振动沉管碎石桩气冲法施工工艺及其设备 【技术领域】
本发明涉及一种振动沉管碎石桩气冲法施工工艺及其设备。
背景技术
目前，在饱和砂土、粉土、粘性土地层，进行振动沉管碎石桩施工时，由于成孔时振动作用，土层受扰动甚至液化，对桩管底部活门及管内砂石料产生较大的浮力作用，砂石料不能或很少排出，影响施工质量及进度。此问题在桩长大于10米时尤为明显。过去遇到此类问题时，一般有四种施工方法：①桩管底部加混凝土预制桩尖法；②桩管内灌水法；③桩管内夯锤法；④大幅度反插法。这些方法施工速度慢，施工质量不易保证。如谏壁电厂碎石桩工程中，桩长13.5m。采用①种方法时，在地面6.5m以下，桩管排不出石料；采用②③种方法，最快施工速度分别是15、25根/天·台；采用④种方法，施工所形成的碎石桩桩体均匀度较差，复合地基承载力不易保证，最快施工速度是20根/天·台。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种施工速度快、能形成强度较高复合地基的振动沉管碎石桩气冲法施工工艺。
本发明的另一个目的是提供一种振动沉管碎石桩气冲法施工工艺所使用的设备。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种振动沉管碎石桩气冲法施工工艺，该工艺包括下述步骤：
(1)、移动桩机及塔架，把桩管或桩尖对准桩位；
(2)、启动振动锤，把桩管下沉到设计的深度；
(3)、在下沉过程中的同时或在下沉到设计的深度后，向桩管内加入规定数量的砂石料；
(4)、通过空压机向桩管内充气，当桩管内的充气气压达到桩长所要求的对应的压力后，停止充气；
(5)、启动振动锤，把桩管提升1～2m，在提升的过程中，桩管的出料活门在气压及砂石料的重力作用下自动打开，桩管内石料在气压和重力作用下流入钻孔中；
(6)、降落桩管，利用振动或及桩尖的挤压作用使砂石密实；
(7)、重复(4)、(5)、(6)三步骤，其中，在步骤(4)中，充气的气压根据变化地桩长进行调节；
(8)、当桩管内砂石料用到规定程度时，再向桩管内添加砂石料，重复(4)、(5)、(6)三步骤；
(9)、桩管提至砂石桩设计顶标高，制桩完成。
在所述的步骤(1)中，要根据地层的强度决定桩管的下端是否安装桩尖，如地层的强度偏高，沉管困难时，就要加桩尖；如地层的强度不偏高，沉管可以进时，就不加桩尖。
在所述的步骤(4)中，所述的桩管内的充气气压与桩长的对应关系为：在桩长以4.0m为起点，充气气压以0为起点(此时为大气压)，桩长每增加2.0m，充气气压增加0.1Mpa。根据土层的变化，充气气压需要适当的调整，即适当的增加或减少。
在所述的步骤(3)中，在下沉过程中方便时加砂石料，要比在下沉到设计的深度后加砂石料能够提高施工工效。
本发明的方法中所使用的设备，该设备包括有塔架、桩机，该桩机包括有桩管、及其驱动装置，该驱动装置由振动锤及其电机和传动机构所组成；在桩管中的下部设有出料活门、及出料口；在桩管的上部设有进料口、及进料斗；该桩管并配有桩尖，上述结构均为公知的结构，为了配合本发明的方法进行气冲法施工，该设备还包括有空压机，且在桩管的上部设有进气口，空压机的供气口通过进气管与进气口相接，并且在桩管的进料口处设有可以朝内开启的挡气板。
可以朝内开启的挡气板有多种方式，其中，如：挡气板通过在撑杆上滑动进行朝内开启；挡气板通过其上部的活动拉环与桩管内壁铰接，可进行朝内开启。其复位可以通过桩管充气的压力进行复位，还可以再加上回位簧进行复位。
其中第一种结构：所述桩管内壁固定有与桩管垂直的撑杆，挡气板通过其上的通孔滑动连接在撑杆上，在挡气板的内侧面连接回位簧的一端，回位簧的另一端连接在与挡气板相对的桩管内壁上。加料时，向进料斗中加入砂石料，利用砂石料的自身的重量冲开挡气板，使挡气板以撑杆为导轨，向相对的桩管内壁方向移动，这样就打开了挡气板；当停止加料时，由于进料斗中没有料了，挡气板在回位簧的作用下，回到起始的位置，即关闭了挡气板。
其中第二种结构：在所述桩管内壁的进料口的上方设有朝上、下延长的长孔，并在挡气板上设有通孔，由活动拉环穿过上述二孔，使挡气板铰接在桩管内壁上，且活动拉环上连接回位簧的一端，回位簧的另一端连接在与挡气板相对的桩管内壁上。加料时，向进料斗中加入砂石料，利用砂石料的自身的重量使铰接的挡气板向内张开，这样就打开了挡气板；当停止加料时，由于进料斗中没有料了，挡气板在回位簧的作用下，回到起始的位置，即关闭了挡气板。
本发明的挡气板结构不限于上述二种结构，还可以有其它的结构。
在本发明设备的桩管中，所述的进气口设在与挡气板相对的桩管内壁上。当停止加料、向桩管中充气时，压缩空气进入桩管中，并靠气冲将挡气板密闭。
本发明的优点是：
振动沉管碎石桩气冲法施工工艺是采用传统的打桩机和低压空气压缩机(0.196MPa＜P≤0.98MPa)相结合进行施工，桩管内的砂石料在空气压力及重力作用下，克服土层中液体产生的浮力，均匀进入土层，经过桩管的振动挤密，形成强度较高的复合地基。振动沉管碎石桩气冲法施工时，最佳施工速度是35～40根/天·台。是常规施工方法的1.5～2.6倍。各种方法施工所形成的碎石桩检测结果见附表。
振动沉管碎石桩重型动力触探检测表 施工方法桩机内夯锤法大幅度反插法本发明的气冲法修正后的平均击数 7 8 10
【附图说明】
图1为本发明的设备结构示意图
图2为本发明的桩机的桩管结构(挡气板第一种结构方式)的示意图
图3为本发明的桩机的桩管结构(挡气板第二种结构方式)示意图
【具体实施方式】
本发明的振动沉管碎石桩气冲法施工工艺所使用的设备，如图1、图2所示，该设备包括有塔架1、在塔架1上吊装桩机，并配有空压机10。该桩机包括有桩管4、及其驱动装置，该驱动装置由振动锤3及其电机和传动机构所组成。在桩管4的下端装有桩尖12；在桩管4中的下部设有出料活门7、及出料口；在桩管4的上部设有进料口、及进料斗2，并在桩管4内的进料口处设有挡气板5；在桩管4内壁固定有与桩管4垂直的撑杆13，挡气板5通过其上的通孔滑动连接在撑杆13上，在挡气板5的内侧面连接回位簧6的一端，回位簧6的另一端连接在与挡气板5相对的桩管4内壁上；在桩管4的上部设有进气口8，进气口8设在与挡气板5相对的桩管4内壁上，且空压机10的供气口通过进气管9与进气口8相接。工作时，该设备的进料和进气的过程如下：需要加料时，向进料斗2中加入规定数量的砂石料，利用砂石料的自身的重量冲开挡气板5，使挡气板5以撑杆13为导轨，向相对的桩管内壁方向移动，这样就打开了挡气板5；当停止加料、需要进气时，由于进料斗2中没有料了，挡气板5在回位簧6的作用下，回到起始的位置，即关闭了挡气板5，打开空压机10上的阀门开关11，向桩管4中充气，压缩空气通过进气管9、进气口8进入桩管4中，并靠气冲将挡气板5密闭。
如图3所示，该图中的桩机的桩管结构除用活动拉环的结构代替撑杆结构外，其余的都与图2中的结构相同。在所述桩管4内壁的进料口的上方设有朝上、下延长的长孔16，并在挡气板5上设有通孔17，由活动拉环15穿过上述二孔，使挡气板5铰接在桩管4内壁上，且活动拉环15上连接回位簧6的一端，回位簧6的另一端连接在与挡气板5相对的桩管4内壁上。加料时，向进料斗2中加入砂石料，利用砂石料的自身的重量使铰接的挡气板5向内张开，这样就打开了挡气板5；当停止加料时，由于进料斗2中没有料了，挡气板5在回位簧6的作用下，回到起始的位置，即关闭了挡气板5。
采用上述设备进行振动沉管碎石桩气冲法施工工艺，桩长12米。如图1、图2、图3所示，其工作步骤如下：
(1)首先移动桩机及塔架1，把桩管4或桩尖12对准桩位。
(2)然后启动振动锤3，把桩管4下沉到设计的深度一12米，在桩管4的下沉过程中向桩管4内加入规定数量的石料。
(3)停止加料后，开启空压机10，通过压力调节器控制压力，开启桩机进气管阀门11，向桩管4内充气，并靠气冲压力及回位簧将上料门密闭。
(4)当桩管内充气气压达到规定要求时，即当桩管内的充气气压达到桩长所要求的对应的压力后，停止充气；也就是根据桩长，控制其对应的充气压力，桩机内的充气气压与桩长的对应关系为：在桩长以4.0m为起点，充气气压以0为起点(此时为大气压)，桩长每增加2.0m，充气气压增加0.1Mpa。如12米的桩长，其对应的充气气压为0.4Mpa。桩长与充气气压对照参考表如下：桩长(m)16.0 14.0 12.0 10.0 8.0 6.0 4.0充气气压(Mpa)0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0根据土层的变化，充气气压需要适当的调整，即适当的增加或减少。其每个充气气压值的调整的波动的范围是：±0.05Mpa。
(5)启动振动锤3，再把桩管4提升1.5m，提升时，桩管底活门7在气压及砂石料的重力作用下自动打开，桩管4内砂石料在气压和重力作用下，克服管外土层压力流入钻孔中。
(6)再降落桩管4，利用振动或及桩尖12的挤压作用使砂石密实。
(7)然后重复(5)、(6)的两个步骤，使得砂石桩不断增高，制桩过程中，根据桩长的不断变化应参照气压与桩长对照参考表不断调节桩管4内的气压，保证碎石桩的施工质量。
(8)当桩管4内砂石料用到规定程度时，关闭桩管4的进气管阀门11，向桩管4内添加砂石料。然后再重复的个步骤(4)(5)、(6)、(7)。
(9)桩管4提至砂石桩设计顶标高，制桩完成。