第第3 3章章 基础工程机械基础工程机械 基础是将上部荷载传递到地基的一种结构物，而桩基础就是其中一种。当天然地基上的浅基础沉降量过大或地基承载能力不能满足建筑物得到要求时，常采用桩基础。现在桩基础已广泛应用在海上采用平台、大型港口、深水码头及各种桥梁的基础工程中。3.1 3.1 打桩设备打桩设备按桩的施工方法，桩可分为预制桩和灌注桩两按桩的施工方法，桩可分为预制桩和灌注桩两类。类。预制桩预制桩是在工厂或施工现场制成的各种形式的桩，用沉桩设备将桩打入、压入或振入土中，或有的用高压水冲沉入土中。灌注桩灌注桩是在施工现场的桩位上用机械或人工成孔，然后在孔内灌注混凝土而成。根据成孔方法的不同分为挖孔、钻孔、冲孔灌注桩，沉管灌注桩和爆扩桩等。3.1.1柴油打桩机柴油打桩机1、柴油桩锤的工作原理、柴油桩锤的工作原理柴油锤实质上是一个其工作原理和单缸二冲程柴油机相似，是利用柴油燃烧释放的能量提升冲击体进行打桩。柴油锤按其构造形式分导杆式和筒式。柴油锤按其构造形式分导杆式和筒式。如图3-1所示。 其中筒式的结构和技术性能最为先进，为目前国内产品广泛应用，筒式柴油锤的工作原理是汽缸固定，活塞往复远动，而进行打桩。其工作循环可分为如下几个阶段，如图3-2所示 。筒式柴油锤筒式柴油锤导杆式柴油锤导杆式柴油锤图3-1 导杆式柴油锤的工作原理图3-2 筒式柴油锤的工作原理2、柴油打桩机的特点、柴油打桩机的特点 柴油锤的特点是：柴油锤的特点是：结构简单、打桩数量大。本身既是原动机又是工作机，不需另设能源机器，工作过程自动化。打桩数量可随沉桩阻力自动增减调节。当地基阻力大时，上活塞上跳高度大，打桩能量就大；地基阻力小时，桩下沉量大，打桩能力随之减小，对打桩工作非常有利。 主要缺点是产生噪音、振动和对空气有污染等。主要缺点是产生噪音、振动和对空气有污染等。3.1.2蒸汽锤蒸汽锤按照蒸汽对桩锤的作用方式不同，蒸汽锤按照蒸汽对桩锤的作用方式不同，蒸汽锤分为单动式、双动式和差动式分为单动式、双动式和差动式3种。种。单动汽锤：单动汽锤：利用蒸汽或压缩空气的压力将锤头上举，然后自由下落冲击桩顶。 适用范围：适用打各种桩，最适宜于套管打桩和灌注砼桩； 优缺点：结构简单，落距小，不易损坏桩头；打桩速度及冲击力较落锤大，效率高；双动气锤：双动气锤：利用蒸汽或压缩空气的压力将锤上举及下冲，增加夯击能量，100200次/分； 适用范围：适宜打各种桩，可用于打斜桩，使用压缩空气，可打地下桩，也可拔桩；如图2.2示。图图3-3单动汽锤工作原理单动汽锤工作原理双动汽锤工作原理双动汽锤工作原理 自由落锤打桩机又称吊锤或落锤，它是利用卷扬机使重锤沿桩架的导向立柱升起，然后让其自由落下冲击桩头，其特点是构造简单，使用方便。一般锤重为1-30KN，打击次数每分钟10-12次。由于其打桩效率降低，贯入的能量对桩的损伤大，所以仅能在小规模的工程中采用。3.1.3自由落锤打桩机自由落锤打桩机适用范围：适用范围：适宜在打桩及细长尺寸的砼桩，在一般土层及黏土和含有砾石的土层中均有用； 原理：原理：用人力或卷扬机拉起悬桩锤，落下，利用锤重夯击桩顶，使桩入土；优缺点：优缺点：构造简单，使用方便，冲击力大，能随意调节落距，但锤击速度慢，效率低，桩损大。锤重0.51.5t ；3.2静力压桩机静力压桩机静力压桩是借助压桩机及其配重将桩压入静力压桩是借助压桩机及其配重将桩压入土中。由于避免了锤击应力，桩的混凝土强度及土中。由于避免了锤击应力，桩的混凝土强度及其配筋只要满足吊装弯矩和使用期受力要求就可其配筋只要满足吊装弯矩和使用期受力要求就可以，因而桩的断面和配筋可以减小。这种沉桩方以，因而桩的断面和配筋可以减小。这种沉桩方法适用于软弱土层，无振动、无噪音、对周围环法适用于软弱土层，无振动、无噪音、对周围环境影响小，适合在城市中施工。境影响小，适合在城市中施工。3.3静力压桩工作程序静力压桩工作程序3.2.1机械式静力压桩机机械式静力压桩机机械式静力压桩机如图机械式静力压桩机如图3-4所示，它由压桩机所示，它由压桩机（桩架与底盘）、转动设备（卷扬机、滑轮组、（桩架与底盘）、转动设备（卷扬机、滑轮组、钢丝绳）、平衡设备（铁块）、量测装置（测力钢丝绳）、平衡设备（铁块）、量测装置（测力计、油压表）及辅助设备（起重设备、送桩器）计、油压表）及辅助设备（起重设备、送桩器）等组成。这种压桩机的高度为等组成。这种压桩机的高度为16-40m，静压力，静压力400-1500KN，设备总重，设备总重80-172t。机身高大笨重，。机身高大笨重，移动和转场很不方便，且占地面积也较大，目前移动和转场很不方便，且占地面积也较大，目前已很少采用。已很少采用。3.2.2液压式静力压桩机液压式静力压桩机液压静力压桩机如图液压静力压桩机如图3-5所示，由液压吊装机所示，由液压吊装机构、液压夹持、压桩机构（千斤顶）、行走及回转构、液压夹持、压桩机构（千斤顶）、行走及回转机构、液压及配电系统、配重铁等部分组成。工作机构、液压及配电系统、配重铁等部分组成。工作原理：行走装置是由原理：行走装置是由“横向行走横向行走”（短船）、（短船）、“纵纵向行走向行走”（长船）和回转机构组成。（长船）和回转机构组成。使用特点：它与锤击式打桩机、振动式沉桩机使用特点：它与锤击式打桩机、振动式沉桩机相比，无冲击力，可避免桩头被打碎、爆裂，压桩相比，无冲击力，可避免桩头被打碎、爆裂，压桩时对桩周土体扰动范围较小，可提高桩基础施工质时对桩周土体扰动范围较小，可提高桩基础施工质量，节约桩身材料，降低工程造价；它无振动，无量，节约桩身材料，降低工程造价；它无振动，无噪声，无环境污染，适用于人口稠密的城市中施工。噪声，无环境污染，适用于人口稠密的城市中施工。但压桩只限于压垂直桩及软土地基的沉桩施工，具但压桩只限于压垂直桩及软土地基的沉桩施工，具有一定的局限性。有一定的局限性。3-4机械静力压桩机机械静力压桩机3-5YZY-160型全液压静力压桩机型全液压静力压桩机国产国产YZY-160型全液压静力压型全液压静力压桩机自重桩机自重78t，配重，配重105t，最大压，最大压入力入力1600kN，移动速度，移动速度4m/min，压桩速度压桩速度2-3m/min。3.3.1挤土成孔机械挤土成孔机械3.3灌注桩成空机灌注桩成空机挤土成孔机械是用振动打桩机或锤击式打桩机将挤土成孔机械是用振动打桩机或锤击式打桩机将钢管桩（桩尖为活瓣或用钢筋混凝土预制桩尖）钢管桩（桩尖为活瓣或用钢筋混凝土预制桩尖）沉入地基土中至设计要求的深度后，边拔管边浇沉入地基土中至设计要求的深度后，边拔管边浇注混凝土的方法。这种方法适用于直径注混凝土的方法。这种方法适用于直径50cm以以下的桩。下的桩。3.3.2取土成孔机械取土成孔机械（1）螺旋钻孔机）螺旋钻孔机螺旋钻孔机是利用动力旋转钻杆，使钻头的螺旋钻孔机是利用动力旋转钻杆，使钻头的螺旋叶片旋转削土，土块沿螺旋叶片上升排出孔螺旋叶片旋转削土，土块沿螺旋叶片上升排出孔外。适用于地下水位以上的施工。外。适用于地下水位以上的施工。如图如图3-6所示为一种应用方便的履带式螺旋所示为一种应用方便的履带式螺旋钻孔机。钻机成孔很快，成孔后提起钻杆，再向钻孔机。钻机成孔很快，成孔后提起钻杆，再向孔中灌入混凝土，即成为桩。孔中灌入混凝土，即成为桩。3-6步履式螺旋钻机步履式螺旋钻机（2）冲抓式成孔机）冲抓式成孔机冲抓成孔机是利用冲抓斗为钻具，它以自由落体冲抓成孔机是利用冲抓斗为钻具，它以自由落体的速度冲入土中，将土、石凿成碎块，然后抓碎的速度冲入土中，将土、石凿成碎块，然后抓碎土碎石抛至孔外而成孔。结构简单、操纵方便，土碎石抛至孔外而成孔。结构简单、操纵方便，适用于粘、砂、砾土及松散和混有漂石的卵石地适用于粘、砂、砾土及松散和混有漂石的卵石地层中施工。层中施工。3.4高压喷射灌浆设备高压喷射灌浆设备高喷技术主要是借助于高压射流，通过冲击高喷技术主要是借助于高压射流，通过冲击切割和强烈扰动，使浆液在射流作用范围内扩散、切割和强烈扰动，使浆液在射流作用范围内扩散、充填周围土层，并与土石粒掺混搅合，硬化后形充填周围土层，并与土石粒掺混搅合，硬化后形成凝结体，从而改变原地层结构和组成，借以达成凝结体，从而改变原地层结构和组成，借以达到防渗或提高承载力的目的。到防渗或提高承载力的目的。高喷灌泵技术有单管法、双管法、三管法。高喷灌泵技术有单管法、双管法、三管法。高喷形成的凝结体的形状与喷射的形式有关，喷高喷形成的凝结体的形状与喷射的形式有关，喷射形式一般有旋喷、摆喷和定喷三种。喷射时若射形式一般有旋喷、摆喷和定喷三种。喷射时若边提升边旋转，则凝结体的形状为圆柱体（又称边提升边旋转，则凝结体的形状为圆柱体（又称旋喷柱）若边提升边摆动，则形成的凝结体的形旋喷柱）若边提升边摆动，则形成的凝结体的形状为哑铃状，若只提升和定向喷射则可形成板状状为哑铃状，若只提升和定向喷射则可形成板状（又称定喷板）。（又称定喷板）。高压喷射灌浆的施工机具由高压发生装置、钻机、特种钻杆和高压管路四部分组成。主要包括：钻机、高压泵、空气压缩机、注浆管、喷嘴、流量计、输浆机、制浆机。 3.4.1高压钻孔设备高压钻孔设备（1）回转式钻机。各种回转式岩芯钻机均可回转式钻机。各种回转式岩芯钻机均可在高压喷射灌浆造孔中应用。在高压喷射灌浆造孔中应用。（2）冲击回转钻机（全液压工程钻机）。这种）冲击回转钻机（全液压工程钻机）。这种钻机机械化程度高，对地层适应能力强，尤其在复钻机机械化程度高，对地层适应能力强，尤其在复杂的卵砾石地层造孔工效较高。国产机型有杂的卵砾石地层造孔工效较高。国产机型有MG-200（河北宣化）、（河北宣化）、MGY-100（重庆探矿）、（重庆探矿）、SM-3000（河北三河）等，进口有（河北三河）等，进口有SM305、SM400等。等。（3）振动钻机。振动钻机适用于高喷灌浆的钻）振动钻机。振动钻机适用于高喷灌浆的钻机，能穿入覆盖层中的砂类土层、黏性土层、淤泥机，能穿入覆盖层中的砂类土层、黏性土层、淤泥地层及砂砾石层。国产机型有地层及砂砾石层。国产机型有70改进型、改进型、76型、型、XJ100等等3.4.2高喷灌泵设备高喷灌泵设备高压喷射灌浆设备按高压喷射灌浆施工工艺要高压喷射灌浆设备按高压喷射灌浆施工工艺要求，有多种设备组合而成。求，有多种设备组合而成。（1）搅浆机。搅浆机现常有的有卧式搅浆机和立）搅浆机。搅浆机现常有的有卧式搅浆机和立式搅浆机两种。式搅浆机两种。（2）灌浆泵。根据高压喷射灌浆的要求，一般压）灌浆泵。根据高压喷射灌浆的要求，一般压力应大于力应大于0.8MPa，流量大于，流量大于80L/min。单介质喷。单介质喷射时需要较高压力的高压泥浆泵。射时需要较高压力的高压泥浆泵。（3）水泥上料机。水泥上料机有皮带上料机、气）水泥上料机。水泥上料机有皮带上料机、气动上料机和螺旋上料机等许多种类，工地上常用的动上料机和螺旋上料机等许多种类，工地上常用的是螺旋上料机。是螺旋上料机。（4）高压水泵和水管）高压水泵和水管1）高压水泵和高压胶管。高压水泵的一般要）高压水泵和高压胶管。高压水泵的一般要求为压力求为压力20-50MPa，流量，流量50-100L/min。高压喷。高压喷射灌浆施工中常用的是射灌浆施工中常用的是3D2-SZ系列卧式三柱塞水系列卧式三柱塞水泵。泵。3D2-SZ高压水泵技术规格见表高压水泵技术规格见表3-1。2）高压水管。高压水管一般选用）高压水管。高压水管一般选用4层或层或6层的层的钢丝缠绕胶管。钢丝缠绕胶管。（5）空气压缩机。）空气压缩机。（6）提升、卷扬及旋摆设备。提升、卷扬及旋摆）提升、卷扬及旋摆设备。提升、卷扬及旋摆设备包括卷扬机、提升台车、旋摆机构，用于控制设备包括卷扬机、提升台车、旋摆机构，用于控制喷射流运动，以形成要求性状的凝结体。喷射流运动，以形成要求性状的凝结体。（7）喷射装置。喷射装置按射流介质不同可分为）喷射装置。喷射装置按射流介质不同可分为单介质（也称单管）、双介质（也称两管）、三介单介质（也称单管）、双介质（也称两管）、三介质（也称三管）和多介质喷射装置，由高压水龙头、质（也称三管）和多介质喷射装置，由高压水龙头、喷射管及喷头喷射管及喷头3部分组成。部分组成。1）单管喷射装置。）单管喷射装置。2）两管喷射装置。）两管喷射装置。3）三管喷射装置。）三管喷射装置。4）多介质喷射装置。）多介质喷射装置。（8）浆液回收设施。）浆液回收设施。（9）监控设备。）监控设备。表表3-13D2-SZ高压水泵技术规格高压水泵技术规格3.4.3高压喷射灌泵设备的应用高压喷射灌泵设备的应用四川省二滩水电站上下游挡水围堰采用高压旋四川省二滩水电站上下游挡水围堰采用高压旋喷灌泵防渗处理。喷灌泵防渗处理。3.5钻孔灌浆设备钻孔灌浆设备3.5.1钻孔设备钻孔设备灌浆工程的钻孔设备包括钻机和钻进工具。钻灌浆工程的钻孔设备包括钻机和钻进工具。钻进工具是指水龙头以下与其连接组成的全套工具。进工具是指水龙头以下与其连接组成的全套工具。钻进方法不同，机具配置也不同。钻进方法不同，机具配置也不同。选择钻机主要考虑施工条件、岩石性质、钻孔选择钻机主要考虑施工条件、岩石性质、钻孔深度、钻孔方向、钻孔直径和灌浆方法等因素。钻深度、钻孔方向、钻孔直径和灌浆方法等因素。钻机按照破碎岩石方法不同分为回转式钻机、冲击式机按照破碎岩石方法不同分为回转式钻机、冲击式钻机和冲击钻机和冲击回转式钻机。回转式钻机。1、回转式钻、回转式钻回转式钻机，是利用钻机的回转器带动钻具旋转，回转式钻机，是利用钻机的回转器带动钻具旋转，以磨削孔低岩石进行钻机。以磨削孔低岩石进行钻机。2、冲击式钻机、冲击式钻机冲击式钻机属于大口径型钻机，是利用钢丝绳将钻冲击式钻机属于大口径型钻机，是利用钢丝绳将钻具提升到一定高度，然后自由下落，冲击地层，使具提升到一定高度，然后自由下落，冲击地层，使孔底岩石破碎而进行钻进。孔底岩石破碎而进行钻进。3、冲击反循环钻机、冲击反循环钻机冲击反循环钻机，是在冲击钻机的基础上研制出的冲击反循环钻机，是在冲击钻机的基础上研制出的新型机。由抽筒抽砂，改为泵吸排砂，故称冲击反新型机。由抽筒抽砂，改为泵吸排砂，故称冲击反循环钻机。循环钻机。4、冲击回转式钻机、冲击回转式钻机冲击回转式钻机是以回转式钻机为基础，在钻头上冲击回转式钻机是以回转式钻机为基础，在钻头上部连接一个专门的冲击器（也称潜孔锤）的一种机部连接一个专门的冲击器（也称潜孔锤）的一种机械。械。5、钻具、钻具钻具及钻进工具，由主动钻杆、钻杆、钻铤、岩芯钻具及钻进工具，由主动钻杆、钻杆、钻铤、岩芯管、沉淀管、各种连接接头、接箍及钻头组成。管、沉淀管、各种连接接头、接箍及钻头组成。6、测斜仪、测斜仪在灌浆工程中，由于地质和工艺的原因，钻孔偏斜在灌浆工程中，由于地质和工艺的原因，钻孔偏斜是不可避免的。但孔斜会产生极大的危害性，如容是不可避免的。但孔斜会产生极大的危害性，如容易导致孔内事故发生，可能使技术人员对灌浆质量易导致孔内事故发生，可能使技术人员对灌浆质量作出错误的判断等。为了防止钻孔偏斜，都需要进作出错误的判断等。为了防止钻孔偏斜，都需要进行钻孔测斜。行钻孔测斜。CZ-22型冲击钻机外貌型冲击钻机外貌1-电动机电动机;2-冲击连杆冲击连杆;3-主轴主轴;4-压轮压轮;5-钻机天轮钻机天轮;6-桅杆桅杆;7-钢丝绳钢丝绳;8-抽筒天轮抽筒天轮CZ-22型冲击钻机传动系统示意图型冲击钻机传动系统示意图1-电动机电动机;2-主轴主轴;3-冲击机构冲击机构;4-工具卷筒工具卷筒;5-抽筒卷筒抽筒卷筒;6-辅助卷筒辅助卷筒3.5.2灌浆设备灌浆设备1、灌浆设备的组成、灌浆设备的组成灌浆机具主要包括灌浆泵、制浆和储浆设备、灌浆灌浆机具主要包括灌浆泵、制浆和储浆设备、灌浆塞等。塞等。2、灌浆辅助设备、灌浆辅助设备（1）智能灌浆记录仪。）智能灌浆记录仪。（2）水泥浆搅拌机。）水泥浆搅拌机。（3）灌浆塞。）灌浆塞。35