建筑施工機械-樁工機械

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建筑施工機械,第十講 樁工機械,本章主要內(nèi)容：,第一節(jié) 打樁機 第二節(jié) 鉆孔機,樁工機械是進行樁基礎(chǔ)工程施工的各種機械設(shè)備的總稱。樁基礎(chǔ)由樁和承臺組成，施工的關(guān)鍵在于成樁。樁按施工方法的不同，分為預(yù)制樁和灌注樁兩大類。預(yù)制樁施工是將預(yù)制好的樁沉入設(shè)計要求的深度；灌注樁施工是先在地基上按設(shè)計要求的位置、尺寸成孔，然后在孔內(nèi)置筋、灌注混凝土而成樁。,預(yù)制樁沉樁方法采用打入法、振動法和靜壓法三種方法施工。所用的機械：打入法主要用落錘、柴油錘、液壓錘等；振動法用振動錘；各種樁錘和樁架合起來稱為打樁機（靜壓法則用靜力壓樁機）。灌注樁的成孔方法主要有擠土成孔和取土成孔兩種。擠土成孔可用打入法或振動法將一端封閉的鋼管沉入土層中，然后拔出鋼管，即可成孔，它不適用于較大直徑的灌注樁；取土成孔可以用螺旋鉆孔機、回轉(zhuǎn)斗鉆孔機、潛水鉆孔機、全套管鉆機等成孔機械。以下介紹打樁機和鉆孔機兩大類機械。,第一節(jié) 打樁機,一、樁錘樁錘是打樁機的工作裝置，提供沉樁能量。樁錘可分為落錘、蒸汽錘、柴油錘、液壓錘和振動錘，前4種靠打入法沉樁，后一種靠振動法沉樁。樁錘除用于沉預(yù)制樁外，還可配以鋼樁管，施工沉管灌注樁。,1、落錘落錘沖擊體靠卷揚機提升，在自重作用下落下施打。其特點是構(gòu)造簡單，費用低廉，生產(chǎn)效率低，貫人能量小，對樁的損傷大。一般錘重為1-30kN，每分鐘錘擊次數(shù)小于12次，僅在小規(guī)模的工程中采用。,2、蒸汽錘以蒸氣為動力，需配備一套鍋爐設(shè)備，效率低(一般為2%-3%)，使用不方便，曾一度被柴油錘所取代。后因大型樁基及打45斜樁的需要，蒸汽錘又得以發(fā)展。它不僅可以向超大型發(fā)展，可以打斜樁甚至打水平樁，而且還能水下打樁，對樁的損傷小，工作性能不受土層軟硬和工作時間長短的影響，無廢氣污染。,組成：如圖所示為一種自動操縱的單動式蒸汽錘（沖擊體靠蒸氣驅(qū)動上升，靠自落沖擊沉樁）示意圖。錘體主要部分相當(dāng)于一個雙桿單作用活塞缸。上活塞桿3為空心桿，與汽缸上腔連通，兼作進排汽管，進排汽的控制則由其頂部的配汽閥1完成。配汽閥由閥體和閥芯組成，閥芯上部通過一杠桿與拉簧5連接，拉簧的另一端則與汽缸連接。汽缸8是沖擊體，工作時沿上、下活塞桿作往復(fù)運動，下活塞桿下端固定有樁帽11，樁帽的作用主要是保持樁位和保護樁頭。,主要工作過程。啟動時，汽缸落于樁帽上，閥芯處于低位，其中心通道被封閉。蒸氣由進汽口經(jīng)進排汽管進入汽缸上腔，汽缸在蒸氣壓力作用下上升(圖a）。當(dāng)汽缸上升到預(yù)定高度時，彈簧經(jīng)杠桿作用在閥芯上的力減小到小于閥芯上所受的蒸氣壓力時，閥芯便上移，關(guān)閉進汽口，打開排汽口，使汽缸上腔經(jīng)進排汽管和閥芯中心通道與大氣連通。汽缸在自重作用下下落沖擊樁帽(圖b)。其沖擊能量經(jīng)樁帽和樁墊傳給樁，使樁克服土的阻力及自身的慣性而下沉。與此同時，閥芯下移至低位，封閉排汽口，打開進汽口，進行下一個循環(huán)。,3、柴油錘柴油打樁錘是利用柴油燃燒釋放的能量提升沖擊體進行打樁的。與蒸汽錘比較，柴油錘具有自帶動力，使用方便，能耗低，生產(chǎn)效率高，能根據(jù)沉樁阻力的大小自動調(diào)節(jié)沖擊力等優(yōu)點。缺點是噪聲大，廢氣污染嚴重，在軟土及低溫條件下啟動困難，不能長時間持續(xù)工作。因受自重、公害及性能的制約，難以向超大型發(fā)展。目前世界上最大的柴油錘沖擊體重量為150kN，沖擊能量為414kNm，而最大的蒸汽錘沖擊體重量為 1250kN，沖擊能量為21875kNm。,這里介紹筒式柴油錘的構(gòu)造和工作原理。(1)構(gòu)造筒式柴油錘主要由錘體、燃油供給系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及起落架等組成。錘體 錘體是實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換及打樁的直接部分，它由上汽缸2、下汽缸9、上活塞4(即沖擊體)、下活塞11及緩沖、導(dǎo)向裝置等組成。,燃油供給系統(tǒng) 由燃油箱5、濾油器6、輸油管7及燃油泵8等組成。燃油泵多為低壓柱塞泵，工作時供給液狀柴油，靠上、下活塞的沖擊使柴油霧化。這種沖擊霧化方式存在霧化不安全，軟土起動性能差等弱點。所以有些機型采用高壓霧化供油方式。潤滑系統(tǒng) 其作用是潤滑上、下活塞與汽缸體之間的摩擦表面，以減小磨損。,冷卻系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)有水冷卻與空氣冷卻兩種形式。水冷式柴油錘在下汽缸的中下部裝有冷卻水箱（圖中24、10），靠水的蒸發(fā)散熱來冷卻錘體；空冷式柴油錘的下汽缸外壁帶有散熱片，靠強烈的掃氣與增大汽缸外表面積來保證冷卻。起落架起落架（圖中29 ）用來啟動和提升樁錘。,（2）工作原理單從能量轉(zhuǎn)換的角度講，筒式柴油錘實質(zhì)上就是一臺二沖程柴油機。 柴油錘起動時，由樁架卷揚機將起落架吊升，起落架鉤住上活塞提升到一定高度，脫鉤后上活塞靠自重落下，柴油錘即可起動。筒式柴油錘工作循環(huán)過程是：(上活塞下降時)掃氣-噴油-壓縮-沖擊、霧化(沉樁)-燃燒爆發(fā)(沉樁，上活塞上升)-排氣-吸油-吸氣(上活塞至最高點)。,(1)噴油過程(圖a) 上活塞被起落架吊起，新鮮空氣進入氣缸，燃油泵進行吸油。上活塞提升到一定高度后自動脫鉤掉落，上活塞下降。當(dāng)下降的活塞碰到油泵的壓油曲臂時，把一定量的燃油噴入下活塞的凹面。 (2)壓縮過程 (圖b) 上活塞繼續(xù)下降，吸、排氣口被上活塞擋住而關(guān)閉，氣缸內(nèi)的空氣被壓縮，空氣的壓力和溫度均升高為燃燒爆發(fā)創(chuàng)造條件。,(3)沖擊、霧化過程 (圖c ） 當(dāng)上活塞快與下活塞相撞時，燃燒室內(nèi)的氣壓迅速增大。當(dāng)上、下活塞碰撞時，下活塞沖擊面的燃油受到?jīng)_擊而霧化。上、下活塞撞擊產(chǎn)生強大的沖擊力，大約有50%左右的沖擊機械能傳遞給下活塞，通過樁帽，使樁下沉。被稱為“第一次打擊“。 (4)燃燒爆發(fā)過程 (圖d) 霧化后的混合氣體，由于受高溫和高壓的作用，立刻燃燒爆炸，產(chǎn)生巨大的能量。通過下活塞對樁再次沖擊 (即第二打擊)，同時使上活塞跳起。,(5)排氣、吸油過程 (圖e) 上跳的活塞通過排氣口后，燃燒過的廢氣便從排氣口排出。上活塞上升越過燃油泵的壓油曲臂后，曲臂在彈簧作用下復(fù)位，同時帶動燃油泵柱塞上提而吸入一定量的燃油，為下次噴油作準備。 (6)吸氣過程 (圖f) 上活塞在慣性作用下，繼續(xù)上升，這時氣缸內(nèi)產(chǎn)生負壓，新鮮空氣被吸入氣缸內(nèi)。活塞跳得越高，所吸入的新鮮空氣越多。 (7)掃氣過程 (圖g) 上活塞的動能全部轉(zhuǎn)化為勢能后，又再次下降，一部分的新鮮空氣與殘余廢氣的混合氣由排氣口排出直至重復(fù)噴油過程，柴油錘便周而復(fù)始地工作。,4、液壓錘液壓錘是近20年來發(fā)展起來的一種較理想的打樁錘。它利用液體壓力能驅(qū)動沖擊體升降。其優(yōu)點是：沉樁力作用時間長，有效貫入能量大；沖擊力的大小可調(diào)節(jié)，不易打壞樁頭并且能適應(yīng)各種土壤；無廢氣污染及噪聲、振動等公害；能用于水下打樁、打斜樁；便于檢查樁的承載力等。不足之處在于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴。目前液壓錘的應(yīng)用還不甚廣泛。,5、振動錘振動錘是利用振動能量沉樁和拔樁。其類型主要有振動式和振動沖擊式兩種，分別稱為振動錘和振動沖擊錘。(1)振動錘振動錘由吸振器1、原動機2、振動器3和夾樁器4等組成。振動錘的特點是：用途廣，可沉可拔，預(yù)制樁、灌注樁均可施工，效率高，使用方便；無廢氣污染；超高頻振動錘對土體擾動范圍小，振動、噪聲??；不損傷樁頭；但對地基土的適應(yīng)性較差；不能打斜樁。,(2)振動沖擊錘其構(gòu)造簡圖如圖所示。電動機l經(jīng)V帶傳動驅(qū)動振動器2，振動器的振動不直接作用在樁上，而是通過上錘砧3和下錘砧4間的沖擊，把作用時間短，但頻率很高的沖擊力傳給樁身，達到沉樁的目的。適于在粘土或硬土層打樁。由于受材料性能的制約，振動沖擊錘的發(fā)展比振動錘困難和緩慢，應(yīng)用也不廣。,二、樁架樁架是樁工機械的重要組成部分，用來懸掛樁錘、吊樁就位和沉樁導(dǎo)向的。它還可用來安裝各種成孔裝置，為成孔裝置導(dǎo)向。樁架種類很多。按樁架移動方式，有履帶式、輪胎式、軌道式、步履式等。履帶式使用最方便、應(yīng)用最廣、發(fā)展最快；按樁架結(jié)構(gòu)形式，有三點支承式、懸掛式等。,1、三支點式履帶樁架：以履帶起重機的車體作為主體，立柱靠下部的托架7和上部左右分開的兩個斜撐2支持，故此得名。為了增加立柱側(cè)向穩(wěn)定性，要求兩個斜撐的下支座有較大的間距，所以在車體后方設(shè)一橫梁，并在橫梁端部各裝一個液壓支腿8，作為斜撐的下支座。,斜撐下都是超長油缸，用于調(diào)整立柱的垂直度或傾斜角。 立柱上有用于沉樁導(dǎo)向的導(dǎo)軌。為提高立柱的利用率，一些立柱有內(nèi)、外雙層導(dǎo)軌，間距分別為600mm和330mm。這樣便可懸掛各種級重的樁錘。為適應(yīng)鉆孔打入法施工的需求，發(fā)展了雙面型立柱，即將兩種不同間距的導(dǎo)軌隔開90焊接在主管上，可同時懸掛長螺旋鉆孔機和柴油樁錘。,2、懸掛式樁架：它以通用履帶起重機為底盤，卸去吊鉤，將吊臂5頂端與樁架連接，樁架立柱底部有支撐桿7與回轉(zhuǎn)平臺連接，如圖所示。樁架立柱1可用圓筒形，也可用方形或矩形橫截面的桁架。為了增加樁架作業(yè)時整體的穩(wěn)定性，在原有起重機底盤上，需附加配重。底部支撐桿是可伸縮的桿件，調(diào)整底部支撐桿的伸縮長度，立柱就可從垂直位置改變成傾斜位置，這樣可滿足打斜樁的需要。由于這類樁架的側(cè)向穩(wěn)定性主要由起重機下部的支撐桿保證，側(cè)向穩(wěn)定性較差，只能用于小樁的施工。,3、步履式樁架 步履式樁架是國內(nèi)應(yīng)用較為普遍的樁架，在步履式樁架上可配用長、短螺旋鉆孔器、柴油錘、液壓錘和振動樁錘等設(shè)備進行鉆孔和打樁作業(yè)。（1）組成：如圖為DZBl500型液壓步履式鉆孔機組成示意圖，它由短螺旋鉆孔器和步履式樁架組成。,1-鉆機部分；2電纜卷筒； 3臂架； 4-斜撐; 5-起架夜壓缸; 6操縱室； 7-卷揚機； 8-液壓系統(tǒng); 9-平臺; 10-后支腿; 11-步履靴; 12-下轉(zhuǎn)盤；13上轉(zhuǎn)盤；14-前支腿,步履式樁架包括：平臺9、下轉(zhuǎn)盤12、步履靴11、前支腿14、后支腿10、卷揚機構(gòu)7、操作室6、電纜卷筒2、電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)8組成。下轉(zhuǎn)盤上有回轉(zhuǎn)滾道，上轉(zhuǎn)盤的滾輪可在上面滾動，回轉(zhuǎn)中心軸一端與下轉(zhuǎn)盤中心相連，另一端與平臺下部上轉(zhuǎn)盤中心相連。 （2）工作原理： 回轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)：回轉(zhuǎn)時，前后支腿支起，步履靴離地，回轉(zhuǎn)液壓缸伸縮使下轉(zhuǎn)盤與步履靴順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)。如果前后支腿回縮，支腿離地，步履靴支撐整機，回轉(zhuǎn)液壓缸伸縮帶動平臺整體順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)。,移位和行走：下轉(zhuǎn)盤底面安裝有行走滾輪，滾輪與步履靴相連接。滾輪能在步履靴內(nèi)滾動。移位時靠液壓缸伸縮使步履靴前后移動。行走時，前后支腿液壓缸收縮，支腿離地，步履靴支撐整機，鉆架整個工作重量落在步履靴上，行走液壓缸伸縮使整機前或后行走一步。然后讓支腿液壓缸伸出，步履靴離地，行走液壓缸伸縮使步履靴回復(fù)到原來位置。重復(fù)上述動作可使整個鉆機行走到指定位置。 臂架的起落：臂架3的起落由液壓缸5完成。在施工現(xiàn)場整機移動對位時，不用落下鉆架。轉(zhuǎn)移施工場地時，可以將鉆架放下，安上行走輪胎。,第二節(jié) 鉆 孔 機,在施工灌注樁和鉆孔打入預(yù)制樁時，首先要在地基上成孔。機械成孔的方法主要有擠土成孔和取土成孔。擠土成孔適于沉管灌注樁，是采用打樁機將工具式鋼管樁(樁尖為活瓣或樁靴)沉入地基土中而成樁孔，一般孔徑不大于0.5m。取土成孔是利用鉆孔機把樁位上的土取出成孔。常用的鉆孔機有螺旋鉆孔機、潛水鉆孔機、全套管鉆孔機和回轉(zhuǎn)斗鉆孔機等。,一、螺旋鉆孔機,螺旋鉆孔適用于地下水位以上的施工，所用的螺旋鉆孔機包括長螺旋鉆孔機(連續(xù)排土，一次完成鉆進探度)、短螺旋鉆孔機(周期性鉆進、排土)和螺旋鉆擴機(施工擴底樁)。長螺旋鉆孔機應(yīng)用最廣。 1、長螺旋鉆機（1）長螺旋鉆孔機組成：長螺旋鉆孔機由鉆架和鉆具等組成。其中，鉆具由電動機、立式行星減速器、鉆桿、鉆頭及穩(wěn)桿器、導(dǎo)向圈等組成。,長螺旋鉆機如圖所示 1一電動機;2一減速器;3一鉆桿;4一鉆頭;5一鉆架; 6一無縫鋼管;7一鉆頭接頭;8一刀板;9一定心尖;10一切削刃電動機的動力經(jīng)減速器轉(zhuǎn)換成低速大扭矩的形式驅(qū)動鉆桿，使鉆頭切削土并靠鉆頭、鉆桿上的螺旋葉片將土排出。,鉆頭有錐形、平底、耙形和筒式等多種形式。錐形普通鉆頭適于普通土;平底式適用于松散土層；耙形鉆頭適于有磚塊瓦塊的雜填土;筒式鉆頭則用于鉆穿孤石或混凝土塊等。,穩(wěn)桿器和導(dǎo)向圈長螺旋鉆機由于鉆桿長，為了使鉆桿施鉆時穩(wěn)定和初鉆時插鉆的正確性，應(yīng)在鉆桿長度的1/2處安裝中間穩(wěn)桿器，并在下部安裝導(dǎo)向圈。中間穩(wěn)桿器是用鋼絲繩懸掛在鉆機的動力頭上，并隨鉆桿動力頭沿樁架立柱上下移動，而導(dǎo)向圈則基本上固定在導(dǎo)桿最低處。 （2）主要參數(shù)國產(chǎn)螺旋鉆孔機鉆孔直徑多在300-600mm，鉆孔深度小于20m。世界上最大的螺旋鉆孔機鉆孔直徑可達1.5m，最大深度60m。,2、短螺旋鉆孔機短螺旋鉆機與長螺旋桿鉆孔機相比差異主要在鉆桿。短螺旋桿鉆的鉆頭一般只有2、3個螺旋葉片，葉片直徑要比長螺旋鉆機大得多。使用加長鉆桿，鉆孔深度可大大增加。,工作時，動力頭帶動鉆桿轉(zhuǎn)動，鉆桿底部的螺旋部位正轉(zhuǎn)切土，鉆頭逐漸下鉆，當(dāng)葉片中的土基本塞滿后，用卷揚機提拉動力頭把螺旋鉆頭提出孔面，然后樁架回轉(zhuǎn)一個角度，短螺旋反向旋轉(zhuǎn)，將螺旋葉片上的碎土甩到地面上。短螺旋鉆的轉(zhuǎn)速要比長螺旋鉆機轉(zhuǎn)速低，鉆進轉(zhuǎn)速一般在40r/min以下。甩土?xí)r，鉆桿高速反轉(zhuǎn)。因此，短螺旋鉆機大多有兩種轉(zhuǎn)速。由于短螺旋鉆孔機鉆孔和出土是斷續(xù)的，工作效率較低。但鉆孔的直徑和深度大，鉆孔的直徑超過2m，鉆孔深度可達100m。因此，擴大了應(yīng)用范圍。,二、潛水工程鉆孔機,潛水工程鉆孔機用于循環(huán)法鉆孔。所謂循環(huán)法鉆孔，就是將鉆頭切下來的土以漿狀排出孔外，鉆孔過程中靠泥漿(靜水壓)護壁。有正、反循環(huán)法兩種排渣方式。 國產(chǎn)KQ型潛水工程鉆機，鉆孔直徑為0.5-2.2m，孔深50m。這種鉆機具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、移動靈活、維修方便、無振動、無噪聲、成孔精度和效率高等特點。適用于地下水位較高的軟、硬土層。,潛水工程鉆機主體由潛水鉆主機、鉆架、鉆桿、卷揚機、配電箱及電纜卷筒等組成，配以泥漿泵、空壓機(或高壓水泵、砂石泵)等護壁、排渣系統(tǒng)即可鉆孔。,l一主機;2一鉆頭;3一鋼絲繩;4一電纜和水管卷筒;5一配電箱;6一遮陽板; 7一活動導(dǎo)向；8一方鉆桿; 9一進水口;10一枕木; 11一支腿;12一卷揚機;13一輕軌;14一行走車輪,三、全套管鉆機,全套管鉆機成孔，是先將鋼制套管壓入土中，再用錘式抓斗將套管內(nèi)的土取出，壓套管和取土交替循環(huán)進行，直至達到設(shè)計深度后，放置鋼筋，澆注混凝土，最后將套管拔出。鉆孔作業(yè)系統(tǒng)由鉆機、套管、錘式抓斗等組成。1一起重機；2一錘式抓斗；3一導(dǎo)向口； 4一套管；5一導(dǎo)向及糾偏架； 6一擺動機構(gòu)；7一沉拔管液壓缸； 8一糾偏液壓缸；9一擺動液壓缸; 10一托板,1鉆機 鉆機的作用是按要求的精度沉、拔套管，是整套機組的工作機。它由導(dǎo)向及糾偏機構(gòu)、擺動機構(gòu)、沉拔套管液壓缸和底架等組成，各部分的動作都是靠液壓缸完成。 導(dǎo)向及糾偏機構(gòu)由導(dǎo)向及糾偏架和糾偏液壓缸組成。作用是調(diào)整第一節(jié)套管的垂直度，以保證成孔精度。 擺動機構(gòu)由夾管液壓缸、夾管裝置、擺動液壓缸及擺動臂組成。套管放入夾管裝置后，靠夾管液壓缸施力夾緊，然后利用擺動液壓缸的伸縮推動擺動臂，使夾管裝置與套管一起往復(fù)擺動，擺動角度一般為25-30。擺動套管的目的在于減小沉、拔阻力。,沉拔管液壓缸的缸體和活塞桿分別與底架和夾管裝置連接，利用活塞桿的外仲和回縮來拔、沉套管。 底架由伸縮臂、定位液壓缸和托板組成，起支撐和定位作用。 2、錘式抓斗錘式抓斗以落錘的方式?jīng)_切套管中的土。抓斗下方的抓片通過鋼絲繩控制，可根據(jù)需要張開或合攏。下落時，抓片張開，抓斗在自重作用下沖切入土中，收緊控制鋼絲繩，抓片合攏，將土抓出。在卸土處，放松控制鋼絲繩，抓片即張開、卸土。然后便可進行下一個工作循環(huán)。 作業(yè)時，擺動機構(gòu)與沉拔套管液壓缸同時動作，為了避免彼此相互干擾，鉆機的液壓系統(tǒng)采用雙回路系統(tǒng)，由兩個軸向柱塞泵分別供油，假如一個泵出了故障，靠單泵供油鉆機也可工作。,