專利名稱：一種多盤體灌注樁一次成型裝置及其施工方法
技術領域：
本發明屬于建筑行業樁工機械及施工領域，涉及一種壓力注漿和振動器內置式多 盤體灌注樁一次成型裝置及其施工方法。
背景技術：
目前國內外在變截面樁或稱擠擴肢盤樁、夯(壓)擴樁、異型樁等方面已有許多成 熟技術設備和施工方法一是擠擴型樁，有代表性的樁型如擠擴肢盤樁采用鉆孔、專用擠擴 器擴孔、清底三機交叉使用，在很大程度上提高了灌注樁的承載力(抗拔力)問題，經濟效 益明顯，是國內比較前沿的樁型；但其存在三套設備交叉使用，成孔后反復擠擴次數多，時 有塌孔，在飽和性粘土、軟土及干作業成孔的砂、礫土層中成樁率不理想，土層的適應性受 到一定局限，含有大量泥漿排除和單樁工期長等缺點；二是錘擊式夯擴樁和靜壓式壓擴樁 技術，只在端部設置一個擴大盤，對設置深度及土層有較高要求，實用范圍較窄；三是人工 擴孔或高壓水(含水泥漿或其他化學漿液)沖擴式技術，采用成孔后人工挖擴成盤或高壓 水沖擊切削成盤，其承載力難以提高，事倍功半；四是機械切削式，即將安裝在旋轉臂桿上 的切削刀具，在旋轉臂強力下，將周邊土體逐步切削出有一定高度和直徑的圓柱形盤體，這 種方法的承載力提高微小；五是爆破擠擴樁，利用炸藥爆炸力擠擴成大頭狀，其適用區域受 限且成形不易控制；六是國外沈普勒克斯樁(Simplex pile)和法蘭克樁(Franki pile), 類似國內夯擴樁，靠錘擊內管強行擠出圓錐形樁鞋及填充物或靠圓柱形鋼錘自重自由落體 沖擊填充物直至樁端擴大頭形成為止；七是日本久保田鐵工株式會專用擴孔設備(可成多 節盤體)，采用鉆孔、旋轉式擠擴孔和清底三機合一實施成為多盤體灌注樁，但其設備造價 高，適用土層范圍窄小；八是日本鋼纖維預制全螺紋樁，其樁身整體為螺紋結構，便于增大 與土體摩擦面積，提高單樁承載力，但設備能耗太大，單樁承載力提高幅度不理想；九是國 內發明的螺旋擠孔灌注樁，主要原理是用專門機具擠壓土體成螺紋狀，管內泵送混凝土成 型，擴大了樁側摩阻面積而提高樁承載力，且螺紋樁在適宜的土層中對樁承載力有所提高， 但在軟土中難以成形且效果并不明顯；十是自動壓擴器壓擴樁技術，是申請人在2006年發 明的與靜力樁機配合使用的可實現樁身多個擴大盤的本裝置，因屬沉管灌注樁類型，軟弱 土層中也不能完全避免因超孔隙水壓力造成的樁身縮頸、頂托通病，而且樁長才20米，施 工方法是從底端開始擴盤，如實施多個擴大盤體則不能安放鋼筋籠，成為素混凝土多盤體 樁，其應用范圍受限，且在軟弱土層中間沒有適宜夾層時單樁承載力難達預期。綜上所述，軟土地區樁基安全性和經濟性是個技術難點，一般小于20層左右建筑 物在軟土中應用PHC管樁較多，但PHC管樁其金屬焊接接頭及空心截面剛度先天性不足，其 耐久性和抗震性也有待完善，在高層中使用單柱承臺樁數多，基礎體積過大，基礎部分造價 升高，性價比趨弱勢地位；大直徑深長鉆孔灌注樁采用泥漿護壁成孔，泥漿制作要求較高， 泥漿排除量很大，特別是施工中地下水資源消耗和污染較嚴重，現場文明衛生差，遇地下流 動水甚至動壓水時，成孔困難，適用范圍也成在一定局限性，且直桿灌注樁的承載力由于樁 的臨界深度和樁尺寸效應等先天性缺陷不可能有質的突破。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術存在的缺點，尋求設計一種壓力注漿和內置振動 器式多盤體灌注樁裝置及施工方法，有效地解決目前軟土中無較硬夾層時單樁承載力包括 抗拔力、抗震性能很難提高的技術難題。為了實現上述目的，本發明裝置的主體結構由樁身結構體、高壓注漿系統和擴盤 系統三部分組成；樁身結構體包括內結構A體、內結構B體、外結構體、弧形板、支撐梁、對 接承臺、振動器、振動器固定座、振動器固定卡、電源線、冷卻水進出水管、法蘭、法蘭連接螺 栓、振動阻尼墊和連接螺釘；內結構A體、內結構B體為圓形管狀或矩形空心狀，沿y軸向環 形均布至少二條以上與內結構體等長尺寸的矩型支撐梁，二條以上與內結構體等長尺寸的 對接承臺，內結構A體和內結構B體的尺寸、形狀、結構基本一致，內結構A體為基本節，頂 端設有法蘭，不設法蘭的下端為對接倉、高壓噴漿系統和擴盤系統的安裝基體，設有基準長 度；內結構B體上下端均設有法蘭，便于其它節對接或拆卸，滿足不同樁基深度和運輸要求 的活動節，長度可選；內結構A體為通長中空圓形管狀或矩形空心管狀，通過其頂端的法蘭 和法蘭螺栓與內結構B體底端的法蘭連接以調整樁身總長；內結構A體下端通過外螺紋與 對接倉內螺紋旋接其底端面頂緊在對接倉內臺肩上，弧形板跨越對接倉水平對接處其下端 用連接螺釘固定在對接倉外臺肩內，上端部用螺釘緊固在內結構A體支撐梁上，成拉接狀 態以增加內結構A體與對接倉的連接強度和密封性，保證傳力可靠；對接承臺并排安放兩 塊弧形板y軸向的結合端面，弧形板y軸向χ軸向端面均設有密封件以增加弧形板左右上 下對接時密封效果，防止產生滲漏現象；外結構體分成至少二片以上并具有一定長度和厚 度的弧形板(如分成兩片則為半圓形、四片則為1/4弧形)，其內側弧度與支撐梁頂面弧度 一致，弧形板對接合成后形成一個圓柱形外結構體，其圓心與內結構體圓心重合，圓柱外徑 為樁主徑尺寸；弧形板沿y軸向每相隔一段距離用連接螺釘與支撐梁和對接承臺緊固連接 成一體，沿弧形板內側y軸向分組分層安裝有振動器固定座，每層一組，每組沿外結構體內 側水平環繞安裝至少一個以上振動器固定座，其組數及個數主要根據弧形板的厚度、材質、 外結構體圓柱表面積及相應的土層性狀、振動器技術參數等進行設置或調整參入工作的振 動器數量；振動器為圓形或方形或扁形，液壓式振動器作為振動源均可以達到同樣效果； 支撐梁、對接承臺頂面安裝有振動阻尼墊，以隔阻或削弱強振對內結構體的傳遞，防止混凝 土過振而使混凝土產生離淅現象，啟動振動器，其絕大部分激振力將通過固定座傳遞給外 結構體弧形板，在多臺振動器共振作用下使弧形板產生較大振幅，振幅的傳遞使外結構體 周圍的握裹土體從靜態被激活轉變為動態，減少拔樁阻力90%左右。本發明的內結構A體、內結構B體頂端均設有同樣的法蘭及供安裝各種管道電源 線的孔洞，可互換；凡法蘭對接處的單塊弧形板安裝應上下節貫通搭接一定長度并起到共 同承擔壓應力和拉應力的補強作用，保避免造成斷樁發生；外結構體與內結構體兩者之間 空隙是由支撐梁、對接承臺高度以及相鄰間距控制，主要提供振動器、噴漿管，擴盤裝置液 壓油管及冷卻水、電纜敷設等空間支持，每組振動器安裝位置相對固定，振動相位優化組 合，振動器電纜中間采用無接頭連接。本發明的高壓注漿系統包括漿液管、漿液卡套式接頭、對接倉、對接倉內臺肩、對 接倉外臺肩、對接倉下臺肩、漿液缸、高壓噴嘴閥、彈簧、球閥、進漿口、漿液缸檢視蓋板和雙頭螺栓；對接倉為圓形整體式構件，其上部通過自身內螺紋與內結構A體下端外螺紋連接 成一體，外臺肩低于內臺肩使弧形板用螺釘緊固連接其上；對接倉的上部環形設有凹槽形 式的漿液缸，漿液缸內設置有支撐梁和對接承臺，漿液管通過內結構體支撐梁之間空隙與 設置在對接倉頂端的卡通式接頭相接，沿漿液缸弧形檢視蓋板內側相應部位安裝至少有一 個以上高壓噴嘴閥，采用固定位噴射或旋轉噴射形式均可；高壓噴嘴閥為單向閥，采用耐磨 合金制成，只有在超過單向閥彈簧壓力時球閥方可打開進漿口，漿液方可從噴嘴噴射出去， 一旦漿液壓力低于單向閥彈簧壓力，則球閥在彈簧壓力作用下迅速關閉進漿口，斷絕里外 聯通，使泥水不能滲入，漿液不能滴漏；漿液管直接與噴嘴閥進漿口相接，通過人工操作，密 閉的高壓漿液經由漿液管直達進漿口，克服彈簧壓力而開啟進漿口，漿液高速高壓(20Mpa 以上)噴射出去。本發明的擴盤系統包括油缸體、環狀活塞、活塞定位環、活塞桿、上下端蓋、上下導 向套、密封件、連桿、連桿座、連桿軸銷、截流閥、帶雙凹槽截流閥座、截流閥凸耳鉸接軸、截 流閥雙凸耳、進出油管、油管接頭和進出油道組成；圓形油缸體頂端面均勻分布制有多個螺 紋連接孔，用雙頭螺栓穿過對接倉下臺肩螺孔與油缸體頂端面螺紋孔擰緊，上部用螺帽擰 緊使對接倉與油缸體緊密銜接；對接倉下端面與油缸體頂端面結合處設置密封件，防止油 缸體內進油道和回油道從對接處滲漏而使擴盤系統工作失靈；上端蓋和下端蓋分別用外螺 紋與油缸體上下端內螺紋連接，上導向套和下導向套被上下端蓋分別壓緊在油缸體內上下 兩端以防止向外位移，上下導向套除提供活塞桿導向功能外，還通過安裝在導向套內圓的 密封件封閉活塞桿與導向套之間滑動間隙，通過安裝在導向套外園上的密封件密封導向套 與油缸體內壁之間的間隙，防止液壓油滲漏；環狀活塞分成兩個半圓套裝在活塞桿上并通 過半圓形活塞定位環固定在活塞桿上不能與活塞桿產生相對位移，活塞桿為中空管狀，混 凝土及鋼筋籠暢通；油缸體上油腔進油時環狀活塞被推動往下移動，環狀活塞與活塞桿固 定成一整體，帶動活塞桿向下移動；當油缸體下油腔充油時，活塞桿隨環狀活塞向上移動； 活塞桿下端沿圓周環形均布兩個以上安裝連桿的連桿座，通過連桿軸銷將連桿上端固定在 連桿座內作徑向轉動，連桿的下端通過連桿軸銷安裝在截流閥內側凹槽中作徑向旋轉運 動；帶雙凹槽截流閥座通過內螺紋與油缸體外螺紋連接，至少有兩個以上截流閥經由截流 閥雙凸耳被截流閥凸耳鉸接軸鉸接在帶雙凹槽截流閥座內作徑向旋轉運動，由于環狀活塞 上下位移帶動活塞桿及旋接在活塞桿下端的連桿座進而帶動連桿同步作垂直位移，因連桿 上端與連桿座鉸接，下端在截流閥內側凹槽內鉸接，推動或拉動截流閥沿截流閥凸耳鉸接 軸心在帶雙凹槽截流閥座內作徑向旋轉運動，進而達到直線運動轉換為旋轉運動使截流閥 關閉時成錐體形，打開時成盛開的荷花狀；截流閥兩翼制成刀刃狀結構，剪切力可剪碎常用 花崗石。本發明裝置的應用方法為先用靜力樁機夾持本裝置移位至樁位點，壓入小段距 離后停止，將預計用量的混凝土注入樁身內結構體，一次注入量不夠應在未空管前及時添 加，然后將本裝置壓入至適宜設置第一個擴大盤體的土層內0. 5 1. 5m(擴盤排序是從上 往下進行的，第一個盤體離地面最近，以此類推)后停止(稱第一次壓入，下同)；先啟動振 動器后提升本裝置的同時打開本裝置底端截流閥，儲存于樁身內結構體的混凝土立刻流出 并填充本裝置騰出的土體空間；提升高度1. 0 1. 5m即可關閉本裝置底端截流閥和振動器 的同時改為往下壓入本裝置至第一次壓入的標高后停止(稱第二次壓入，下同)；擴盤系統最下端為園柱錐形狀，第一次壓入是將相應位置的土體擠壓開形成足夠容納擴盤系統的外 徑體積的空間，并在提升時充填了混凝土，第二次壓入是在第一次灌注的混凝土中強行擠 壓進入，形成雀占鳩巢，擴盤系統將已充滿的相當于擴盤系統外徑體積的混凝土量擠壓向 周圍及下方土體，土體因遭受混凝土的擠迫而密實，本裝置最大擠壓力由靜力樁機總重和 壓力決定，國內樁機能達到12000KN ；再重復第一次提升本裝置工序，混凝土不斷流出填充 擴盤系統騰出的空間，根據土層及單樁承載力的需要以及預設盤體直徑來確定該土層反復 擴盤的次數；第一個擴大盤體成功后，將本裝置穿過第一個盤體(穿越時相當于又一次擠 擴此盤體)直接壓入適宜作第二個擴大盤體土層處1. 0 1. 5m后停止，先啟動振動器后開 啟截流閥的同時提升本裝置，混凝土不斷流出填充本裝置騰出的空間，按第一次擴盤工序 實施，則第二個擴大盤體成型；如此反復η次至多個擴大盤體形成；在擴大盤體與擴大盤體 之間，有一段直桿形主樁徑，針對直桿主樁徑在壓入過程啟動高壓噴漿泵，高壓漿液通過漿 液管和進漿口壓迫彈簧退縮而球閥打開，高壓漿液向樁身周圍射擊；當能量大、速度快和脈 動狀的噴射流的動壓力大于土層結構強度時，土顆粒便從土層中剝落下來，一部分細粒土 隨漿液或水向上溢出被上部已成型的擴大盤體擋住形成將盤體底面積包裹的次級擴大盤 體，其余土顆粒在射流的沖擊力和重力作用下與漿液攪拌混合，并按一定的漿土比例和質 量大小，有規律地重新排列混和并通過水泥與土顆粒的物理化學反應凝結成強度較高的水 泥土固結柱體，對增大單樁側摩阻力、豎向承載力、抗徑向擠壓力以及鋼筋防腐、防止砂土 液化和降低土的含水量等十分有利。本發明與現有技術相比具有下列優點一是徹底消除自動壓擴器在樁身沉管內 設置振動器，施工時工序繁瑣，工人操作強度大，混凝土常有過振離淅現象；二是樁周側約 0. 5m半徑范圍內軟土被改變成水泥土性狀，不但提供比軟土大得多的摩阻力，而且能提供 比軟土大得多的抗豎向、徑向變形強度，消除混凝土未凝固之前超孔隙水壓力造成的樁身 縮頸頂托夾泥等瑕疵，有效提高樁的承載力；三是采用振動器內置且在地面以下實施振動， 噪音小；四是解決了軟土(淤泥)中沒有較硬夾層可利用時其單樁承載力無力達到預期效 果的難題。
圖1為本發明的整體結構原理剖面示意圖。圖2為本發明的整體外觀結構原理示意圖。圖3為本發明的對接倉結構原理剖面示意圖。圖4為本發明的漿液缸結構原理俯視剖面示意圖。圖5為本發明的截流閥關閉狀態仰視結構原理示意圖。圖6為本發明的截流閥及截流閥座結構原理剖面示意圖。
具體實施例方式下面通過實施例并結合附圖作進一步說明。實施例本實施例由樁身結構體、高壓注漿系統和擴盤系統三部分組成，主體結構包括進 油管卡套式接頭1、回油管卡套式接頭1’、漿液卡套式接頭2、漿液管3、進水管4、出水管
84’、進油管5、回油管5’、法蘭6、法蘭連接螺栓7、支撐梁8、對接承臺8’、振動器固定座9、 振動器固定卡10、振動器11、漿液缸12、高壓噴漿閥13、振動器電源線14、雙頭螺栓15、雙 頭螺栓孔15’、漿液缸檢視蓋板16、連接螺釘17、內結構A體18、內結構B體18’、外結構體 19、弧形板19’、冷卻水循環孔20、對接倉21、對接倉內臺肩22、對接倉外臺肩22’、對接倉 下臺肩22”、上端蓋23、下端蓋23，、上導向套24、下導向套24，、活塞桿25、環狀活塞26、進 油道27、回油道27’、連桿座28、連桿29、截流閥雙凸耳30、連桿軸銷31、截流閥32、油缸體 33、帶雙凹槽截流閥座34、截流閥凸耳鉸接軸35、密封件36、活塞定位環37、振動阻尼墊38、 彈簧39、球閥40和進漿口 41 ；其中的樁身結構體包括內結構A體18、內結構B體18’、外結 構體19、弧形板19’、冷卻水進水管4、冷卻水出水管4’、法蘭6、法蘭連接螺栓7、支撐梁8、 對接承臺8’、振動器固定座9、振動器固定卡10、振動器11、振動阻尼墊38、振動器電源線 14和連接螺釘17 ；內結構A體18和內結構B體18’為通長厚壁圓形管狀，內結構A體18 和內結構B體18’的外圓面沿y軸向環形均布十條與內結構體等長其尺寸統一的矩型支撐 梁8，二條尺寸略寬的對接承臺8’，內結構A體18和內結構B體18’的尺寸、形狀、結構基 本一致，內結構A體18屬基本節，設有基準長度，頂端設有法蘭6，下端為高壓噴漿系統和擴 盤系統主要部件的安裝基體；內結構B體18’頂端和底端均制有法蘭6，屬可方便對接或拆 卸以滿足不同樁基深度和公路運輸法規要求的活動節，設有多種長度，其對接后與內結構A 體圓心保持重合；內結構A體18頂端部制有法蘭6，通過法蘭螺栓7與內結構B體18’底端 法蘭6連接以調整樁長；外結構體19制成一定長度和弧度的眾多弧形板19’，相鄰的弧形 板19’沿y軸向的端面對接安裝在專用的對接承臺8，上，兩片弧形板19’對接合圍成一個 圓形的管狀外結構體19，其圓心與內結構A體18圓心重合；相鄰的弧形板19’ χ軸向端面 高低錯位安裝，防止應力集中而破壞外結構體19強度；相鄰弧形板19’對接處其y軸向及 χ軸向端面均設有密封條進行密封；內結構體18、18’與外結構體19之間有一定空間是由 支撐梁8、對接承臺8，的高度提供，以滿足振動器、管道、冷卻水、電纜及計算機所需數據采 集器的安放或傳導空間的需要，堅實的外結構體19對上述置放入內的零部件起到很好的 保護作用，同時支撐梁8和對接承臺8，還起到增強內外結構體整體強度的功效，保障在靜 力樁機巨大夾持力下本裝置仍能正常工作；弧形板19’內側沿y軸向每隔一段距離設有一 組沿弧形板19’內側水平環形安放的三個振動器固定座9，用振動器固定卡10將振動器11 嵌固在振動器固定座9中，用螺釘緊固；支撐梁8、對接承臺8，的弧形頂面與弧形板19’內 側結合處均設有振動阻尼墊38，當振動器11開啟時，經相位優化組合的多組振動器11的激 振力產生共振而增大弧形板19’的振幅，往內結構體18、18’的振動傳導由于阻尼墊38的 作用被延滯阻隔，只有很小部分振動傳遞過去僅能起到對混凝土產生一定振搗密實作用， 而大部分振動通過弧形板19’傳導至外結構體19周圍土體之中，周圍有限半徑范圍已被擾 動土體因振動發生微小離淅動態，這種動態是拔樁所需要的土體動吸附狀態；振動器11工 作時溫度將急劇增高，支撐梁8和對接承臺8，每隔一段距離就設有冷卻水循環孔20，使整 個樁身內結構體和外結構體之間、支撐梁、對接承臺之間冷卻水均能對流循環，設在靜力樁 機支架上的水箱里安放有水泵，在水泵的壓力驅動下，冷卻水不斷從進水管4流進，吸受振 動器11散布的大量熱能后在水泵壓力驅使下從出水管4’流出進入水箱并將熱能散布到大 氣中，使水溫降低以被再次循環利用，保障振動器11長期使用不因過熱而損壞。
本實施例的高壓注漿系統包括對接倉21、漿液卡套式接頭2、漿液管3、漿液缸12、高壓噴漿閥13、球閥39、彈簧40、進漿口 41、漿液缸檢視蓋板16和連接螺釘17 ；對接倉21 為圓形整體構件，上部與內、外結構體連接，下部用雙頭螺栓15通過雙頭螺栓孔15’與油缸 體33頂端面的螺紋孔連接，是承上啟下抗壓抗拔重要傳力機構，通過壁內的進出油道27、 27’與油缸體33的進出油道27、27’相通，漿液缸12為有一定深度和寬度的環形凹槽，用漿 液缸檢視蓋板16封閉，為拆卸和維修之便；檢視蓋板16制成2塊半圓形板，用連接螺釘17 固定在對接倉21環形凹槽臺肩上，并有密封條密封；高壓漿液由安裝在靜力樁機平臺上高 壓注漿泵發生，漿液管3與設置在對接倉21上端的卡套式漿液接頭2連接，卡套式漿液接 頭2下端與漿液缸12內置的兩根環形漿液管3分別連接，互不相通；漿液管3與高壓噴漿 閥13的噴漿口 41直接用螺紋連接，高壓噴漿閥13安置在漿液缸檢視蓋板16內側，沿水平 環形布置有四個，采用固定位噴射式；高壓漿液閥13內設有彈簧40，彈簧靠自張力緊緊頂 住球閥39封住進漿口 41，當高于20Mpa漿液從注漿口 41沖向球閥39時，其壓力遠遠大于 彈簧40張緊力而球閥39被頂開，高壓漿液即從細小的噴嘴以很高壓力噴射一股流束沖擊 土體，當噴射流的動壓力大于土層結構強度時，土顆粒便從土層中剝落下來，一部分細粒土 隨漿液向上溢出被上部擴大盤體阻擋形成包裹擴大盤體底部的次級擴大盤體，其余土顆粒 在射流的沖擊力和重力等作用下，與水泥漿液攪拌混合，并通過物理化學反應凝結成強度 較高的水泥土柱體。 本實施例的擴盤系統包括進油管接頭1、回油管接頭1’、進油管5、回油管5’、油缸 體33、上端蓋23、下端蓋23，、上導向套24、下導向套24，、環狀活塞26、活塞桿25、進油道 27、回油道27’、連桿座28、連桿29、連桿軸銷31、截流閥雙凸耳30、截流閥32、帶雙凹槽截 流閥座34、截流閥凸耳鉸接軸35、密封件36和活塞定位環37 ；油缸體33頂端面沿環形設 有多個螺紋連接孔，雙頭螺栓15通過上部對接倉21的雙頭螺栓孔15’擰入螺紋連接孔中， 用螺帽在對接倉下臺肩22”處擰緊，結合面設有密封圈加強密封，防止在復雜受力狀況下產 生泄漏，導致擴盤異常；油缸體33上端設有一定長度內螺紋與上端蓋22外螺紋旋接，用以 調整對上導向套23的壓緊力，油缸體33下端同樣設有一定長度內螺紋與下端蓋22’外螺 紋旋接，籍以調整對下導向套23’的壓緊力，上導向套23及下導向套23’分別安裝于上端 蓋22、下端蓋22’之內側，其向外側的位移均受到上下端蓋的制約，導向套對活塞桿25起 導向作用；活塞桿25為空心管狀，混凝土和鋼筋籠可在其空心自由通過；環狀活塞26為2 個半圓，合攏后為一個圓柱形，圓表面與油缸體33內側緊密接觸，并設有多道密封件36 ；活 塞定位環37為有一定高度和厚度的半圓形卡環，內徑與活塞桿25外圓凹槽外徑相同，外徑 與環形活塞26內側凹槽內徑相同，定位環37的內環嵌于活塞桿25的外圓凹槽中，外環嵌 于活塞26內側凹槽中，油缸體33內徑是固定，環狀活塞26套裝在活塞桿25上裝入油缸體 33內后，χ軸向位移甚微，y軸向被活塞定位環37定位，環狀活塞26不能產生與活塞桿25 的相對位移；活塞桿25下端通過外螺紋與連桿座28內螺紋旋接成一體，連桿座28沿環周 均布6組凹形槽，六個連桿29的上端通過連桿軸銷31分別鉸接在連桿座28的六個凹形槽 內；連桿29的下端通過連桿軸銷31分別鉸接在六瓣截流閥32內側的凹槽中，帶雙凹槽截 流閥座34通過內螺紋與油缸體33下端外螺紋旋接成一體，六組截流閥雙凸耳30通過截流 閥凸耳鉸接軸35分別鉸接在帶雙凹槽截流閥座34的六組雙凹槽中，當液壓油從油缸體33 的上油腔進入時，作用在環狀活塞26的壓力迫使環狀活塞26下行，環狀活塞26通過活塞 定位環37帶動活塞桿25同步下行，從而活塞桿25通過連桿座28進而傳至連桿軸銷31推動連桿29下行，下行的連桿29其下端通過與截流閥32內側凹槽連桿軸銷31又推動截流 閥32向下運動，因截流閥32通過截流閥凸耳鉸接軸35與帶雙凹槽截流閥座34鉸接僅能 作徑向擺動，于是環狀活塞、活塞桿、連桿等一系列直線運動就轉換成截流閥的徑向旋轉運 動，使截流閥32開啟，混凝土及鋼筋籠暢通；反之，當液壓油從油缸體33下部空腔進入時， 作用在環狀活塞26底面積的壓力迫使環狀活塞26上行，油缸體33上空腔液壓油通過回油 道27’、回油管5’，回油管接頭1’及油管回流至液壓油箱進行冷卻和過濾；環狀活塞26上 行拉動活塞桿25同步上行，活塞桿25又通過螺紋連接的連桿座28經由被鉸接在連桿座28 的連桿29拉動被鉸接在連桿29下端的截流閥32作徑向運動，導致截流閥32關閉，混凝土 及鋼筋籠被截止，于是截流閥32在地下的開閉就完全可人為控制實施，截流閥32全開啟角 度小于180°，以防止出現死角而喪失關閉功能；為確保擴盤系統在地下工作的正常，除良 好可靠的聯動機構外，本實施例在上下端蓋、上下導向套、環狀活塞以及連桿座外圓面均設 有相應的密封件36，不僅防止液壓油的泄漏還防止地下壓力水的入侵。本實施例應用方法的特征為本裝置外徑尺寸完全套用市場現用PHC管樁相應尺 寸設計，只要能壓PHC管樁的抱箍式靜力樁機無需做任何改變就可夾持本裝置實施應用； 具體步驟分述如下第一步準備工作，將現有靜力樁機上的操作閥備用組啟用作為本裝置 的控制閥，另于靜力樁機平臺上增設高壓噴漿泵一臺，冷卻水箱一個，本裝置與外部連接的 水管、油管、漿管、電纜均采用柔性管，因本裝置在使用時壓入拔出標高相差很大，垂直移動 頻繁，靜力樁機平臺上設制一個可調節高度的卷揚滑輪組支架，滑輪個數與柔性管根數相 等，滑輪凹槽半徑大于柔性管半徑，支架底部分組設制大卷揚筒，卷揚筒上有序纏繞著柔性 管多余長度，卷揚筒采用數控模式，當本裝置往下壓入時，卷揚筒在計算機控制下轉動同步 放松柔性管跟隨下行，反之，本裝置提升時，卷揚筒由計算機控制反轉，收繳松動的柔性管 防止紊亂打結；在軟土中設置的樁一般都較深，往內結構體灌注混凝土采用混凝土輸送泵 車配合方可達到預期功效。第二步實施應用，選用符合本裝置外徑尺寸的弧形夾持鉗口安裝在靜力樁機沉臺 內就可夾持本裝置移位至樁位點，先壓入地下一小段距離后停止，將預計此根樁全部擴大 盤體所需混凝土量注入樁身內結構體18、18’，切忌不可多量；然后將本裝置壓入至適宜設 置第一個擴大盤體的土層并進入改土層約Im左右，然后停止，啟動振動器11約30s后提升 本裝置的同時打開本裝置底端截流閥32，儲存于內結構體的混凝土立刻流出并填充本裝置 騰出的空間；提升約Im高度，關閉截流閥32、振動器11，同時改為往下壓入至第一次壓入的 標高即停止，這時，底端為圓錐形的本裝置在靜力樁機強大壓應力下強行擠入第一次灌注 的混凝土中，進而占據本裝置相應體積空間，尚未凝固的相應體積混凝土被迫向周邊和下 方擠擴迫使相應范圍的土體被第二次擠壓密實；啟動振動器11約30s后再次提升本裝置同 時打開截流閥32，混凝土又不斷流出填充本裝置騰出的空間。提升約Im高后即可停止并 同步關閉截流閥32、振動器11的同時改為向下第三次壓入第一次的壓入標高即停止，往往 軟土中需三次以上擴盤才獲得理想的盤徑和土體強度效果，本裝置的擴盤原理不是靠截流 閥32的擴張力，是靠靜力樁機產生的強大壓入應力(最大可達12000KN)經夾持鉗口傳至 本裝置圓錐形底端集中生成巨大擠擴力而將土體或尚未凝固混凝土“活生生”擠開相應于 本裝置占有的體積，圓錐形在擠壓過程只起導向和均布壓應力的功用，如此大的體積土體 和混凝土被多次強行擠向周邊和下方，每擠擴一次混凝土盤體直徑就會擴大一些，而擴大的混凝土盤體體積需要占據更多的空間，于是又造成對相應范圍土體的擠擴和空間占領， 由于土體的無窮大，土體的變形只是在一定的范圍發生，這一定范圍內的土體中的空氣、水 首先被排擠出去，土顆粒之間空隙率隨空氣、水的排出變小，土的密實度提高了，相應土體 強度也會顯著增大，變形量變小，這是目前利用土力學特性來提高擴大盤體端承力最直接 最有效最經濟的方法，經靜力觸探對照表明，軟土中經擴盤三次的盤體外緣約0. 5m半徑范 圍內土體密實度一般提高50%以上；根據土層及單樁承載力的需要以及預設擴大盤體直 徑來確定該土層需反復擴盤幾次。第一個擴大盤體成型后，將本裝置繼續下壓穿過第一個擴大盤體(實質上對此盤體屬于第四次擠擴)直接壓入至適宜作第二個擴大盤體土層處進 入該土層約Im停止，啟動振動器11約30s和開啟截流閥32的同時提升本裝置，混凝土不 斷流出填充本裝置騰出的土體空間，反復第一次擴盤工序，則第二個擴大盤體成型。如此反 復，樁身多個擴大盤體形成；樁的傳力是從上往下逐步擴散，經試驗證明樁破壞時第四個擴 大盤體承力較少，這說明盤體過多并不能成正比的地提高單樁承載力，一般樁身通長設置 擴大盤體不宜超高四個，盤間距不小于3倍盤體直徑；在擴大盤體與擴大盤體之間，有一段 直桿形主樁徑，針對直桿主樁徑在壓入過程時啟動高壓噴漿機，高壓漿液可迅即通過漿液 管3、高壓噴漿閥13的進漿口 41壓迫彈簧39使球閥40開啟，高壓高速漿液以極高動壓力 噴射樁身周圍一定范圍內土體。當能量大、速度快和脈動狀的噴射流的動壓力大于土層結 構強度時，土顆粒便從土層中切割下來，一部分細粒土隨漿液或水向上溢出被上部的擴大 盤體擋住形成約等于擴大盤體底面積大小的次級擴大盤體，其余土顆粒在射流的沖擊力和 重力等作用下，與漿液攪拌混合，并按一定的漿土比例和質量大小，有規律地重新排列混和 并通過物理化學反應凝結成強度較高的水泥土柱形體，對增大側摩阻力、提高豎向承載力、 抗徑向擠壓力、鋼筋防腐、防止砂土液化和降低土的含水量等均有顯著的功效。高的比表面 積納米硅材料與水泥漿液混合噴射攪拌土體會顯著增大與土顆粒結合的比表面積，實驗表 明，摻入納米硅Si0_(2-x)可提高水泥土強度，進而提高單樁承載力，且納米硅價格在4. 5 元/kg范圍內時，其造價比純水泥漿還略有節省，摻入納米硅，對水泥漿的水灰比并無特別 要求。本實施例的最后一個擴大盤體即樁身底端擴大盤成型后，其內結構體的混凝土告 罄，如中途發現不足應及時添加混凝土，避免空管造成樁身質量問題；將已制作好的鋼筋籠 吊入η個內結構體18’、18，鋼筋籠外緣按規范相隔一段距離設置保護層墊塊，保證鋼筋籠 安置在內結構體中心，鋼筋籠安放妥當后即可灌注混凝土，因內結構體容積小于外結構體 容積，故混凝土應按外結構體19通長體積加充盈系數計算混凝土量，一次灌注不能滿足使 用要求的可以在空管之前補充灌注；接下來開啟冷卻水水泵，使冷卻水開始流動循環，啟動 全部振動器11約半分鐘后，再啟動高壓噴漿泵，打開通往高壓噴漿閥13的注漿操作閥，高 壓漿液沖開高壓噴嘴閥13的球閥40，漿液以高壓高速噴射流沖擊切割土體，同時緩慢提升 本裝置并同步開啟截流閥32，為保證混凝土的嚴密充實和噴漿攪拌均勻，本裝置提升速度 控制在每分鐘不大于1. 2米，提升小段距離后即可根據儀表顯示的提升阻力值關閉部分振 動器11，這樣邊振動邊灌注混凝土邊高壓噴漿邊提升直至本裝置底端離開地面，樁成型； 漿液缸12離地面約2米范圍應停止噴漿，只要先出地面的振動器就即可關閉，所有振動 器關閉后冷卻水應繼續循環10分鐘方可停止；無外加劑的地下混凝土的初凝時間為6 IOh,因此樁身直桿部分雖與擴大盤體特別是第一個盤體不是同時間成型，但樁長50米正 常成樁時間不會超過90分鐘，并不影響直桿部分和盤體部分結合整體性，和在地面澆筑大 體積混凝土采用分段分區進行一樣，并不妨礙大體積混凝土的整體強度和剛度，同時由于 盤體設計高度總是大于1米，盤體受剪切或沖切不需要驗算。
權利要求
一種多盤體灌注樁一次成型裝置，主體結構由樁身結構體、高壓注漿系統和擴盤系統三部分組成；樁身結構體包括內結構A體、內結構B體、外結構體、弧形板、支撐梁、對接承臺、振動器、振動器固定座、振動器固定卡、電源線、冷卻水進出水管、法蘭、法蘭連接螺栓、振動阻尼墊和連接螺釘，其特征在于內結構A體、內結構B體為圓形管狀或矩形空心狀，沿y軸向環形均布至少二條以上與內結構體等長尺寸的矩型支撐梁，二條以上與內結構體等長尺寸的對接承臺，內結構A體和內結構B體的尺寸、形狀、結構一致，內結構A體為基本節，頂端設有法蘭，不設法蘭的下端為對接倉、高壓噴漿系統和擴盤系統的安裝基體，設有基準長度；內結構B體上下端均設有法蘭，便于其它節對接或拆卸，滿足不同樁基深度和運輸要求的活動節，長度可選；內結構A體為通長中空圓形管狀或矩形空心管狀，通過其頂端的法蘭和法蘭螺栓與內結構B體底端的法蘭連接以調整樁身總長；內結構A體下端通過外螺紋與對接倉內螺紋旋接其底端面頂緊在對接倉內臺肩上，弧形板跨越對接倉水平對接處其下端用連接螺釘固定在對接倉外臺肩內，上端部用螺釘緊固在內結構A體支撐梁上，成拉接狀態以增加內結構A體與對接倉的連接強度和密封性，保證傳力可靠；對接承臺并排安放兩塊弧形板y軸向的結合端面，弧形板y軸向x軸向端面均設有密封件以增加弧形板左右上下對接時密封效果，防止產生滲漏現象；外結構體分成至少二片以上并具有一定長度和厚度的弧形板，其內側弧度與支撐梁頂面弧度一致，弧形板對接合成后形成一個圓柱形外結構體，其圓心與內結構體圓心重合，圓柱外徑為樁主徑尺寸；弧形板沿y軸向每相隔一段距離用連接螺釘與支撐梁和對接承臺緊固連接成一體，沿弧形板內側y軸向分組分層安裝有振動器固定座，每層一組，每組沿外結構體內側水平環繞安裝至少一個以上振動器固定座，其組數及個數根據弧形板的厚度、材質、外結構體圓柱表面積及相應的土層性狀、振動器技術參數進行設置或調整參入工作的振動器數量；振動器為圓形或方形或扁形的液壓式振動器；支撐梁、對接承臺頂面安裝有振動阻尼墊，以隔阻或削弱強振對內結構體的傳遞，防止混凝土過振而使混凝土產生離淅現象，啟動振動器，其激振力通過固定座傳遞給外結構體弧形板，在多臺振動器共振作用下使弧形板產生較大振幅，振幅的傳遞使外結構體周圍的握裹土體從靜態被激活轉變為動態，減少拔樁阻力90％左右；高壓注漿系統包括漿液管、漿液卡套式接頭、對接倉、對接倉內臺肩、對接倉外臺肩、對接倉下臺肩、漿液缸、高壓噴嘴閥、彈簧、球閥、進漿口、漿液缸檢視蓋板和雙頭螺栓；對接倉為圓形整體式構件，其上部通過自身內螺紋與內結構A體下端外螺紋連接成一體，外臺肩低于內臺肩使弧形板用螺釘緊固連接其上；對接倉的上部環形設有凹槽形式的漿液缸，漿液缸內設置有支撐梁和對接承臺，漿液管通過內結構體支撐梁之間空隙與設置在對接倉頂端的卡通式接頭相接，沿漿液缸弧形檢視蓋板內側相應部位安裝至少一個以上高壓噴嘴閥，采用固定位噴射或旋轉噴射形式；高壓噴嘴閥為單向閥，采用耐磨合金制成，在超過單向閥彈簧壓力時球閥打開進漿口，漿液從噴嘴噴射出去，漿液壓力低于單向閥彈簧壓力，球閥在彈簧壓力作用下迅速關閉進漿口，斷絕里外聯通，使泥水不能滲入，漿液不能滴漏；漿液管直接與噴嘴閥進漿口相接，密閉的高壓漿液經由漿液管直達進漿口，克服彈簧壓力而開啟進漿口，漿液噴射出去；擴盤系統包括油缸體、環狀活塞、活塞定位環、活塞桿、上下端蓋、上下導向套、密封件、連桿、連桿座、連桿軸銷、截流閥、帶雙凹槽截流閥座、截流閥凸耳鉸接軸、截流閥雙凸耳、進出油管、油管接頭和進出油道；圓形油缸體頂端面均勻分布制有螺紋連接孔，用雙頭螺栓穿過對接倉下臺肩螺孔與油缸體頂端面螺紋孔擰緊，上部用螺帽擰緊使對接倉與油缸體緊密銜接；對接倉下端面與油缸體頂端面結合處設置密封件，防止油缸體內進油道和回油道從對接處滲漏而使擴盤系統工作失靈；上端蓋和下端蓋分別用外螺紋與油缸體上下端內螺紋連接，上導向套和下導向套被上下端蓋分別壓緊在油缸體內上下兩端以防止向外位移，上下導向套除提供活塞桿導向功能外，還通過安裝在導向套內圓的密封件封閉活塞桿與導向套之間滑動間隙，通過安裝在導向套外園上的密封件密封導向套與油缸體內壁之間的間隙，防止液壓油滲漏；環狀活塞分成兩個半圓套裝在活塞桿上并通過半圓形活塞定位環固定在活塞桿上不能與活塞桿產生相對位移，活塞桿為中空管狀，混凝土及鋼筋籠暢通；油缸體上油腔進油時環狀活塞被推動往下移動，環狀活塞與活塞桿固定成一整體，帶動活塞桿向下移動；當油缸體下油腔充油時，活塞桿隨環狀活塞向上移動；活塞桿下端沿圓周環形均布兩個以上安裝連桿的連桿座，通過連桿軸銷將連桿上端固定在連桿座內作徑向轉動，連桿的下端通過連桿軸銷安裝在截流閥內側凹槽中作徑向旋轉運動；帶雙凹槽截流閥座通過內螺紋與油缸體外螺紋連接，至少有兩個以上截流閥經由截流閥雙凸耳被截流閥凸耳鉸接軸鉸接在帶雙凹槽截流閥座內作徑向旋轉運動，由于環狀活塞上下位移帶動活塞桿及旋接在活塞桿下端的連桿座進而帶動連桿同步作垂直位移，因連桿上端與連桿座鉸接，下端在截流閥內側凹槽內鉸接，推動或拉動截流閥沿截流閥凸耳鉸接軸心在帶雙凹槽截流閥座內作徑向旋轉運動，進而達到直線運動轉換為旋轉運動使截流閥關閉時成錐體形，打開時成盛開的荷花狀；截流閥兩翼制成刀刃狀結構。
2.根據權利要求1所述的多盤體灌注樁一次成型裝置，其特征在于內結構A體、內結 構B體頂端均設有同樣的法蘭及供安裝各種管道電源線的孔洞，可互換；法蘭對接處的單 塊弧形板安裝應上下節貫通搭接并起到共同承擔壓應力和拉應力的補強作用，避免造成斷 樁發生；外結構體與內結構體兩者之間空隙是由支撐梁、對接承臺高度以及相鄰間距控制， 提供振動器、噴漿管、擴盤裝置液壓油管及冷卻水、電纜敷設的空間支持，每組振動器安裝 位置相對固定，振動相位優化組合，振動器電纜中間采用無接頭連接。
3.—種多盤體灌注樁一次成型施工方法，其特征在于先用靜力樁機夾持本裝置移位至 樁位點，壓入后停止，將預計用量的混凝土注入樁身內結構體，一次注入量不夠應在未空管 前及時添加，然后將本裝置壓入至適宜設置第一個擴大盤體的土層內0. 5 1. 5m后停止即 第一次壓入；先啟動振動器后提升本裝置的同時打開本裝置底端截流閥，儲存于樁身內結 構體的混凝土立刻流出并填充本裝置騰出的土體空間；提升高度1. 0 1. 5m即可關閉本裝 置底端截流閥和振動器的同時改為往下壓入本裝置至第一次壓入的標高后停止即第二次 壓入；擴盤系統最下端為園柱錐形狀，第一次壓入是將相應位置的土體擠壓開形成足夠容 納擴盤系統的外徑體積的空間，并在提升時充填了混凝土，第二次壓入是在第一次灌注的 混凝土中強行擠壓進入形成雀占鳩巢，擴盤系統將已充滿的擴盤系統外徑體積的混凝土量 擠壓向周圍及下方土體，土體因遭受混凝土的擠迫而密實，本裝置擠壓力由靜力樁機總重 和壓力決定；再重復第一次提升本裝置工序，混凝土不斷流出填充擴盤系統騰出的空間，根 據土層及單樁承載力的需要以及預設盤體直徑確定該土層反復擴盤的次數；第一個擴大盤 體成功后，將本裝置穿過第一個盤體直接壓入適宜作第二個擴大盤體土層處1. 0 1. 5m后 停止，先啟動振動器后開啟截流閥的同時提升本裝置，混凝土不斷流出填充本裝置騰出的 空間，按第一次擴盤工序實施，則第二個擴大盤體成型；如此反復至多個擴大盤體形成；在 擴大盤體與擴大盤體之間，有一段直桿形主樁徑，針對直桿主樁徑在壓入過程啟動高壓噴漿泵，高壓漿液通過漿液管和進漿口壓迫彈簧退縮而球閥打開，高壓漿液向樁身周圍射擊； 當噴射流的動壓力大于土層結構強度時，土顆粒便從土層中剝落下來，一部分細粒土隨漿 液或水向上溢出被上部已成型的擴大盤體擋住形成將盤體底面積包裹的次級擴大盤體，其 余土顆粒在射流的沖擊力和重力作用下與漿液攪拌混合，并按漿土比例和質量大小，有規 律地重新排列混和并通過水泥與土顆粒的物理化學反應凝結成強度較高的水泥土固結柱 體，利于增大單樁側摩阻力、豎向承載力、抗徑向擠壓力以及鋼筋防腐、防止砂土液化和降 低土的含水量。
全文摘要
本發明屬于建筑行業樁工機械及施工技術領域，涉及一種壓力注漿和振動器內置式多盤體灌注樁一次成型裝置及其施工方法，本裝置采用壓力注漿結構和內置振動器結構特征，經過成孔、多次擴大盤體、壓入過程樁身周側自動壓力噴漿或水泥納米漿液將軟土改變為強度較高的水泥土性狀、安放鋼筋籠、灌注混凝土、提升過程樁身周側再次自動壓力噴漿、內置振動器振動拔樁同步實施砼可控振搗和樁成型等八個工序將高壓噴漿及振動拔樁同步砼振搗擠擴多個盤體灌注樁一次成型，其主體結構簡單，施工操作安全可靠，施工工序簡便，軟土摩阻力大，樁的承載力強，施工現場環境友好。
文檔編號E02D15/04GK101914916SQ201010248080
公開日2010年12月15日 申請日期2010年8月4日 優先權日2010年8月4日
發明者寇海磊, 張民義, 歐陽甘霖, 殷作鵬 申請人:歐陽甘霖