CN113277816B - 一种固化土、水下构筑物基础防护结构以及施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固化土、水下构筑物基础防护结构以及施工方法，固化土由高含水率泥浆和固化剂搅拌均匀而成，水下构筑物基础防护结构采用本发明公开固化土输送到水下构筑物基础的周围固化而成，防护结构与构筑物基础外壁面无缝隙紧密贴合。本发明防护材料为固化土，流动性强，便于施工，施工过程中材料为柔性，对水下构筑物配件和构筑物基础无损伤；形成的防护结构形式简单，易于实现，施工成本低，且可达到整体防冲刷的目的。
Description
技术领域：
本发明涉及一种固化土、水下构筑物基础防护结构以及施工方法。
背景技术：
水下构筑物(风力发电桩、桥墩、堤头堤坝、灯塔等)建成投入使用后，构筑物改变了此区域原来的水动力条件，在风、水浪、潮流等多动力共同作用下，构筑物基础会受到强烈的冲刷作用，在构筑物基础周围形成冲刷坑，进而影响桩基稳定性，图1为某风力发电桩基础周围冲刷坑的扫测图。
为克服该缺陷，现有的做法通常是在水下构筑物基础周围抛石或抛砂袋措施进行防护。
在采用抛石或抛砂袋作为防护时，因保护桩壁防腐层的需要，石块或砂袋在施工中严禁触碰桩壁，因此无法与桩周紧密贴合；同时由于石块和砂袋属于散体材料，石块间或者砂袋间也很难实现紧密贴合，存在的空隙引起二次掏刷，图2为某风力发电桩基础周围抛石防护后的扫测图，图3为某风力发电桩基础周围砂袋防护后的扫测图，由图2和图3可见，在使用一段时间后，石块或砂袋被逐渐冲刷，构筑物基础周围冲刷坑会逐渐加深，丧失防护作用。
发明内容：
本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种固化土、水下构筑物基础防护结构以及施工方法。
本发明所采用的技术方案有：
一种固化土，所述固化土由高含水率泥浆和固化剂搅拌均匀而成，各组分重量份为：高含水率泥浆800～1200份，固化剂60～200份。
进一步地，所述高含水率泥浆的含水率为60～300％，由泥源加水搅拌均匀得到；固化剂为无机复合型固化剂。
进一步地，所述泥源包括黏土、粉质黏土、黏质粉土、粉砂土、细砂土、中砂土中的一种或多种，泥源的有机质含量≤40％。
进一步地，所述无机复合型固化剂由无机类主材和辅材以质量比50～90％：10～50％均匀混合而成；
所述无机类主材为水泥、石灰或石膏的一种或多种；
辅材为粉煤灰、钢渣粉、高铝矾土、矿渣粉、云母粉、石粉、硅粉、炉渣粉、滑石粉、膨润土、高岭土、硅藻土、碳酸盐、硅酸盐、磷酸盐、硫酸盐中的一种或多种无机材料。
进一步地，所述无机复合型固化剂的主材和辅材的粒径要求为500μm方孔筛余小于50％，辅材的含水率小于30％。
本发明还公开了一种水下构筑物基础防护结构，所述防护结构是基于本发明所公开的固化土在水下构筑物基础的周围固化而成，防护结构与构筑物基础外壁面无缝隙紧密贴合。
进一步地，所述防护结构还包括填补层，所述填补层设于防护结构的下方用于填补水下构筑物基础四周的冲刷坑。
进一步地，所述填补层由高含水率泥浆和固化剂搅拌均匀而成，高含水率泥浆和固化剂的重量份为：高含水率泥浆800～1200份，固化剂0～60份。填补层的其他组成成分与本发明公开的固化土中其他成分一致。
进一步地，所述防护结构呈圆锥状，防护结构的坡比范围在1:3～1:18。
本发明还公开了一种水下构筑物基础防护结构的施工方法，包括如下步骤：
1)根据水流方向和海底管线位置确定固化土水下输送点个数，并确保各输送点之间的固化土能够全面接触、覆盖完整、无缝隙；
2)对施工作业船进行定位，保证施工作业船的船身距离构筑物基础外壁或冲刷坑的几何中心点的距离不少于1m；
3)水下构筑物基础直接防护时，在施工作业船上现场制备固化土，制备过程中保持循环流动防止过早硬化，在固化土制备完成后8h内，采用泵送吹填、抓斗抛填和开体驳船抛填中的一种或多种方式，将固化土从水下输送点位输送至构筑物基础的四周，在8～16h后，固化土在水下固化并最终形成与构筑物基础外壁面无缝隙紧密贴合的防护结构；
4)水下构筑物基础四周存在冲刷坑深度＞1.6m时，选择采用填补土作为填补层，填补土在施工作业船上现场制备，先在所述冲刷坑内填入填补土，形成填补层，然后现场制备固化土，固化土制备完成后按照步骤3)所述的过程完成防护结构的施工。
进一步地，所述固化土固化后耐受冲刷的最大水流速不低于为1m/s；在防护结构形成28d后，防护结构的粘聚力值大于20kPa，内摩擦角大于10°，无侧限抗压强度为0.08～3MPa。
进一步地，填补土在冲刷坑内填充形成填补层后，填补层的厚度不低于1m。
本发明采用固化土新型材料，通过回填的方式将固化材料送至水下构筑物基础周围泥面上，依靠固化土的流动性、抗冲刷性和自密实性，在水下构筑物基础周围形成整板状固化土防护结构，最大程度上对水下构筑物基础进行防护。由此产生的有益效果为：
1)本发明的固化土在水下施工28d后的粘聚力值大于20kPa，内摩擦角大于10°，固化土28d无侧限抗压强度为0.08～3MPa。
2)本发明施工过程高效可控，解决了传统工艺形成防护结构的防护效果差、防护周期短、后期维护费高等难题，所用材料柔性差和施工过程中易对水下构筑物配件和基础造成损伤等难题。
3)本发明防护材料为固化土，流动性强，便于施工，施工过程中材料为柔性，对水下构筑物配件和构筑物基础无损伤；形成的防护结构形式简单，易于实现，施工成本低，且可达到整体防冲刷的目的。
附图说明：
图1为某风力发电桩基础周围冲刷坑的扫测图。
图2为某风力发电桩基础周围抛石防护后的扫测图。
图3为某风力发电桩基础周围砂袋防护后的扫测图。
图4为构筑物基础周围无明显冲刷坑的固化土防护结构示意图。
图5为图4所示构筑物基础防护施工前的形貌扫测图。
图6为图4所示构筑物基础防护施工90天后的扫测图。
图7为构筑物基础周围存在冲刷坑的固化土防护结构示意图。
图8为图7所示构筑物基础防护施工前的冲刷坑扫测图。
图9为图7所示构筑物基础防护施工90天后的扫测图。
图10为构筑物基础周围冲刷坑较大(冲刷坑深度>1.6m)的固化土防护结构示意图。
图11为图10所示构筑物基础防护施工前的冲刷坑扫测图。
图12为图10所示构筑物基础防护施工90天后的扫测图。
图中：41-构筑物基础，60-冲刷坑，61-固化土防护层，62-填补层。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
实施例1
一种固化土，固化土由高含水率泥浆和固化剂搅拌均匀而成，各组分重量份为：高含水率泥浆800份，固化剂60份。
高含水率泥浆由泥源加水搅拌均匀得到，高含水率泥浆的含水率为60％。
泥源包括黏土、粉质黏土、黏质粉土、粉砂土、细砂土、中砂土中的一种或多种(但不包括以碎石土、粗砂土、石子、砂砾等为主的散体材料)，泥源的有机质含量为40％。
固化剂由由无机类主材和辅材均匀而成。其中，无机类主材为水泥、石灰或石膏的一种或多种。
辅材为粉煤灰、钢渣粉、高铝矾土、矿渣粉、云母粉、石粉、硅粉、炉渣粉、滑石粉、膨润土、高岭土、硅藻土、碳酸盐、硅酸盐、磷酸盐、硫酸盐中的一种或多种无机材料。另外可根据泥源特点及现场水文情况适当添加增稠剂、早强剂、缓凝剂、增塑剂功能材料，用以改善固化土泥浆的稠度、流动性能、固化时间等性能。
主材和辅材的粒径要求为500μm方孔筛余小于50％，辅材的含水率小于30％。(由于高含水率泥浆具有大流动性，固化剂加入其中很容易分散混合均匀，因此无需像干硬性土壤一样严格控制固化剂的粒径尺寸和含水率。)
在采用本配比制备的固化土水下施工时，在水下构筑物基础周围固化后会形成防护结构，该防护结构与构筑物基础外壁面无缝隙紧密贴合。
防护结构由冲刷坑大小而定，在构筑物基础41基底部未存在冲刷坑，即构筑物基础41刚施工完后，构筑物基础41基底部的自然海床面近乎平面(如图4)。或者在构筑物基础41基底部冲刷坑60较小时(冲刷坑60最底部距离冲刷坑外海床面高程1.6米以内)，如图7。此时防护结构就是由固化土防护层61紧密围绕水下构筑物基础周围形成。
若冲刷坑较大时，为节省材料和节约成本，先在冲刷坑内设置填补层62(如图10)。填补层62的厚度>1米。然后在填补层62上方添加固化土防护层61，并形成防护结构。
无论冲刷坑的大小，固化土固化后呈圆锥状(即固化土防护层61)，坡比范围在1:3～1:18。
填补层62的成分与本发明中固化土的成分相同，区别在于，填补层62是将固化剂缩减为0～60份，减少固化剂的用量可以有效的节约成本。
采用本配比固化土在水下施工的方法为：
1)输送点确定：确定固化土水下输送点的个数，并确保各输送点之间的固化土能够全面接触、覆盖完整、无缝隙。
2)作业船定位：对施工作业船定位进行，保证施工作业船的船身距离构筑物基础41外壁或冲刷坑的几何中心点的距离不少于1m。
3)水下构筑物基础不需要填补而直接防护时，在施工作业船上现场制备固化土，制备过程中保持循环流动防止固化，在固化土制备完成后8h内，采用泵送吹填、抓斗抛填和开体驳船抛填中的一种或多种方式，将固化土从水下输送点位输送至构筑物基础的四周，在13h后，固化土在水下固化并最终形成与构筑物基础外壁面无缝隙紧密贴合的防护结构；
在不需要填补时，直接向构筑物基础41周边输入固化土即可。图5为施工前的构筑物基础形貌扫测图，图6为施工90天后的扫测图；图8为施工前的构筑物基础冲刷坑扫测图，图9为施工90天后的扫测图。由施工90天后的扫测结果来看，可以预期固化土具有长期的抗冲刷防护效果，能对构筑物基础保持长期有效防护。
4)水下构筑物基础四周存在冲刷坑较大而需要填补时，在施工作业船上现场制备填补土，先在所述冲刷坑内填入填补土，形成填补层，然后现场制备固化土，固化土制备完成后按照步骤3)所述的过程完成防护结构的施工。
结合图11和图12，图11为图10施工前的构筑物基础冲刷坑扫测图，图12为图10通过填补土和固化土施工90天后的扫测图。由施工90天后的扫测结果来看，可以预期固化土具有长期的抗冲刷防护效果，能对构筑物基础保持长期有效防护。
按照本实施例制备的固化土，固化土固化后耐受冲刷的最大水流速为3.3m/s。防护结构形成的28d后，防护结构的粘聚力值为29.5kPa，内摩擦角为14.7°，无侧限抗压强度为0.25MPa。
实施例2
该实施例中的固化土由高含水率泥浆和固化剂搅拌均匀而成，各组分重量份为：高含水率泥浆1000份，固化剂120份。其中高含水率泥浆的含水率为200％，泥源的有机质含量为15％。
采用本配比固化土在水下施工后11h后形成构筑物基础外壁面无缝隙紧密贴合防护结构。
按照本实施例制备的固化土，固化土耐受冲刷的最大水流速为4.5m/s。防护结构形成的28d后，防护结构的粘聚力值为41.6kPa，内摩擦角为19.3°，无侧限抗压强度为0.47MPa。
实施例3
该实施例中的固化土由高含水率泥浆和固化剂搅拌均匀而成，各组分重量份为：高含水率泥浆1200份，固化剂80份，高含水率泥浆的含水率为300％，泥源的有机质含量为5％。
采用本配比固化土在水下施工后15h后形成构筑物基础外壁面无缝隙紧密贴合防护结构。
按照本实施例制备的固化土，固化土耐受冲刷的最大水流速为1.4m/s。防护结构形成的28d后，防护结构的粘聚力值为24.1kPa，内摩擦角为11.5°，无侧限抗压强度为0.12MPa。
实施例4
该实施例中的固化土由高含水率泥浆和固化剂搅拌均匀而成，各组分重量份为：高含水率泥浆1200份，固化剂150份，高含水率泥浆的含水率为80％，泥源的有机质含量为4％。
采用本配比固化土在水下施工后10h后形成构筑物基础外壁面无缝隙紧密贴合防护结构。
按照本实施例制备的固化土，固化土耐受冲刷的最大水流速为5.2m/s。防护结构形成的28d后，防护结构的粘聚力值为58.8kPa，内摩擦角为23.6°，无侧限抗压强度为0.89MPa。
实施例5
该实施例中的固化土由高含水率泥浆和固化剂搅拌均匀而成，各组分重量份为：高含水率泥浆800份，固化剂200份，高含水率泥浆的含水率为60％，泥源的有机质含量为2％。
采用本配比固化土在水下施工后8h后形成构筑物基础外壁面无缝隙紧密贴合防护结构。
按照本实施例制备的固化土，固化土耐受冲刷的最大水流速为9.1m/s。防护结构形成的28d后，防护结构的粘聚力值为105.3kPa，内摩擦角为49.8°，无侧限抗压强度为2.72MPa。
实施例6
该实施例中的固化土由高含水率泥浆和固化剂搅拌均匀而成，各组分重量份为：高含水率泥浆1200份，固化剂200份，高含水率泥浆的含水率为150％，泥源的有机质含量为2％。
采用本配比固化土在水下施工后9h后形成构筑物基础外壁面无缝隙紧密贴合防护结构。
按照本实施例制备的固化土，固化土耐受冲刷的最大水流速为6.5m/s。防护结构形成的28d后，防护结构的粘聚力值为74.4kPa，内摩擦角为38.5°，无侧限抗压强度为1.35MPa。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种固化土及其构成的水下构筑物基础防护结构，其特征在于：所述固化土由高含水率泥浆和固化剂搅拌均匀而成，各组分重量份为：高含水率泥浆800～1200份，固化剂60～200份；
固化剂为无机复合型固化剂；所述无机复合型固化剂由无机类主材和辅材以质量比50～90%：10～50%均匀混合而成；
所述无机类主材为水泥、石灰或石膏的一种或多种；
辅材为粉煤灰、钢渣粉、高铝矾土、矿渣粉、云母粉、石粉、硅粉、炉渣粉、滑石粉、膨润土、高岭土、硅藻土、碳酸盐、硅酸盐、磷酸盐、硫酸盐中的一种或多种无机材料；
所述水下构筑物基础防护结构是由固化土在水下构筑物基础周围固化后形成，所述防护结构与构筑物基础外壁面无缝隙紧密贴合，防护结构还包括填补层，填补层设于防护结构的下方用于填补水下构筑物基础四周的冲刷坑。
2.如权利要求1所述固化土及其构成的水下构筑物基础防护结构，其特征在于：所述高含水率泥浆的含水率为60～300%，由泥源加水搅拌均匀得到。
3.如权利要求2所述固化土及其构成的水下构筑物基础防护结构，其特征在于：所述泥源包括黏土、粉质黏土、黏质粉土、粉砂土、细砂土、中砂土中的一种或多种，泥源的有机质含量≤40%。
4.如权利要求1所述固化土及其构成的水下构筑物基础防护结构，其特征在于：所述无机复合型固化剂的主材和辅材的粒径要求为500μm方孔筛余小于50%，辅材的含水率小于30%。
5.如权利要求1所述固化土及其构成的水下构筑物基础防护结构，其特征在于：所述填补层由高含水率泥浆和固化剂搅拌均匀而成，高含水率泥浆和固化剂的重量份为：高含水率泥浆800～1200份，固化剂0～60份。
6.如权利要求1所述固化土及其构成的水下构筑物基础防护结构，其特征在于：所述防护结构呈圆锥状，防护结构的坡比范围在1:3~1:18。
7.一种如权利要求1所述水下构筑物基础防护结构的施工方法，其特征在于：包括如下步骤：
1）根据水流方向和海底管线位置确定固化土水下输送点个数，并确保各输送点之间的固化土能够全面接触、覆盖完整、无缝隙；
2）对施工作业船进行定位，保证施工作业船的船身距离构筑物基础外壁或冲刷坑的几何中心点的距离不少于1m；
3）水下构筑物基础直接防护时，在施工作业船上现场制备固化土，制备过程中保持循环流动防止过早硬化，在固化土制备完成后8h内，采用泵送吹填、抓斗抛填和开体驳船抛填中的一种或多种方式，将固化土从水下输送点位输送至构筑物基础的四周，在8～16 h后，固化土在水下固化并最终形成与构筑物基础外壁面无缝隙紧密贴合的防护结构；
4）水下构筑物基础四周存在冲刷坑深度＞1.6m时，选择采用填补土作为填补层，填补土在施工作业船上现场制备，先在所述冲刷坑内填入填补土，形成填补层，然后现场制备固化土，固化土制备完成后按照步骤3）所述的过程完成防护结构的施工。
8.如权利要求7所述水下构筑物基础防护结构的施工方法，其特征在于：所述固化土固化后耐受冲刷的最大水流速不低于为1m/s；在防护结构形成28d后，防护结构的粘聚力值大于20kPa，内摩擦角大于10°，无侧限抗压强度为0.08～3MPa。
9.如权利要求7所述水下构筑物基础防护结构的施工方法，其特征在于：填补土在冲刷坑内填充形成填补层后，填补层的厚度不低于1m。
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