桥梁桩基础施工机械的分类及工作原理

桥梁桩基础施工机械的分类及工作原理

现在建设桥的桩基础有两种类型：预制桩和灌注桩。前者是用各种桩工机械将桩埋入土壤的下层，以提高基础的承载;而后者则是用钻孔机在土层上钻出深孔，以供灌注混凝土。所以桩工机械也分为预制桩施工机械和灌注桩施工机械两大类。

1、桩工机械的分类

1.1按桩基础类型分类

1.1.1预制桩施工机械

预制桩施工主要有四种方法：打入法、振入法、射水法和压入法，不同的施工方法对应不同的施工机械。

（1）打入法即利用冲击能量冲击桩头，把桩打入土中，使用的机械是各类锤。

（2）振入法是利用高频振动器在桩头上施振，使桩在自重和振动器冲击力的作用下贯入土中。所采用的机械是振动锤。

（3）射水法是利用高压水泵通过射水管沿桩身冲击其周围的土壤，减少土壤对桩身的摩擦阻力，桩靠自重沉入土中。

（4）压入法是给桩头施加强大的静压力，把桩压入土中。这种施工方法噪音极小，桩头不受损坏。但使用的压桩

机非常笨重，组装迁移都比较困难。

1.1.2灌注桩的施工机械

灌注桩的施工关键在成孔，成孔的方法有挤土成孔法和取土成孔法，不同的施工方法对应不同的施工机械。

(1)挤土成孔法是把一根钢管打入土中，至设计深度后将钢管拔出，即可成孔。这种施工方法常用振动锤。

（2）取土成孔法可分为冲击成孔、冲抓成孔和回转钻削成孔等。采用的机械主要有：冲击式钻孔机、循环式钻孔机和螺旋钻孔机等。

1.2按驱动的方法分类

按驱动的方法分有落锤、气锤、柴油锤和电动锤四种。

1.2.1落锤

它是将一个重铁块，悬挂在桩架顶端定滑轮的钢丝绳上，由于其提升到一定的高度后再让它自由落下，靠锤的自重冲击桩头。这是一种古老的设备，由于其效率过低，劳动强度大，故目前基本上不在使用。

1.2.2气锤

它是利用蒸汽或者压缩空气的能量，使气缸中的活塞产生往复运动而冲击桩头。前者称蒸汽锤，使用历史比较悠久；后者是随着制备压缩空气技术的发展而采用的。两者的结构和工作原理相同。

1.2.3柴油锤

它的基本部分为一个特制的二冲程柴油机，它依靠柴油机在气缸内燃烧膨胀时所作的功，将冲击锤头提升到一定的高度，然后再自由落下冲击桩头。它与气锤相比，效率高，使用方便，易于迁移，故目前使用较广泛。

1.2.4电动锤

它是利用电动机驱动一个振动器，使之在垂直方向产生振动，然后将激振力传给桩头使之下沉，故它又称为振动桩锤。它也适用拔桩。

1.3按锤头的冲击动能分类

按锤头的冲击动能分，有单作用式和双作用式两种。

1.3.1单作用式

锤头的冲击动能，仅仅是依靠锤头的自重在自由下落时冲击桩头产生。如落锤、单动气锤及柴油锤都属于这种型式.

1.3.2双作用式

锤头的冲击动能，是由其自重及附加冲击力两种动能之和产生。如双动气锤的冲击锤头升降都是靠气力，锤头下落冲击桩头时，其冲击动能不但有锤头的自重，而且还有作用于锤头的气力所致。因此，它比单作用式冲击动能大，生产效率高。

1.4按操纵情况分类

按操纵情况分,有人工操纵，半自动化操纵和自动化操纵三种。

1.3.1人工操纵式

锤头的升降都是靠人工控制的，如落锤的升降是利用人工通过绞车来控制的。因其劳动强度大，生产效率低，故目前基本上不再使用。

1.4.2半自动化操纵式

锤头的升降是靠人工控制的，而下落则自动控制。单动气锤就是属于半自动化操纵。气缸的上升是由于人工控制气体从空心活塞杆进入气缸上腔，推动气缸上移。气缸下落则靠操纵机构自动切断进气通路，并打开气缸上腔的排气道，使缸内的气体排入大气，于是气缸就自行下落而冲击桩头。

1.4.3自动化操纵式

锤头在工作中，其上下运动靠本身机构自动控制的。也就是说启动时只要将锤头升起，然后使其落下，启动后的锤头升降就可以自动控制了。如双动气锤头在上下运动中，是通过配气机构自动配气的，不再需要人工操纵。

以上所介绍的各种桩工机械桩锤都是安装在打桩架上时打桩作业的。打桩架有专用的，也有利用挖掘机、起重机的长臂吊杆加装一个龙门架改装而成。后者移动方便，使用比较广泛。

2、预制桩施工机械

2.1柴油桩锤的构造及工作原理

气锤虽然经过一些改进，有良好的技术性能。但由于其本身很笨重，加之在工作时还需要配备笨重的锅炉或者空气压缩机，因此移动很不方便。为了快速移动和迅速开工，常采用柴油桩锤。柴油桩锤的工作原理和二冲程柴油机大致相同，它不是依靠外来的能量来工作，而是利用柴油机在气缸内燃烧的爆炸力来抬升锤头，然后自由落下冲击桩头。2.2振动桩锤的构造及工作原理

振动沉桩法和冲击沉桩法相比，其效率比较高，设备简单、费用比较低、体积小、质量轻、搬运方便、不容易损坏、沉桩时横向位移小。还可用于拔桩。振动桩锤按其作用原理的不同，有振动锤和振动冲击锤两种。

2.2.1振动锤

振动锤的构造及工作原理与振捣器基本相同。不过将振捣扳改为打桩用的桩帽而已。它由振动器、电动机、桩帽以及三角皮带或链传动等主要部分组成。

简单的振动器的电动机螺栓，直接固定在振动器的外壳的上端面上，电动机通过三角皮带或链传动将其动力传至振动器的两根偏心轴上，使两偏心轴反向同步回转。这样，振动器就沿着桩的轴线作定向运动，使桩体周围上层的摩擦阻力明显的下降，于是桩体借其自重而下沉。具有弹簧支撑的振动锤，其电动机与振动器之间装有螺旋弹簧，以作减震装置。装有减震装置的振动锤称为柔性振动锤，而不装减震装

置的振动锤称为刚性振动锤。柔性振动锤不容易损坏。可采用更换传动皮带轮的办法调整振动频率。也有把偏心块做成可调的，以适应在不同的土壤上打不同桩对激振力不同的要求。

2.2.2振动冲击锤

振动冲击锤所产生的振动，不是直接传到桩体上，而是通过冲击板作用在桩体上。它沉桩入土既靠振动，又靠冲击，故沉桩效率比振动锤高。适用于粘性土壤和坚硬的土层上打桩和拔桩。

它由壳体、电动机、偏心块、冲击板以及悬挂装置等部分组成。振动器和冲击板经弹簧用螺栓相连。当两台电动机带着偏心块作反向旋转时，壳体便作垂直方向的振动。它给予冲击板一连串快速的冲击，于是激振力和冲击力通过冲击板下面的桩帽传给桩体，使桩体以较快的速度下沉。振动冲击锤具有较大的振幅和冲击力，功率消耗小。缺点是冲击时噪音大，电动机由于受频繁的冲击作用容易损坏。

3、灌注桩施工机械

随着基础工程向大型化的发展，采用现场钻孔灌注混凝土的施工技术应用越广泛。钻孔灌注桩所用的机械越来越先进。

钻孔法灌注混凝土施工包括下套管（或者管柱）、除套管内土壤、（钢筋）混凝土灌注、拔套管等过程，所用的机

械比较多。下面仅介绍钻孔（成孔）机械。钻孔的方法一般有冲抓成孔、冲击成孔和回转钻削成孔三种。

3.1冲抓成孔

冲抓成孔是利用一个悬挂在钻架上的冲抓斗，直接抓取套管内已冲击的土石料，然后升起卸于孔外。它的构造和工作原理与抓斗挖掘机相似。这种冲抓斗可用来冲抓任何种类的土壤和夹有鹅卵石的地层。它配合下套管施工时，可在套管中央一直向下冲挖，套管内壁的土石料不断向中央塌落，故套管能顺利地向下压。

根据土质的不同，常用的冲抓斗有双瓣式和四瓣式两种。瓣片有长有短，如冲抓软土可用长的双瓣，而冲抓含砂，砾石的土质则可采用短双瓣。

3.2冲击成孔

冲击成孔是在起重机的长臂吊杆上悬挂一个冲锥，利用冲锥上下往复的冲击动能，将孔中的土石料冲碎，再由泥浆泵向孔内灌入泥浆，使冲碎的料渣浮起。然后用挖渣筒将浆渣掏出孔外卸之。

冲击成孔适用于粘性土，砂性土和砂砾等多种土质。它是克服坚硬地层及多种交错地层行之有效的方法。所以在公路桥梁基础的施工中得到了较广泛的应用。它的缺点是冲锥磨损较快。从而增加了维修焊补的工作量。冲锥有各种不同的形状，但其冲刃大多数为十字形。

3.3回转钻削成孔

回转钻削成孔是用钻孔机驱动钻杆和钻头进行回转，同时向下施压，钻头旋转中切下的土壤，混入泥浆中排出孔外。因此，钻孔机的基础车上必须设有驱转钻杆的回转机构。钻头是钻孔的主要工具，它安装在钻杆的下端。钻头视钻孔的土质及施工方法的不同有不同的形状，其切削刃也有许多不同的形式，便于在钻孔时合理选用。

在回转钻孔的作业中，需要将孔中的渣浆不断排出孔外。根据钻孔时泥浆循环运动方向的不同，可分为正循环和反循环两种方法。

3.3.1正循环施工

泥浆流动的方向顺着钻孔的方向形成正向循环。即将清水从胶管顺着钻杆和钻头的中心孔送向孔底。冲起的渣浆沿孔壁向孔口溢出，然后流进沉淀池。沉淀后的清水再用水泵吸出，送入钻杆和钻头的中心孔。泥浆就这样顺着钻孔方向形成反复的正向循环。

3.3.2反循环施工

泥浆流动的方向逆于钻孔方向，即水从泥浆池经流槽流进钻杆外面的钻孔中，冲起的渣浆用泥浆泵由钻杆的中心孔吸出，经胶管排入沉淀池内。沉淀后的水流入泥浆池继续使用。泥浆就这样逆着钻孔方向形成反复的反向循环。

以上两种循环施工法所用的全套设备除水泵形式（清水

泵和泥浆泵）不同外，其它都基本相同。它们都适用于粘土、软土、硬粘土、粉砂、粗砂，甚至在砂砾和卵石中也可应用。但当卵石粒径超过钻杆内腔孔径且含量很高时由于管路致使反循环发生困难。