1 无损插桩机具设计

1.1 总体设计

1.1.1 对水上无损插桩设备的设计要求

针对黄河治理及一般的土木工程施工、水利水电工程、农业工程，该无损插桩机具要求具有以下功能：

（1）该插桩设备要求在黄河下游滩地/水中施工，该地层属于粉性砂土，层间伴有黏土层、杂草或石块等杂物。

（2）利用水射流冲击砂土、黏土及其所含枯枝杂草时，能对桩底部地层进行造孔减小或消除地层对桩的摩阻力，使桩依靠自身的重量沉入地层中。

（3）该插桩设备是针对外径不大于500mm，内径不小于300mm，长度不超过24m的钢筋混凝土预制管桩施工。

（4）对桩底部造孔深度不小于24m。

（5）定位装置适合水深不大于5m，以保证沉桩过程中，克服风力、波浪冲击力，保持桩处于铅垂状态。

1.1.2 总体设计

1.1.2.1 实现插桩原理

该水上插桩施工及其快速定位设备实施插桩工作时，首先利用机械进行钻孔插桩法或无损射流插桩法在黄河岸边滩地插入管桩（称为定位桩，记为桩1号、2号、3号、…，至少沉入2根定位桩），进入水中插桩时，利用岸边已有定位桩1号、2号或边桩3号的直立、稳定作用，将边桩1号、2号或3号的顶部0.5m以上高度开挖，桩顶露出0.5m，用以固定定位装置，营造需要安插的管桩在没有水平流速水域处沉放至河床射水管桩环境，进而实现需安插1′管桩在自重的作用垂直下沉插桩。然后再依此桩1′为定位桩继续射水插桩2′、3′、4′、…，以此类推实现整个桩坝管桩的插入。然后在桩顶部安放事先预制好的混凝土联系盖梁，通过连接销柱将管桩和联系盖梁连接起来，形成整个桩坝的建立（桩坝结构布置如图1.1.1所示）。

图1.1.1 桩坝结构布置图（单位：cm）

1.1.2.2 总体方案设计

从前面的分析可知，用水射流法对桩底部周围土层实施破坏，再依托定位桩利用快速定位装置使桩处于悬浮状态或自然下垂状态，插入地层，从而实现整个桩坝的建立。因此对该插桩设备和定位装置整体结构初步设计如图1.1.2和图1.1.3所示。由起吊机械、供水系统和定位装置，以及用来连接起吊机械与供水系统和桩的钢丝绳几部分组成。

各部分的作用分别是：起吊机械通过钢丝绳用来起吊定位装置、供水系统和管桩，使供水系统在桩的底部连续垂直向地层造孔，并将桩沉入地层。定位装置的主要作用是依靠前桩定位，将水对桩的侧向冲击作用减弱或消除，保证管桩下沉的过程不受水流的作用，而保持铅垂状态沉入地层。供水系统是供给水高压射流冲击桩底部地层，形成井孔，并通过正循环将产生的泥浆带动溢出，在管桩的底部形成井孔，保证管桩靠自身的重力沉入地层。起吊机械主勾的钢丝绳通过桩顶部压盘上，副钩的钢丝绳和供水系统中的吊装带连接，起吊时主要起连接和承重作用。

图1.1.2 总体方案设计结构图

1.1.2.3 具体设计内容

依据当前国内外插桩施工机械状况，并将研究重点放在寻求更经济、更高效、更安全的水上插桩方式上。具体内容如下：

（1）无损射流插桩设备总体方案设计。

（2）射流装置设计研究。

（3）压盘装置设计研究。

（4）供水系统设计与选型。

（5）设备制造与组装、调试。