后、上下运动油缸的动作，将振动圆盘送到组合钻头底部，振动圆盘中心开有十字槽，在槽边有三角铁，其倾斜角度与组合钻头底部的叶片倾斜角度一致，其作用是与组合钻头底部装配紧密和定位，振动圆盘上的三角铁与组合钻头底部叶片紧密结合，在工作时，起到消散应力集中，保护振动圆盘不受损坏，当振动圆盘与组合钻头装配后，用插销固定好；当移开振动圆盘时，先将插销拔掉，通过左右、前后、上下运动油缸的动作，移到设定的位置；辅助杆的作用是增加油缸工作系统的强度，同时防止油缸在工作时发生转动；

l、开启振动锤，启动卷扬机，以一定的速度放松钢丝绳，振动圆盘对孔洞内上部的土体进行振动密实，卷扬机反转，将振动圆盘提出地面；

m、开启送土机构，将孔洞外侧地面的土送入孔洞中，填满孔洞；送土机构由上旋转运动油缸、上下运动油缸、多级上下运动油缸、铰接头、螺旋叶片、液压马达(电机)等组成；当需要送土时，开启上下运动油缸和多级上下运动油缸向下运动(这两个油缸为同步工作)，然后开启液压马达(电机)，应保持一定的旋转速度，速度的控制以将土送到孔洞为准，当螺旋叶片入土时，开启上旋转运动油缸，在一定范围内往复旋转，在螺旋叶片开始入土后，应控制上下运动油缸和多级上下运动油缸的运动速度，保证正常的出土量为准，应避免速度过快，造成负荷过大，引起设备损坏；当不需要送土时，关闭上旋转运动油缸和液压马达 (电机)，上下运动油缸和多级上下运动油缸向上运动，当离地一定高度时，停止运动；

n、卷扬机反转，以一定的速度放松钢丝绳，振动圆盘对孔洞内回填的土体进行振动密实，

o、重复m、n，直至将孔洞填满；

p、停止振动锤，卷扬机以一定的速度放松钢丝绳，用振动锤、振动杆、组合钻头的自重，用振动圆盘对孔口的土静压；

q、卷扬机反转，将组合钻头提起，开启托盘机构，将托盘送到振动圆盘下，将插销拔出，将振动圆盘移开；

r、完成湿陷性黄土施工(施工工艺见附图)。

s、经过工艺性试桩，确定各项施工参数后，将施工参数输入控制程序，每个动作进行自动化操作；

各项施工参数实时传送到云处理器，监控系统通过云处理器实时监控施工设备的工作情况，当出现违规施工或异常情况，可远程操作予以停机。

Claims (12)

1.一种用于湿陷性黄土加固施工的加固桩机，包括可移动的底盘、桅杆、提升卷扬、振动锺和振动杆，振动杆的上端与振动锺相接，振动杆的下端连接有钻头部，其特征在于： 设有辅助介质输送系统，辅助介质输送系统包括设置在钻头部的下出口和设置在振动杆上部的上部进口，振动杆设置为辅助介质的输送通道，上部进口通过供气管路与气液供给机构相接，气液供给机构包括一个高压储气罐和为高压储气罐提供高压气体的空压机，高压储气罐通过恒压阀与供气管路相接，供气管路上设有液相介质接入口，经过计量的液相介质经液相介质接入口输入。

2.根据权利要求1所述的用于湿陷性黄土加固施工的加固桩机，其特征在于：设有供液箱和高压计量泵，液相介质接入口与高压计量泵相接。

3.根据权利要求1所述的用于湿陷性黄土加固施工的加固桩机，其特征在于：振动杆设有中空的芯管，芯管构辅助介质的输送通道，在芯管周边呈放射状分布有若干破土叶片。

4.根据权利要求3所述的用于湿陷性黄土加固施工的加固桩机，其特征在于：破土叶片外沿设置为锯齿状，相邻破土叶片之间的区域设有若干破土横担，在破土叶片上竖向间隔的设置有碎土通孔。

5.根据权利要求1所述的用于湿陷性黄土加固施工的加固桩机，其特征在于：钻头部设有与振动杆对接的芯杆，在芯杆周边呈放射状分布有若干三角形钻叶，芯杆内设有与振动杆的辅助介质输送通道相连通的介质注入腔，芯杆上设有与上述介质注人腔相通的介质喷出口。

6.根据权利要求5所述的用于湿陷性黄土加固施工的加固桩机，其特征在于：芯杆的底端连接有钻尖。

7.根据权利要求1所述的用于湿陷性黄土加固施工的加固桩机，其特征在于：在底盘前部设有黄土回填机构，黄土回填机构包括一个螺旋输土装置，底盘前部设有安装螺旋输土装置的支架，螺旋输土装置装在一个可水平向摆动的摆架下方，摆架与上述支架铰接，摆架与支架之间设有摆架驱动机构。

8.根据权利要求7所述的用于湿陷性黄土加固施工的加固桩机，其特征在于：螺旋输土装置与摆架之间设有调节螺旋输土装置切土深度的升降装置。

9.根据权利要求7或8所述的用于湿陷性黄土加固施工的加固桩机，其特征在于：所述螺旋输土装置包括一个切土旋转轴，旋转轴上设有螺旋切土输送叶片，切土旋转轴上方设有盖板。

10.根据权利要求1所述的用于湿陷性黄土加固施工的加固桩机，其特征在于：设有与振动杆匹配连接的振动圆盘，振动圆盘与振动杆外径相匹配，振动圆盘与振动杆下端部的钻头部通过销轴连接。

11.根据权利要求10所述的用于湿陷性黄土加固施工的加固桩机，其特征在于：在底盘前部设有用于输送振动圆盘至振动杆底部并自动对中的对中输送机构。

12.根据权利要求11所述的用于湿陷性黄土加固施工的加固桩机，其特征在于：对中输送机构包括一个用于放置振动圆盘的托盘，托盘与底盘之间设有可前后移动、左右移动、上下移动实现对中调节的滑台结构。

Images