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建筑施工机械第十讲桩工机械本章主要内容：第一节打桩机第二节钻孔机桩工机械是进行桩基础工程施工的各种机械设备的总称。桩基础由桩和承台组成，施工的关键在于成桩。桩按施工方法的不同，分为预制桩和灌注桩两大类。预制桩施工是将预制好的桩沉入设计要求的深度；灌注桩施工是先在地基上按设计要求的位置、尺寸成孔，然后在孔内置筋、灌注混凝土而成桩。预制桩沉桩方法采用打入法、振动法和静压法三种方法施工。所用的机械：打入法主要用落锤、柴油锤、液压锤等；振动法用振动锤；各种桩锤和桩架合起来称为打桩机（静压法则用静力压桩机）。灌注桩的成孔方法主要有挤土成孔和取土成孔两种。挤土成孔可用打入法或振动法将一端封闭的钢管沉入土层中，然后拔出钢管，即可成孔，它不适用于较大直径的灌注桩；取土成孔可以用螺旋钻孔机、回转斗钻孔机、潜水钻孔机、全套管钻机等成孔机械。以下介绍打桩机和钻孔机两大类机械。第一节打桩机一、桩锤桩锤是打桩机的工作装置，提供沉桩能量。桩锤可分为落锤、蒸汽锤、柴油锤、液压锤和振动锤，前4种靠打入法沉桩，后一种靠振动法沉桩。桩锤除用于沉预制桩外，还可配以钢桩管，施工沉管灌注桩。1、落锤落锤冲击体靠卷扬机提升，在自重作用下落下施打。其特点是构造简单，费用低廉，生产效率低，贯人能量小，对桩的损伤大。一般锤重为1-30kN，每分钟锤击次数小于12次，仅在小规模的工程中采用。2、蒸汽锤以蒸气为动力，需配备一套锅炉设备，效率低(一般为2%-3%)，使用不方便，曾一度被柴油锤所取代。后因大型桩基及打45°斜桩的需要，蒸汽锤又得以发展。它不仅可以向超大型发展，可以打斜桩甚至打水平桩，而且还能水下打桩，对桩的损伤小，工作性能不受土层软硬和工作时间长短的影响，无废气污染。•组成：如图所示为一种自动操纵的单动式蒸汽锤（冲击体靠蒸气驱动上升，靠自落冲击沉桩）示意图。锤体主要部分相当于一个双杆单作用活塞缸。上活塞杆3为空心杆，与汽缸上腔连通，兼作进排汽管，进排汽的控制则由其顶部的配汽阀1完成。配汽阀由阀体和阀芯组成，阀芯上部通过一杠杆与拉簧5连接，拉簧的另一端则与汽缸连接。汽缸8是冲击体，工作时沿上、下活塞杆作往复运动，下活塞杆下端固定有桩帽11，桩帽的作用主要是保持桩位和保护桩头。•主要工作过程。启动时，汽缸落于桩帽上，阀芯处于低位，其中心通道被封闭。蒸气由进汽口经进排汽管进入汽缸上腔，汽缸在蒸气压力作用下上升(图a）。当汽缸上升到预定高度时，弹簧经杠杆作用在阀芯上的力减小到小于阀芯上所受的蒸气压力时，阀芯便上移，关闭进汽口，打开排汽口，使汽缸上腔经进排汽管和阀芯中心通道与大气连通。汽缸在自重作用下下落冲击桩帽(图b)。其冲击能量经桩帽和桩垫传给桩，使桩克服土的阻力及自身的惯性而下沉。与此同时，阀芯下移至低位，封闭排汽口，打开进汽口，进行下一个循环。3、柴油锤柴油打桩锤是利用柴油燃烧释放的能量提升冲击体进行打桩的。与蒸汽锤比较，柴油锤具有自带动力，使用方便，能耗低，生产效率高，能根据沉桩阻力的大小自动调节冲击力等优点。缺点是噪声大，废气污染严重，在软土及低温条件下启动困难，不能长时间持续工作。因受自重、公害及性能的制约，难以向超大型发展。目前世界上最大的柴油锤冲击体重量为150kN，冲击能量为414kN·m，而最大的蒸汽锤冲击体重量为1250kN，冲击能量为2187·5kN·m。这里介绍筒式柴油锤的构造和工作原理。(1)构造筒式柴油锤主要由锤体、燃油供给系统、润滑系统、冷却系统及起落架等组成。①锤体锤体是实现能量转换及打桩的直接部分，它由上汽缸2、下汽缸9、上活塞4(即冲击体)、下活塞11及缓冲、导向装置等组成。②燃油供给系统由燃油箱5、滤油器6、输油管7及燃油泵8等组成。燃油泵多为低压柱塞泵，工作时供给液状柴油，靠上、下活塞的冲击使柴油雾化。这种冲击雾化方式存在雾化不安全，软土起动性能差等弱点。所以有些机型采用高压雾化供油方式。③润滑系统其作用是润滑上、下活塞与汽缸体之间的摩擦表面，以减小磨损。④冷却系统冷却系统有水冷却与空气冷却两种形式。水冷式柴油锤在下汽缸的中下部装有冷却水箱（图中24、10），靠水的蒸发散热来冷却锤体；空冷式柴油锤的下汽缸外壁带有散热片，靠强烈的扫气与增大汽缸外表面积来保证冷却。⑤起落架起落架（图中29）用来启动和提升桩锤。（2）工作原理单从能量转换的角度讲，筒式柴油锤实质上就是一台二冲程柴油机。柴油锤起动时，由桩架卷扬机将起落架吊升，起落架钩住上活塞提升到一定高度，脱钩后上活塞靠自重落下，柴油锤即可起动。筒式柴油锤工作循环过程是：(上活塞下降时)扫气-喷油-压缩-冲击、雾化(沉桩)-燃烧爆发(沉桩，上活塞上升)-排气-吸油-吸气(上活塞至最高点)。(1)喷油过程(图a)上活塞被起落架吊起，新鲜空气进入气缸，燃油泵进行吸油。上活塞提升到一定高度后自动脱钩掉落，上活塞下降。当下降的活塞碰到油泵的压油曲臂时，把一定量的燃油喷入下活塞的凹面。(2)压缩过程(图b)上活塞继续下降，吸、排气口被上活塞挡住而关闭，气缸内的空气被压缩，空气的压力和温度均升高为燃烧爆发创造条件。(3)冲击、雾化过程(图c）当上活塞快与下活塞相撞时，燃烧室内的气压迅速增大。当上、下活塞碰撞时，下活塞冲击面的燃油受到冲击而雾化。上、下活塞撞击产生强大的冲击力，大约有50%左右的冲击机械能传递给下活塞，通过桩帽，使桩下沉。被称为第一次打击。(4)燃烧爆发过程(图d)雾化后的混合气体，由于受高温和高压的作用，立刻燃烧爆炸，产生巨大的能量。通过下活塞对桩再次冲击(即第二打击)，同时使上活塞跳起。(5)排气、吸油过程(图e)上跳的活塞通过排气口后，燃烧过的废气便从排气口排出。上活塞上升越过燃油泵的压油曲臂后，曲臂在弹簧作用下复位，同时带动燃油泵柱塞上提而吸入一定量的燃油，为下次喷油作准备。(6)吸气过程(图f)上活塞在惯性作用下，继续上升，这时气缸内产生负压，新鲜空气被吸入气缸内。活塞跳得越高，所吸入的新鲜空气越多。(7)扫气过程(图g)上活塞的动能全部转化为势能后，又再次下降，一部分的新鲜空气与残余废气的混合气由排气口排出直至重复喷油过程，柴油锤便周而复始地工作。4、液压锤液压锤是近20年来发展起来的一种较理想的打桩锤。它利用液体压力能驱动冲击体升降。其优点是：沉桩力作用时间长，有效贯入能量大；冲击力的大小可调节，不易打坏桩头并且能适应各种土壤；无废气污染及噪声、振动等公害；能用于水下打桩、打斜桩；便于检查桩的承载力等。不足之处在于结构复杂，价格昂贵。目前液压锤的应用还不甚广泛。5、振动锤振动锤是利用振动能量沉桩和拔桩。其类型主要有振动式和振动冲击式两种，分别称为振动锤和振动冲击锤。(1)振动锤振动锤由吸振器1、原动机2、振动器3和夹桩器4等组成。振动锤的特点是：用途广，可沉可拔，预制桩、灌注桩均可施工，效率高，使用方便；无废气污染；超高频振动锤对土体扰动范围小，振动、噪声小；不损伤桩头；但对地基土的适应性较差；不能打斜桩。(2)振动冲击锤其构造简图如图所示。电动机l经V带传动驱动振动器2，振动器的振动不直接作用在桩上，而是通过上锤砧3和下锤砧4间的冲击，把作用时间短，但频率很高的冲击力传给桩身，达到沉桩的目的。适于在粘土或硬土层打桩。由于受材料性能的制约，振动冲击锤的发展比振动锤困难和缓慢，应用也不广。二、桩架桩架是桩工机械的重要组成部分，用来悬挂桩锤、吊桩就位和沉桩导向的。它还可用来安装各种成孔装置，为成孔装置导向。桩架种类很多。按桩架移动方式，有履带式、轮胎式、轨道式、步履式等。履带式使用最方便、应用最广、发展最快；按桩架结构形式，有三点支承式、悬挂式等。1、三支点式履带桩架：以履带起重机的车体作为主体，立柱靠下部的托架7和上部左右分开的两个斜撑2支持，故此得名。为了增加立柱侧向稳定性，要求两个斜撑的下支座有较大的间距，所以在车体后方设一横梁，并在横梁端部各装一个液压支腿8，作为斜撑的下支座。斜撑下都是超长油缸，用于调整立柱的垂直度或倾斜角。立柱上有用于沉桩导向的导轨。为提高立柱的利用率，一些立柱有内、外双层导轨，间距分别为600mm和330mm。这样便可悬挂各种级重的桩锤。为适应钻孔打入法施工的需求，发展了双面型立柱，即将两种不同间距的导轨隔开90°焊接在主管上，可同时悬挂长螺旋钻孔机和柴油桩锤。2、悬挂式桩架：它以通用履带起重机为底盘，卸去吊钩，将吊臂5顶端与桩架连接，桩架立柱底部有支撑杆7与回转平台连接，如图所示。桩架立柱1可用圆筒形，也可用方形或矩形横截面的桁架。为了增加桩架作业时整体的稳定性，在原有起重机底盘上，需附加配重。底部支撑杆是可伸缩的杆件，调整底部支撑杆的伸缩长度，立柱就可从垂直位置改变成倾斜位置，这样可满足打斜桩的需要。由于这类桩架的侧向稳定性主要由起重机下部的支撑杆保证，侧向稳定性较差，只能用于小桩的施工。3、步履式桩架步履式桩架是国内应用较为普遍的桩架，在步履式桩架上可配用长、短螺旋钻孔器、柴油锤、液压锤和振动桩锤等设备进行钻孔和打桩作业。（1）组成：如图为DZBl500型液压步履式钻孔机组成示意图，它由短螺旋钻孔器和步履式桩架组成。1-钻机部分；2电缆卷筒；3臂架；4-斜撑;5-起架夜压缸;6操纵室；7-卷扬机；8-液压系统;9-平台;10-后支腿;11-步履靴;12-下转盘；13上转盘；14-前支腿步履式桩架包括：平台9、下转盘12、步履靴11、前支腿14、后支腿10、卷扬机构7、操作室6、电缆卷筒2、电气系统和液压系统8组成。下转盘上有回转滚道，上转盘的滚轮可在上面滚动，回转中心轴一端与下转盘中心相连，另一端与平台下部上转盘中心相连。（2）工作原理：•回转和旋转：回转时，前后支腿支起，步履靴离地，回转液压缸伸缩使下转盘与步履靴顺时针或逆时针旋转。如果前后支腿回缩，支腿离地，步履靴支撑整机，回转液压缸伸缩带动平台整体顺时针或逆时针旋转。•移位和行走：下转盘底面安装有行走滚轮，滚轮与步履靴相连接。滚轮能在步履靴内滚动。移位时靠液压缸伸缩使步履靴前后移动。行走时，前后支腿液压缸收缩，支腿离地，步履靴支撑整机，钻架整个工作重量落在步履靴上，行走液压缸伸缩使整机前或后行走一步。然后让支腿液压缸伸出，步履靴离地，行走液压缸伸缩使步履靴回复到原来位置。重复上述动作可使整个钻机行走到指定位置。•臂架的起落：臂架3的起落由液压缸5完成。在施工现场整机移动对位时，不用落下钻架。转移施工场地时，可以将钻架放下，安上行走轮胎。第二节钻孔机在施工灌注桩和钻孔打入预制桩时，首先要在地基上成孔。机械成孔的方法主要有挤土成孔和取土成孔。挤土成孔适于沉管灌注桩，是采用打桩机将工具式钢管桩(桩尖为活瓣或桩靴)沉入地基土中而成桩孔，一般孔径不大于0.5m。取土成孔是利用钻孔机把桩位上的土取出成孔。常用的钻孔机有螺旋钻孔机、潜水钻孔机、全套管钻孔机和回转斗钻孔机等。一、螺旋钻孔机螺旋钻孔适用于地下水位以上的施工，所用的螺旋钻孔机包括长螺旋钻孔机(连续排土，一次完成钻进探度)、短螺旋钻孔机(周期性钻进、排土)和螺旋钻扩机(施工扩底桩)。长螺旋钻孔机应用最广。1、长螺旋钻机（1）长螺旋钻孔机组成：长螺旋钻孔机由钻架和钻具等组成。其中，钻具由电动机、立式行星减速器、钻杆、钻头及稳杆器、导向圈等组成。•长螺旋钻机如图所示1一电动机;2一减速器;3一钻杆;4一钻头;5一钻架;6一无缝钢管;7一钻头接头;8一刀板;9一定心尖;10一切削刃•电动机的动力经减速器转换成低速大扭矩的形式驱动钻杆，使钻头切削土并靠钻头、钻杆上的螺旋叶片将土排出。•钻头有锥形、平底、耙形和筒式等多种形式。锥形普通钻头适于普通土;平底式适用于松散土层；耙形钻头适于有砖块瓦块的杂填土;筒式钻头则用于钻穿孤石或混凝土块等。•稳杆器和导向圈长螺旋钻机由于钻杆长，为了使钻杆施钻时稳定和初钻时插钻的正确性，应在钻杆长度的1/2处安装中间稳杆器，并在下部安装导向圈。中间稳杆器是用钢丝绳悬挂在钻机的动力头上，并随钻杆动力头沿桩架立柱上下移动，而导向圈则基本上固定在导杆最低处。（2）主要参数国产螺旋钻孔机钻孔直径多在300-600m