CN113323052A - 一种适用于异形灌注桩的高压水射流成桩装置及施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于异形灌注桩的高压水射流成桩装置，包括喷射装置、抽吸装置及控制器，喷射装置包括空心圆柱型外壳骨架及多个注水管道Ⅰ，外壳骨架外壁设有一圈可旋转侧壁，可旋转侧壁设有多个通孔Ⅰ用于放置径向的高压喷嘴Ⅱ，高压喷嘴Ⅱ通过软管和注水管道Ⅰ的径向开口连接，可旋转侧壁内部设有齿条，外壳骨架内部设有轴向的电机，电机的输出轴和齿轮固定连接，利用齿轮在电机输出轴的驱动下带动齿条旋转，从而实现高压喷嘴Ⅱ随着可旋转侧壁进行旋转，根据异形桩的形状特征利用控制器控制高压喷嘴Ⅱ的开启数量及可旋转侧壁的旋转角度，能够满足任意异形灌注桩的开挖任务，解决了成桩装置通用性不强的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉岩土工程领域，尤其涉及一种利用水力埋设的监测土体位移设备及其使用方法。
背景技术
随着高层建筑的需求不断增大，现在建筑施工中广泛应用的圆柱形灌注桩的混凝土用量过大，工期较长等缺点也在逐渐暴露出来。因此，为了提高桩基础的承载能力并且降低工程的整体造价，异形灌注桩桩基础成为新的研究重点。异形灌注桩是在圆柱形灌注桩的基础上所发展起来的，通过改变圆柱形灌注桩的截面形状类型提高桩体与周围土体的相互作用，从而在不改变工程量的基础上提高桩的承载力。在相同的承载要求条件下，异形灌注桩可以大幅降低单桩桩长或减小桩的数量，以此缩短施工工期，降低工程造价，能够很好的适应桩基发展的需求。
目前，研究人员已经提出了很多形状的异形桩基础，但在实际工程中应用却较少。这主要是因为异形灌注桩的桩身形状或尺寸是变化的，实际施工技术难度大。目前，市面上缺乏能够进行异形灌注桩桩基础的便捷施工装置及施工方法。
目前异形灌注桩的开挖装置及施工方法较为单一仅仅能够解决特定型状的灌注桩，存在通用性不强的缺陷。例如扩径桩，其所使用的施工装置及施工方法都仅仅适用于扩径桩，且施工步骤复杂，需要花费大量的时间、人力及物力，影响建筑施工的进度和工程造价。
因此，有必要研发一种适用于多样异形灌注桩的全自动成桩装置及施工方法，以满足建筑施工的需要。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种适用于异形灌注桩的高压水射流成桩装置及施工方法，该装置能够满足任意异形灌注桩的开挖任务，通用性强且操作方便。
为了实现以上目的，本发明采取的一种技术方案是：
一种适用于异形灌注桩的高压水射流成桩装置，包括喷射装置、抽吸装置及控制器，喷射装置包括空心圆柱型外壳骨架及多个注水管道Ⅰ，外壳骨架内部沿着圆环对称设置贯通到底的多个注水管道Ⅰ，注水管道Ⅰ一端通过进水阀Ⅰ和蓄水沉淀池连接、另一端通过高压喷嘴控制器和高压喷嘴Ⅰ连接，外壳骨架外壁设有一圈可旋转侧壁，可旋转侧壁设有多个通孔Ⅰ用于放置径向的高压喷嘴Ⅱ，高压喷嘴Ⅱ通过软管和注水管道Ⅰ的径向开口连接，可旋转侧壁内部设有齿条，外壳骨架内部设有轴向的电机，电机的输出轴和齿轮固定连接，齿轮在电机输出轴的驱动下带动齿条旋转，从而实现高压喷嘴Ⅱ随着可旋转侧壁进行旋转；外壳骨架底部设有多个压力传感器；
抽吸装置设置于外壳骨架的内侧，抽吸装置内部对称设置L型的多个抽水管道，多个抽水管道的一端通过抽水泵和蓄水沉淀池连接、另一端设置于抽吸装置的外壁上用于抽吸泥浆；
控制器和压力传感器、高压喷嘴控制器、电机、进水阀Ⅰ及抽水泵有线连接。
进一步地，抽吸装置底部设有搅拌装置，外壳骨架和搅拌装置转动连接，控制器和搅拌装置有线连接。
进一步地，抽吸装置的内部中间位置设置贯通到底的注水管道Ⅱ，搅拌装置内部中间位置设有和注水管道Ⅱ位置相对应的通孔Ⅱ，通孔Ⅱ用于放置注水管道Ⅱ，注水管道Ⅱ的一端通过进水阀Ⅱ和蓄水沉淀池连接、另一端通过高压喷嘴控制器和高压喷嘴Ⅲ连接，控制器和进水阀Ⅱ有线连接。
进一步地，可旋转侧壁的通孔Ⅰ数量不少于4个。
进一步地，高压喷嘴控制器为ZDLP电子式电动单座调节阀。
本发明还提供一种适用于异形灌注桩的高压水射流成桩装置的施工方法，包括以下步骤：
a)预挖定位孔：定位开挖异形灌注桩位置，挖取成桩的直径大小的定位孔；
b)固定高压水射流成桩装置：固定高压水射流成桩装置并且调整开挖角度；
c)安置喷射装置并注入稳定液：将喷射装置底部放到预挖孔中，控制器控制进水阀Ⅰ向注水管道Ⅰ内注入稳定液；
d)输入开挖参数：根据土壤类型及开挖孔径大小和开挖速度结合压力传感器的采集数据，通过控制器控制高压喷嘴控制器来调整高压喷嘴Ⅰ的水束压力、水束直径及喷射角度参数；
e)开挖下沉：将底部安装搅拌装置的抽吸装置下放到喷射装置内部，利用控制器开启搅拌装置及抽水泵，高压喷嘴Ⅰ处喷出的稳定液软化土壤，搅拌装置将土壤快速形成泥浆，同时利用控制器控制抽水泵通过抽水管道将泥浆抽向地表；随着土壤的软化刮削，喷射装置由自身重力逐渐下沉，达到开挖的目的；
f)异形形状开挖：当喷射装置到达预定的开挖深度后，将喷射装置的上方固定同时控制器控制高压喷嘴控制器关闭高压喷嘴Ⅰ，控制器控制电机带动齿轮驱动齿条正反旋转从而实现可旋转侧壁的正反旋转，同时控制器控制高压喷嘴控制器开启高压喷嘴Ⅱ，高压喷嘴Ⅱ的开启数量及可旋转侧壁的旋转角度根据异形桩的形状特征进行设定，高压喷嘴Ⅱ喷射的稳定液软化喷射装置外侧对应的土壤并形成泥浆，泥浆通过抽水管道抽向地表；
g)注入清孔液：控制器控制高压喷嘴控制器关闭高压喷嘴Ⅱ，控制器控制进水阀Ⅰ向注水管道Ⅰ内注入清孔液并开启高压喷嘴Ⅰ，抽水管道继续将混合泥浆抽出直至满足清孔要求；
h)回收抽吸装置及搅拌装置：完成清孔任务后，控制器控制高压喷嘴控制器关闭高压喷嘴Ⅰ，将抽吸装置及搅拌装置提起回收；
i)放置钢筋笼：将异形灌注桩所用钢筋笼放置到喷射装置内部，准备进行注浆任务；
j)注入混凝土浆：将混凝土浆注入进水管道Ⅰ，控制器控制电机带动齿轮驱动齿条正反旋转从而实现可旋转侧壁的正反旋转，同时控制器控制高压喷嘴控制器开启高压喷嘴Ⅱ及高压喷嘴Ⅰ进行注浆，调整注浆压力达到混凝土注浆要求；
k)完成混凝土灌注：随着混凝土浆的注入，缓慢提升喷射装置，直至满足工程注浆要求；
l)清洗设备及养护：满足灌注要求后，对混凝土桩进行养护并回填开挖桩孔，对高压水射流装备进行清洗及养护。
进一步地，步骤e中还包含利用控制器开启进水阀Ⅱ向进水管道Ⅱ注入稳定液，同时控制器控制高压喷嘴控制器开启高压喷嘴Ⅲ，高压喷嘴Ⅲ处喷出的稳定液进一步软化土壤，提高抽取泥浆的效率。
本发明的有益效果在于：
(1)利用齿轮在电机输出轴的驱动下带动齿条旋转，从而实现高压喷嘴Ⅱ随着可旋转侧壁进行旋转，根据异形桩的形状特征利用控制器控制高压喷嘴Ⅱ的开启数量及可旋转侧壁的旋转角度，能够满足任意异形灌注桩的开挖任务，例如扩径桩、x型桩及仿生桩等，解决了成桩装置通用性不强的技术问题；
(2)外壳骨架承担桩侧壁的支护任务，避免因桩壁脱落发生成桩质量问题，安全性高；
(3)本发明的施工方法在不更改装置的基础上将开挖、清孔、注浆等工序一次性完成，操作简单；
(4)控制器利用压力传感器实时检测的数据信息便于控制器更精确地控制压喷嘴控制器来调整高压喷嘴Ⅰ的水束压力、水束直径及喷射角度参数，从而精确地控制开挖直径、开挖速度和开挖形状。
附图说明
图1是本发明一实施例中高压水射流成桩装置的整体剖面图；
图2是图1中成桩装置的顶部俯视图；
图3是图1中成桩装置在径向高压喷嘴Ⅱ处的剖面图；
图4是图1中成桩装置在可旋转侧壁的驱动剖面图；
图5是本发明一实施例中液体外循环装置示意图；
图6是本发明一实施例中高压水射流成桩装置的施工方法示意图；
图中标号：外壳骨架1、注水管道Ⅰ2、高压喷嘴控制器3、高压喷嘴Ⅰ4、可旋转侧壁5、高压喷嘴Ⅱ6、电机7、齿轮8、齿条9、抽吸装置10、抽水管道11、注水管道Ⅱ12、搅拌装置13、通孔Ⅱ14、高压喷嘴Ⅲ15、压力传感器16、进水阀Ⅰ17、抽水泵18、进水阀Ⅱ19、蓄水沉淀池20。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1至图5所示，一种适用于异形灌注桩的高压水射流成桩装置，包括喷射装置、抽吸装置10及控制器，喷射装置包括空心圆柱型外壳骨架1及8个注水管道Ⅰ2，外壳骨架1内部沿着圆环对称设置贯通到底的8个注水管道Ⅰ2，注水管道Ⅰ2一端通过进水阀Ⅰ17和蓄水沉淀池20连接、另一端通过高压喷嘴控制器3和高压喷嘴Ⅰ4连接，外壳骨架1外壁设有一圈可旋转侧壁5，可旋转侧壁5设有8个通孔Ⅰ用于放置径向的高压喷嘴Ⅱ6，高压喷嘴Ⅱ6通过软管和注水管道Ⅰ2的径向开口连接，可旋转侧壁5内部设有齿条9，外壳骨架1内部设有轴向的电机7，电机7的输出轴和齿轮8固定连接，齿轮8在电机7输出轴的驱动下带动齿条9旋转，从而实现高压喷嘴Ⅱ6随着可旋转侧壁5进行旋转，此时可以设置电机7正反转时间控制每个侧向高压喷嘴Ⅱ6的旋转角度在60度，从而可以完成360°的异形灌注桩形状开挖任务，当需要制作型X桩时，此时控制高压喷嘴Ⅱ6间隔打开4个，同时控制高压喷嘴Ⅱ6的旋转角度；外壳骨架1底部设有8个压力传感器16用于实时检测外壳骨架1底部压力数据，控制器根据压力数据利用地控制压喷嘴控制器来调整高压喷嘴Ⅰ4的水束压力、水束直径及喷射角度参数，从而精确地控制开挖直径、开挖速度和开挖形状。
抽吸装置10设置于外壳骨架1的内侧，抽吸装置10内部对称设置L型的4个抽水管道11，4个抽水管道11的一端通过抽水泵18和蓄水沉淀池20连接、另一端设置于抽吸装置10的外壁上用于抽吸泥浆；
控制器和压力传感器16、高压喷嘴控制器3、电机7、进水阀Ⅰ17及抽水泵18有线连接。
利用齿轮8在电机7输出轴的驱动下带动齿条9旋转，从而实现高压喷嘴Ⅱ6随着可旋转侧壁5进行旋转，根据异形桩的形状特征利用控制器控制高压喷嘴Ⅱ6的开启数量及可旋转侧壁5的旋转角度，能够满足任意异形灌注桩的开挖任务，例如扩径桩、x型桩及仿生桩等，解决了成桩装置通用性不强的技术问题。
一实施例中，抽吸装置10底部设有搅拌装置13，外壳骨架1和搅拌装置13转动连接，控制器和搅拌装置13有线连接，抽吸装置10的内部中间位置设置贯通到底的注水管道Ⅱ12，搅拌装置13内部中间位置设有和注水管道Ⅱ12位置相对应的通孔Ⅱ14，通孔Ⅱ14用于放置注水管道Ⅱ12，注水管道Ⅱ12的一端通过进水阀Ⅱ19和蓄水沉淀池20连接、另一端通过高压喷嘴控制器3和高压喷嘴Ⅲ15连接，此时搅拌装置13由HT200-10的中空旋转平台搭载750W的电机7连接中空的锥形搅拌器实现。
在一实施例中，高压喷嘴控制器3为ZDLP电子式电动单座调节阀。
本实施例中还提供一种适用于异形灌注桩的高压水射流成桩装置的施工方法，包括以下步骤：
a)预挖定位孔：定位开挖异形灌注桩位置，挖取成桩的直径大小的定位孔；
b)固定高压水射流成桩装置：固定高压水射流成桩装置并且调整开挖角度；
c)安置喷射装置并注入稳定液：将喷射装置底部放到预挖孔中，控制器控制进水阀Ⅰ17向注水管道Ⅰ2内注入稳定液；
d)输入开挖参数：根据土壤类型及开挖孔径大小和开挖速度结合压力传感器16的采集数据，通过控制器控制高压喷嘴控制器3来调整高压喷嘴Ⅰ4的水束压力、水束直径及喷射角度参数；
e)开挖下沉：将底部安装搅拌装置13的抽吸装置10下放到喷射装置内部，利用控制器开启搅拌装置13及抽水泵18，高压喷嘴Ⅰ4处喷出的稳定液软化土壤，搅拌装置13将土壤快速形成泥浆，同时利用控制器控制抽水泵18通过抽水管道11将泥浆抽向地表；随着土壤的软化刮削，喷射装置由自身重力逐渐下沉，达到开挖的目的；
f)异形形状开挖：当喷射装置到达预定的开挖深度后，将喷射装置的上方固定同时控制器控制高压喷嘴控制器3关闭高压喷嘴Ⅰ4，控制器控制电机7带动齿轮8驱动齿条9正反旋转从而实现可旋转侧壁5的正反旋转，同时控制器控制高压喷嘴控制器3开启高压喷嘴Ⅱ6，高压喷嘴Ⅱ6的开启数量及可旋转侧壁5的旋转角度根据异形桩的形状特征进行设定，高压喷嘴Ⅱ6喷射的稳定液软化喷射装置外侧对应的土壤并形成泥浆，泥浆通过抽水管道11抽向地表；
g)注入清孔液：控制器控制高压喷嘴控制器3关闭高压喷嘴Ⅱ6，控制器控制进水阀Ⅰ17向注水管道Ⅰ2内注入清孔液并开启高压喷嘴Ⅰ4，抽水管道11继续将混合泥浆抽出直至满足清孔要求；
h)回收抽吸装置10及搅拌装置13：完成清孔任务后，控制器控制高压喷嘴控制器3关闭高压喷嘴Ⅰ4，将抽吸装置10及搅拌装置13提起回收；
i)放置钢筋笼：将异形灌注桩所用钢筋笼放置到喷射装置内部，准备进行注浆任务；
j)注入混凝土浆：将混凝土浆注入进水管道Ⅰ，控制器控制电机7带动齿轮8驱动齿条9正反旋转从而实现可旋转侧壁5的正反旋转，同时控制器控制高压喷嘴控制器3开启高压喷嘴Ⅱ6及高压喷嘴Ⅰ4进行注浆，调整注浆压力达到混凝土注浆要求；
k)完成混凝土灌注：随着混凝土浆的注入，缓慢提升喷射装置，直至满足工程注浆要求；
l)清洗设备及养护：满足灌注要求后，对混凝土桩进行养护并回填开挖桩孔，对高压水射流装备进行清洗及养护。
步骤e中还包含利用控制器开启进水阀Ⅱ19向进水管道Ⅱ注入稳定液，同时控制器控制高压喷嘴控制器3开启高压喷嘴Ⅲ15，高压喷嘴Ⅲ15处喷出的稳定液进一步软化土壤，提高抽取泥浆的效率。
以上仅为本申请的部分优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种适用于异形灌注桩的高压水射流成桩装置，其特征在于，包括喷射装置、抽吸装置及控制器，喷射装置包括空心圆柱型外壳骨架及多个注水管道Ⅰ，外壳骨架内部沿着圆环对称设置贯通到底的多个注水管道Ⅰ，注水管道Ⅰ一端通过进水阀Ⅰ和蓄水沉淀池连接、另一端通过高压喷嘴控制器和高压喷嘴Ⅰ连接，外壳骨架外壁设有一圈可旋转侧壁，可旋转侧壁设有多个通孔Ⅰ用于放置径向的高压喷嘴Ⅱ，高压喷嘴Ⅱ通过软管和注水管道Ⅰ的径向开口连接，可旋转侧壁内部设有齿条，外壳骨架内部设有轴向的电机，电机的输出轴和齿轮固定连接，齿轮在电机输出轴的驱动下带动齿条旋转，从而实现高压喷嘴Ⅱ随着可旋转侧壁进行旋转；外壳骨架底部设有多个压力传感器；
抽吸装置设置于外壳骨架的内侧，抽吸装置内部对称设置L型的多个抽水管道，多个抽水管道的一端通过抽水泵和蓄水沉淀池连接、另一端设置于抽吸装置的外壁上用于抽吸泥浆；
控制器和压力传感器、高压喷嘴控制器、电机、进水阀Ⅰ及抽水泵有线连接。
2.根据权利要求1的一种适用于异形灌注桩的高压水射流成桩装置，其特征在于，抽吸装置底部设有搅拌装置，外壳骨架和搅拌装置转动连接，控制器和搅拌装置有线连接。
3.根据权利要求2的一种适用于异形灌注桩的高压水射流成桩装置，其特征在于，抽吸装置的内部中间位置设置贯通到底的注水管道Ⅱ，搅拌装置内部中间位置设有和注水管道Ⅱ位置相对应的通孔Ⅱ，通孔Ⅱ用于放置注水管道Ⅱ，注水管道Ⅱ的一端通过进水阀Ⅱ和蓄水沉淀池连接、另一端通过高压喷嘴控制器和高压喷嘴Ⅲ连接，控制器和进水阀Ⅱ有线连接。
4.根据权利要求1的一种适用于异形灌注桩的高压水射流成桩装置，其特征在于，可旋转侧壁的通孔Ⅰ数量不少于4个。
5.根据权利要求1的一种适用于异形灌注桩的高压水射流成桩装置，其特征在于，高压喷嘴控制器为ZDLP电子式电动单座调节阀。
6.根据权利要求1的一种适用于异形灌注桩的高压水射流成桩装置的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)预挖定位孔：定位开挖异形灌注桩位置，挖取成桩的直径大小的定位孔；
b)固定高压水射流成桩装置：固定高压水射流成桩装置并且调整开挖角度；
c)安置喷射装置并注入稳定液：将喷射装置底部放到预挖孔中，控制器控制进水阀Ⅰ向注水管道Ⅰ内注入稳定液；
d)输入开挖参数：根据土壤类型及开挖孔径大小和开挖速度结合压力传感器的采集数据，通过控制器控制高压喷嘴控制器来调整高压喷嘴Ⅰ的水束压力、水束直径及喷射角度参数；
e)开挖下沉：将底部安装搅拌装置的抽吸装置下放到喷射装置内部，利用控制器开启搅拌装置及抽水泵，高压喷嘴Ⅰ处喷出的稳定液软化土壤，搅拌装置将土壤快速形成泥浆，同时利用控制器控制抽水泵通过抽水管道将泥浆抽向地表；随着土壤的软化刮削，喷射装置由自身重力逐渐下沉，达到开挖的目的；
f)异形形状开挖：当喷射装置到达预定的开挖深度后，将喷射装置的上方固定同时控制器控制高压喷嘴控制器关闭高压喷嘴Ⅰ，控制器控制电机带动齿轮驱动齿条正反旋转从而实现可旋转侧壁的正反旋转，同时控制器控制高压喷嘴控制器开启高压喷嘴Ⅱ，高压喷嘴Ⅱ的开启数量及可旋转侧壁的旋转角度根据异形桩的形状特征进行设定，高压喷嘴Ⅱ喷射的稳定液软化喷射装置外侧对应的土壤并形成泥浆，泥浆通过抽水管道抽向地表；
g)注入清孔液：控制器控制高压喷嘴控制器关闭高压喷嘴Ⅱ，控制器控制进水阀Ⅰ向注水管道Ⅰ内注入清孔液并开启高压喷嘴Ⅰ，抽水管道继续将混合泥浆抽出直至满足清孔要求；
h)回收抽吸装置及搅拌装置：完成清孔任务后，控制器控制高压喷嘴控制器关闭高压喷嘴Ⅰ，将抽吸装置及搅拌装置提起回收；
i)放置钢筋笼：将异形灌注桩所用钢筋笼放置到喷射装置内部，准备进行注浆任务；
j)注入混凝土浆：将混凝土浆注入进水管道Ⅰ，控制器控制电机带动齿轮驱动齿条正反旋转从而实现可旋转侧壁的正反旋转，同时控制器控制高压喷嘴控制器开启高压喷嘴Ⅱ及高压喷嘴Ⅰ进行注浆，调整注浆压力达到混凝土注浆要求；
k)完成混凝土灌注：随着混凝土浆的注入，缓慢提升喷射装置，直至满足工程注浆要求；
l)清洗设备及养护：满足灌注要求后，对混凝土桩进行养护并回填开挖桩孔，对高压水射流装备进行清洗及养护。
7.根据权利要求6的一种适用于异形灌注桩的高压水射流成桩装置的施工方法，其特征在于,步骤e中还包含利用控制器开启进水阀Ⅱ向进水管道Ⅱ注入稳定液，同时控制器控制高压喷嘴控制器开启高压喷嘴Ⅲ，高压喷嘴Ⅲ处喷出的稳定液进一步软化土壤，提高抽取泥浆的效率。
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