本发明提供一种施工沉管挤密桩或混凝土灌注桩的设备及施工方法，采用圆柱重锤锤击主桩管的底端封头沉管成孔；采用在封头上设有通气孔减少起拔主桩管的阻力；采用在封头底部设有通过钢丝绳与主桩管连接的扩径板，并通过增加扩径板的直径来扩大成孔直径，从而减少起拔主桩管的阻力；采用主机上设有定滑轮组和动滑轮组来大大增加起拔主桩管的能力。
1.一种施工沉管挤密桩或混凝土灌注桩的设备，包括主机平台(1)，主机平台(1)的一边设有与其垂直的塔架(4)，支撑杆(13)一端与塔架(4)铰接，另一端与主机平台(1)铰接，主机平台(1)上设有第一卷扬机(2)、第二卷扬机(3)和定滑轮组(5)，与定滑轮组(5)匹配有动滑轮组(6)，塔架(4)顶端设有滑轮支架(10)，滑轮支架(10)上设有第一滑轮(7)、第二滑轮(8)和第三滑轮(9)；其特征在于，第一卷扬机(2)上的钢丝绳通过定滑轮组(5)和动滑轮组(6)，与动滑轮组(6)连接的两个第一钢丝绳(11)分别通过第一滑轮(7)、第三滑轮(9)与主桩管上的耳环(16)连接；第二卷扬机(3)上的第二钢丝绳(12)通过第二滑轮(8)牵引主桩管(15)内的圆柱形重锤(14)；所述的主桩管(15)包括一空心柱体，空心柱体一端的外侧配置有对称的耳环(16)，空心柱体另一端的腔体内配置有封头(17)，沿封头(17)的轴向开有通气孔(20)，通气孔(20)为阶梯形，通气孔(20)的小端与空心柱体的腔体相通，通气孔(20)的大端与空心柱体外相通；通气孔(20)的大端内配置有弹簧(18)，弹簧(18)的外端配置有直径大于通气孔(20)大端的开启板(19)。
2.根据权利要求1所述的一种施工沉管挤密桩或混凝土灌注桩的设备，其特征在于，在主桩管(15)有封头(17)的一端设置有直径大于主桩管(15)直径或封头(17)直径的扩径板(22)。
3.根据权利要求1或2所述的一种施工沉管挤密桩或混凝土灌注桩的设备，其特征在于，扩径板(22)上设置有与开启板(19)对应且尺寸大于开启板(19)尺寸的凹槽。
4.根据权利要求1或2所述的一种施工沉管挤密桩或混凝土灌注桩的设备，其特征在于，主桩管(15)的外侧设置一混凝土输送管(21)。
5.根据权利要求1或2所述的一种施工沉管挤密桩或混凝土灌注桩的设备，其特征在于，主桩管(15)的一端设置有销孔(24)，销孔(24)中插入销轴可以将不同管径的主桩管连接在一起。
6.根据权利要求2所述的一种施工沉管挤密桩或混凝土灌注桩的设备，其特征在于，所述的扩径板(22)通过第三钢丝绳(23)与主桩管(15)或封头(17)连接。
7.根据权利要求6所述的一种施工沉管挤密桩或混凝土灌注桩的设备，其特征在于，所述的扩径板(22)在混凝土输送管(21)的相对位置处通过销轴(25)与封头(17)连接。
8.采用权利要求2至7任一权利要求所述设备施工沉管挤密桩的方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：将扩径板(22)的中心与封头(17)的中心相对准，并保证通气孔(20)外端的开启板(19)放入扩径板(22)的凹槽内；
第二步：对准桩位点，缓慢放松第一卷扬机(2)上绕过的钢丝绳，使主桩管(15)对准桩位点；
第三步：启动第二卷扬机(3)，通过第二钢丝绳(12)吊起圆柱形重锤(14)一定高度处，放松第二卷扬机(3)，使圆柱形重锤(14)自由落体夯击封头(17)，如此反复，从而带动主桩管(15)下沉至设计深度处；
第四步：开启第二卷扬机(3)，通过第二钢丝绳(12)提升圆柱形重锤(14)，同时开启第一卷扬机(2)，通过第一钢丝绳(11)提升主桩管(15)直至地面，移开主机平台(1)；
第五步：先向孔内填入一定量的填料，如灰土、素土、水泥土、渣土；然后采用夯实机对孔内填料夯实，如此反复，分层填料，分层夯实，直至孔口。
9.采用权利要求2至7任一权利要求所述设备施工混凝土灌注桩的方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：将扩径板(22)的中心与封头(17)的中心相对准，并保证通气孔(20)外端的开启板(19)放入扩径板(22)的凹槽内；
第二步：对准桩位点，缓慢放松第一卷扬机(2)上绕过的钢丝绳，使主桩管(15)对准桩位点；
第三步：启动第二卷扬机(3)，通过第二钢丝绳(12)吊起圆柱形重锤(14)一定高度处，放松第二卷扬机(3)，使圆柱形重锤(14)自由落体夯击封头(17)，如此反复，从而带动主桩管(15)下沉至设计深度处；
第四步：开启第二卷扬机(3)，通过第二钢丝绳(12)提升圆柱重锤(14)，同时开启第一卷扬机(2)，通过第一钢丝绳(11)提升主桩管(15)到一定高度，该高度保证扩径板(22)自由悬挂在封头(17)底部；再通过混凝土输送管(21)向孔内灌注混凝土，边提升主桩管(15)边向孔内灌注混凝土，直至灌注至设计桩顶标高处后移开主机平台(1)；
第五步：若设计为钢筋混凝土灌注桩，提起钢筋笼，并采用常规的振动后插钢筋笼的方法将钢筋笼放入孔内。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，主桩管(15)起拔一定高度后，扩径板(22)自由端自动下垂，将混凝土通过输送管(21)灌入孔底，从而在混凝土灌注桩底端形成一扩大头，桩端扩大头的混凝土采用小粒径的干硬性混凝土。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，通过输送管(21)灌入孔底一定高度后，再启动圆柱形重锤(14)锤击封头(17)沉管，此时扩径板(22)自由端与封头(17)紧密结合，将孔内一定高度干硬性混凝土挤压向四周，在桩底端形成扩大头；如此反复多次，以保证扩大头达到预设的体积。
一种施工沉管挤密桩或混凝土灌注桩的设备及施工方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种施工沉管挤密桩或混凝土灌注桩的设备及施工方法，属于建筑工程地基处理和桩基施工技术领域。
背景技术
[0002] 目前建筑领域施工沉管挤密桩和混凝土灌注桩的设备主要为柴油锤打桩机，施工效率底，柴油锤冒烟污染严重，多地政府发文禁止柴油锤打桩机施工。另外由于其起拔力量小，对桩径大，桩较长的场所施工难度大，难以保证工程工期及质量。同时,现有设备由于柴油锤设在主机管顶端，因此打桩机顶部重量大，稳定性差，稍有场地不平，容易造成打桩机翻倒，发生安全事故。
发明内容
[0003] 为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提出一种施工沉管挤密桩或混凝土灌注桩的设备及施工方法，采用本发明技术，在施工沉管挤密桩时，可实现桩径Φ400-600㎜，桩长大于60米，适应于大厚度回填和自重湿陷性黄土的地基处理工程；在施工沉管混凝土灌注桩时，可实现桩径Φ400-800㎜，桩长大于30米，沉管灌注桩比钻孔灌注桩的承载力高。
[0004] 本发明的技术方案是通过以下方式实现的。
[0005] 一种施工沉管挤密桩或混凝土灌注桩的设备，包括主机平台，主机平台的一边设有与其垂直的塔架，支撑杆一端与塔架铰接，另一端与主机平台铰接，主机平台上设有第一卷扬机、第二卷扬机和定滑轮组，与定滑轮组匹配有动滑轮组，塔架顶端设有滑轮支架，滑轮支架上设有第一滑轮、第二滑轮和第三滑轮；第一卷扬机上的钢丝绳通过定滑轮组和动滑轮组，与动滑轮组连接的两个第一钢丝绳分别通过第一滑轮、第三滑轮与主桩管上的耳环连接；第二卷扬机上的第二钢丝绳通过第二滑轮牵引主桩管内的圆柱形重锤。
[0006] 所述的主桩管包括一空心柱体，空心柱体一端的外侧配置有对称的耳环，空心柱体另一端的腔体内配置有封头，沿封头的轴向开有通气孔，通气孔为阶梯形，通气孔的小端与空心柱体的腔体相通，通气孔的大端与空心柱体外相通；通气孔的大端内配置有弹簧，弹簧的外端配置有直径大于通气孔大端的开启板。
[0007] 在主桩管有封头的一端设置有直径大于主桩管直径或封头直径的扩径板。
[0008] 扩径板上设置有与开启板对应且尺寸大于开启板尺寸的凹槽。
[0009] 主桩管的外侧设置一混凝土输送管。
[0010] 主桩管的一端设置有销孔，销孔中插入销轴可以将不同管径的主桩管连接在一起。
[0011] 所述的扩径板通过第三钢丝绳与主桩管或封头连接。
[0012] 所述的扩径板在混凝土输送管的相对位置处通过销轴与封头连接。
[0013] 采用所述设备施工沉管挤密桩的方法，包括以下步骤：
[0014] 第一步：将扩径板的中心与封头的中心相对准，并保证通气孔外端的开启板放入扩径板的凹槽内；
[0015] 第二步：对准桩位点，缓慢放松第一卷扬机上绕过的钢丝绳，使主桩管对准桩位点；
[0016] 第三步：启动第二卷扬机，通过第二钢丝绳吊起圆柱形重锤一定高度处，放松第二卷扬机，使圆柱形重锤自由落体夯击封头，如此反复，从而带动主桩管下沉至设计深度处；
[0017] 第四步：开启第二卷扬机，通过第二钢丝绳提升圆柱形重锤，同时开启第一卷扬机，通过第一钢丝绳提升主桩管直至地面，移开主机平台；
[0018] 第五步：先向孔内填入一定量的填料，如灰土、素土、水泥土、渣土；然后采用夯实机对孔内填料夯实，如此反复，分层填料，分层夯实，直至孔口。
[0019] 采用所述设备施工混凝土灌注桩的方法，包括以下步骤：
[0020] 第一步：将扩径板的中心与封头的中心相对准，并保证通气孔外端的开启板放入扩径板的凹槽内；
[0021] 第二步：对准桩位点，缓慢放松第一卷扬机上绕过的钢丝绳，使主桩管对准桩位点；
[0022] 第三步：启动第二卷扬机，通过第二钢丝绳吊起圆柱形重锤一定高度处，放松第二卷扬机，使圆柱形重锤自由落体夯击封头，如此反复，从而带动主桩管下沉至设计深度处；
[0023] 第四步：开启第二卷扬机，通过第二钢丝绳提升圆柱重锤，同时开启第一卷扬机，通过第一钢丝绳提升主桩管到一定高度，该高度保证扩径板自由悬挂在封头底部；再通过混凝土输送管向孔内灌注混凝土，边提升主桩管边向孔内灌注混凝土，直至灌注至设计桩顶标高处后移开主机平台；
[0024] 第五步：若设计为钢筋混凝土灌注桩，提起钢筋笼，并采用常规的振动后插钢筋笼的方法将钢筋笼放入孔内。
[0025] 主桩管起拔一定高度后，扩径板自由端自动下垂，将混凝土通过输送管灌入孔底，从而在混凝土灌注桩底端形成一扩大头，桩端扩大头的混凝土采用小粒径的干硬性混凝土。
[0026] 通过输送管灌入孔底一定高度后，再启动圆柱形重锤锤击封头沉管，此时扩径板自由端与封头紧密结合，将孔内一定高度干硬性混凝土挤压向四周，在桩底端形成扩大头；如此反复多次，以保证扩大头达到预设的体积。
[0027] 本发明的有益效果是：
[0028] 一、在施工沉管挤密桩时，由于沉管挤密桩桩径大，桩较长，土的弹性收缩摩擦阻力大，而且起拔主桩管必然在主桩管底端形成真空状态，增加起拔主桩管的难度。本发明通过三个途经解决以上问题，第一，在主机平台上设有定滑轮组和动滑轮组，可以几十倍的增加第一卷扬机起拔主桩管的能力；第二，在封头上设有通气孔，通气孔开启靠压缩弹簧和开启板来实现，从而减少真空度；第三，在封头下面设有一块直径略大于封头直径的扩径板，沉管时孔径扩大减少摩擦阻力。
[0029] 二、在施工沉管混凝土灌注桩时，主要是桩端无沉渣，桩端土经挤密后的阻力值是钻孔灌注桩4-8倍，若土层中夹有碎石层、砂层时，钻孔有时也容易发生塌孔现象，需要采用泥浆护壁，由此不但大大降低了单桩的承载力，而且现场污染严重，施工质量难控制，施工效率低，施工费用高。而采用本发明技术可以克服以上缺点，其原理是，由主桩管挤密成孔，端阻力和摩擦力大大提高，主桩管又起到护壁作用。
附图说明
[0030] 图1是本发明装置的结构示意图。
[0031] 图2是封头17及其通气孔20的结构剖视图。
[0032] 图3是主桩管15、封头17、扩径板22的连接结构示意图。
[0033] 图4是主桩管15采用销孔24及销轴连接的机构示意图。
[0034] 图5是封头17、扩径板22铰轴连接的结构关系示意图。
具体实施方式
[0035] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0036] 参见图1，一种施工沉管挤密桩或混凝土灌注桩的设备，包括主机平台1，主机平台1的一边设有与其垂直的塔架4，支撑杆13一端与塔架4铰接，另一端与主机平台1铰接，主机平台1上设有第一卷扬机2、第二卷扬机3和定滑轮组5，与定滑轮组5匹配有动滑轮组6，塔架
4顶端设有滑轮支架10，滑轮支架10上设有第一滑轮7、第二滑轮8和第三滑轮9；第一卷扬机
2上的钢丝绳通过定滑轮组5和动滑轮组6，与动滑轮组6连接的两个第一钢丝绳11分别通过第一滑轮7、第三滑轮9与主桩管上的耳环16连接；第二卷扬机3上的第二钢丝绳12通过第二滑轮8牵引主桩管15内的圆柱形重锤14。定滑轮组5及动滑轮组6是匹配的，滑轮数量由第一卷扬机2的牵引力和主桩管15的起拔阻力经计算确定。支撑杆13一端与塔架4铰接，另一端与主机平台1铰接，以此加强设备的稳定性。启动第一卷扬机2，通过钢丝绳使动滑轮组6重直下行，再通过第一钢丝绳11和耳环16起拔主桩管15。第二卷扬机3上的钢丝绳通过第二滑轮8牵引主桩管15内的圆柱形重锤14，反复锤击主桩管15底端焊接的封头17，从而实现将主桩管15沉入土中的目的。
[0037] 参见图3、图4、图5，所述的主桩管15包括一空心柱体，空心柱体一端的外侧配置有对称的耳环16，空心柱体另一端的腔体内配置有封头17。
[0038] 参见图2，在施工灰土、素土、水泥土、渣土，沉管挤密桩时，为了减少因主桩管15起拔时在其底端孔内形成真实状态而造成起拔阻力增大，沿封头17的轴向开有通气孔20，通气孔20为阶梯形，通气孔20的小端与空心柱体的腔体相通，通气孔20的大端与空心柱体外相通；通气孔20的大端内配置有弹簧18，弹簧18的外端配置有直径大于通气孔20大端的开启板19，从而实现锤击沉管时开启板19与封头17紧密结合。当起拔主桩管15时，弹簧18伸长推动开启板19与封头17分开，形成空气通道，从而实现向主桩管15底端孔内通气克服真空状态，减少起拔主桩管15阻力的目的。对设计桩长较短，土中含水量低，起拔阻力小时，可不在封头17上设通气孔。
[0039] 参见图3、图5，当设计桩较长，桩径大，起拔主桩管15阻力太大，除在封头17上设通气孔外，在主桩管15有封头17的一端设置有直径大于主桩管15直径或封头17直径的扩径板22；扩径板22具体直径大于多少，根据起拔主桩管15的阻力确定；扩径板22通过第三钢丝绳
23连接在主桩管15或封头17上，第三钢丝绳23的长度为保证起拔主桩管15时扩径板22悬挂在封头17的下部。通过扩径板22在沉管成孔时扩大孔的直径，实现减小起拔主桩管15阻力的目的。
[0040] 扩径板22上设置有与开启板19对应且尺寸大于开启板19尺寸的凹槽。
[0041] 如图3所示，在施工混凝土灌注桩时，主桩管15的外侧设置一混凝土输送管21。
[0042] 无论施工沉管挤密桩或混凝土灌注桩时，当设计桩较长，主桩管15长度受塔架4高度限制，可采用多节主桩管15，主桩管15的一端设置有销孔24，销孔24中插入销轴可以将不同管径的主桩管连接在一起。如图4所示，混凝土输送管21采用丝扣连接，实现增加主桩管15长度的目的。
[0043] 所述的扩径板22通过第三钢丝绳23与主桩管15或封头17连接，其目的有两个，一个是锤击沉管时可封住混凝土输送管21下端开口，不使泥土进入管内；另一个是通过增加扩径板22的面积而扩大成孔直径，从而减小起拔主桩管15时的阻力。当锤击主桩管15底端焊接的封头17至设计深度时，边起拔主桩管15边通过混凝土输送管21向孔内灌注混凝土，直至灌注设计桩顶处。如果设计钢筋混凝土灌注桩，则采用通常的后插钢筋笼方法完成。
[0044] 如图5所示，所述的扩径板22在混凝土输送管21的相对位置处通过销轴25与封头17连接，并保证主桩管15起拔时钢板扩径板22自由端下垂，但角度小于90°。主桩管15起拔一定高度后，扩径板22自由端自动下垂，将混凝土通过输送管21灌入孔底，从而在混凝土灌注桩底端形成一扩大头，提高单桩承载力。桩端扩大头的混凝土采用小粒径的干硬性混凝土。
[0045] 通过输送管21灌入孔底一定高度后，再启动圆柱形重锤14锤击封头17沉管，此时扩径板22自由端与封头17紧密结合，将孔内一定高度干硬性混凝土挤压向四周，在桩底端形成扩大头；如此反复多次，以保证扩大头达到预设的体积。
[0046] 所述的主机平台1可为履带式、步履式或滚杠式。
[0047] 采用所述设备施工沉管挤密桩的方法，包括以下步骤：
[0048] 第一步：将扩径板22的中心与封头17的中心相对准，并保证通气孔20外端的开启板19放入扩径板22的凹槽内；
[0049] 第二步：对准桩位点，缓慢放松第一卷扬机2上绕过的钢丝绳，使主桩管15对准桩位点；
[0050] 第三步：启动第二卷扬机3，通过第二钢丝绳12吊起圆柱形重锤14一定高度处，放松第二卷扬机3，使圆柱形重锤14自由落体夯击封头17，如此反复，从而带动主桩管15下沉至设计深度处；
[0051] 第四步：开启第二卷扬机3，通过第二钢丝绳12提升圆柱形重锤14，同时开启第一卷扬机2，通过第一钢丝绳11提升主桩管15直至地面，移开主机平台1；
[0052] 第五步：先向孔内填入一定量的填料，如灰土、素土、水泥土、渣土；然后采用夯实机对孔内填料夯实，如此反复，分层填料，分层夯实，直至孔口。
[0053] 采用所述设备施工混凝土灌注桩的方法，包括以下步骤：
[0054] 第一步：将扩径板22的中心与封头17的中心相对准，并保证通气孔20外端的开启板19放入扩径板22的凹槽内；
[0055] 第二步：对准桩位点，缓慢放松第一卷扬机2上绕过的钢丝绳，使主桩管15对准桩位点；
[0056] 第三步：启动第二卷扬机3，通过第二钢丝绳12吊起圆柱形重锤14一定高度处，放松第二卷扬机3，使圆柱形重锤14自由落体夯击封头17，如此反复，从而带动主桩管15下沉至设计深度处；
[0057] 第四步：开启第二卷扬机3，通过第二钢丝绳12提升圆柱重锤14，同时开启第一卷扬机2，通过第一钢丝绳11提升主桩管15到一定高度，该高度保证扩径板22自由悬挂在封头17底部；再通过混凝土输送管21向孔内灌注混凝土，边提升主桩管15边向孔内灌注混凝土，直至灌注至设计桩顶标高处后移开主机平台1；
[0058] 第五步：若设计为钢筋混凝土灌注桩，提起钢筋笼，并采用常规的振动后插钢筋笼的方法将钢筋笼放入孔内。
[0059] 实施例一：
[0060] 本实施例概况为：某工程拟建场地为大厚度回填场地，回填深度23m，设计方案为2：8灰土沉管挤密桩方案，沉管成孔直径Φ450㎜，重锤分层夯实，夯扩后成桩直径Φ550㎜，桩距1.2m，桩长24m，等边三角形布桩，要求处理后复合地基承载力为250kpa。
[0061] 本实施例的具体办法是：1、采用滚杠式主机平台1，其上设有第一卷扬机2的牵引力为8T，定滑轮组5是11组滑轮，轮径Φ250㎜，动滑轮组6是11组滑轮，轮径Φ250㎜，连接动滑轮组6与主桩管15的耳环16的第一钢丝绳11直径为Φ43㎜，主桩管15的外径为Φ450㎜，封头17的直径为Φ450㎜，厚度200㎜，封头17上的通气孔20下段长10㎝，直径为Φ80㎜，其内安设的弹簧18长11㎝，与弹簧连接的开启板19直径为Φ100㎜，厚度为8㎜，封头17底部扩径板22直径为Φ500㎜，厚度为20㎜，圆柱形重锤14直径Φ377㎜，长度6m，重量5.2T。
[0062] 施工沉管挤密桩步骤，第一步：将扩径板22与封头17同心并对准桩位中心放下主柱管；第二步：启动第二卷扬机3提升重锤14反复锤击封头17，使主桩管进入土层24米；第三步：拔出主桩管，沉管挤密桩成孔完成；第四步：先向孔内填定量灰土，用夯实机对填料夯实，如此反复，直至回填夯实至孔口，该桩施工完成。经检测符合设计要求。
[0063] 实施例二：
[0064] 其工程为地面上18层住宅楼，拟建场地土层从基坑底向下依次为①层粉土8米，②层细砂3米，③层粘土5米，④层卵石层4米，设计方案为：采用沉管钢筋混凝土灌注桩，桩直径Φ450㎜，桩长17米，保证进入卵石层不得小于1米，但必须以最后锤击5击惯入度控制桩长，即重锤提高5米，连续夯击封头5次，主桩管惯入度不大于3㎝，为终孔标准。混凝土强度C40，钢筋笼外径Φ350㎜，长度大于17米，主筋为6Φ14㎜，绕筋为Φ8㎜，上段3米，间距100㎜，其余间距250㎜，施工后单桩极限承载力标准值大于400T，墙下布桩总桩数184根。
[0065] 1采用的设备与实施例一相同，仅做如下改造：
[0066] ①、主桩管15长度18米；②、在主桩管外焊接一根混凝土输送管，该管长度为18.2米，管外径133㎜，厚度10㎜；③、扩径板22的形状改变为在实施例一的基础上增设将混凝土输送管下口盖住部分，其他参数不变。
[0067] 施工钢筋混凝土灌注桩的步骤：
[0068] 第一步和第二步与实施例一相同。第三步，当锤提升高度5米连续夯击5次，惯入度小于2㎝时成孔结束；第四步，通过输送管灌注混凝土，再起拔主桩管，边起拔主桩管边灌注混凝土，直至灌注到设计桩顶处；第五步，用吊车后插钢筋笼的方法完成钢筋安放。
[0069] 桩基施工完后经检测符合设计要求。
