CN116497818B - 海上大直径钢管桩防溜桩装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海上大直径钢管桩防溜桩装置及其使用方法，包括下部外套筒、中间隔板、上部筒体、锁紧机构和自适应闭合阀门；下部外套筒用于套装在待施工的钢管桩上，中间隔板设置在下部外套筒顶部，使钢管桩内部形成封闭空间效果；上部筒体用于安装振锤装置；锁紧机构设置在下部外套筒上，用于将防溜桩装置固定在钢管桩上；在中间隔板上开设有与外部相通的透水通道，自适应闭合阀门安装在透水通道中，能够根据钢管桩的下沉状态对透水通道的导通状态进行自适应控制。钢管桩发生溜桩时，钢管桩外排的水流速度大大增加，在持续快速外排的水流作用下推动锥形阀芯克服复位弹簧的阻力关闭锥形壁的开口，使得钢管桩内水压增加，有效阻止溜桩。

Description

海上大直径钢管桩防溜桩装置及其使用方法

技术领域

本发明属于海洋工程的桩基施工技术领域，特别是涉及一种海上大直径钢管桩防溜桩装置及其使用方法。

背景技术

从浅水区域的港口码头、桥梁、海上风力发电场到深水区域的海洋导管架平台等海洋资源开采开发设备都离不开桩基的建设。钢管桩可以承担桩锤的间断式锤击冲力，桩基承载力大，设计灵活性大，钢桩长度便于加长或截断等调整，被广泛应用于海洋结构桩基施工中，而且对于钢桩可打入性来说，开口钢桩比闭口钢桩更加容易打入土层内。海上打桩过程容易受风阻、水流、岩土性质等条件的影响和环境条件限制，因此打桩的危险因素增加，困难愈加明显。同时，随着世界材料和设备制造能力的不断提升，钢桩的尺寸巨变，呈现直径变大，桩身变长，打入土深度变深的特点，因此必须对打桩过程中钢桩的打桩方案进行安全性防护设计，以保证沉桩安全。

大直径超长钢桩在持续打桩过程中会出现一种突发状况，即钢桩在某次锤击或两次锤击间断中突然自动下沉一定深度，施工中将此时钢桩自动下沉状态称为溜柱。溜桩是打桩施工中一种危险现象，溜桩的发生影响打桩的效率，溜桩速度过快会对桩锤和钢桩造成损伤，増加打桩的成本，甚至导致桩基不能使用，需要换桩或换打桩区域。溜桩还会导致不能正确评估打桩后桩基承载力。

为解决大直径钢管桩溜桩问题，目前现有技术主要是通过在桩口增加限流板，改变限流板上的透水孔的通水量，从而减缓溜桩时贯入速度，这种方法需要先通过检测手段判断钢管桩是否发生溜桩再通过电控***进行主动控制限流板上的透水孔的通水量，该方法的检测和控制***较为复杂，导致工作稳定性和有效性较低，而且在应对快速溜桩时的响应速度也不足，未能充分满足防溜桩需求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种海上大直径钢管桩防溜桩装置及其使用方法。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种海上大直径钢管桩防溜桩装置，包括下部外套筒、中间隔板、上部筒体、锁紧机构和自适应闭合阀门；

下部外套筒用于套装在待施工的钢管桩上，所述中间隔板设置在下部外套筒顶部，将下部外套筒顶部封闭；所述上部筒体设置在中间隔板上部，用于安装振锤装置；

所述锁紧机构设置在下部外套筒上，用于实现将防溜桩装置固定在待施工的钢管桩上；

在中间隔板上开设有与外部相通的透水通道，所述自适应闭合阀门安装在透水通道中，能够根据钢管桩的下沉状态对透水通道的导通状态进行自适应控制；

自适应闭合阀门包括阀壁和安装在阀壁内部的锥形阀芯、复位弹簧、支撑板，所述阀壁的前端为开口的锥形壁，后端为圆筒壁，所述支撑板固定连接在阀壁的圆筒壁上，锥形阀芯通过复位弹簧安装在支撑板上，复位弹簧在自然状态下，锥形阀芯与锥形壁的开口是分离状态。

在上述技术方案中，锁紧机构的数量优选为6-12个，呈圆周均匀分布在下部外套筒上。

在上述技术方案中，下部外套筒包括上部等直径圆筒段和下部渐扩圆筒段，上部等直径圆筒段的内壁上设置橡胶材质的密封圈，所述锁紧机构安装在下部渐扩圆筒段内侧。

在上述技术方案中，锁紧机构包括三角形的顶紧块和液压杆，液压杆的尾部铰接在下部渐扩圆筒段上，液压杆的前部与顶紧块铰接，通过液压杆驱动顶紧块进入钢管桩和下部渐扩圆筒段的夹角处，将下部外套筒与钢管桩固定。

在上述技术方案中，在下部渐扩圆筒段上开设用于安装所述液压杆的安装孔。

在上述技术方案中，在中间隔板的底面边缘位置设置一圈阶梯结构，在该阶梯结构上沿横向开设透水通道。

在上述技术方案中，所述透水通道的数量为多个，呈圆周均匀分布在中间隔板上。

上述海上大直径钢管桩防溜桩装置的使用方法如下：

步骤1：将海上大直径钢管桩防溜桩装置的下部外套筒套装在钢管桩上端口上，然后启动锁紧机构，将海上大直径钢管桩防溜桩装置与钢管桩固定；

步骤2：在海上大直径钢管桩防溜桩装置的上部筒体安装振锤装置，通过透水通道和自适应闭合阀门向钢管桩内注满水；

步骤3：启动振锤装置，对钢管桩进行振沉，在钢管桩振沉过程中，钢管桩正常速度下沉时，钢管桩内部的水能够通过自适应闭合阀门和透水通道排出；钢管桩发生溜桩时，钢管桩内部的水压突然增大，外排的水流速度大大增加，在持续快速外排的水流作用下推动锥形阀芯克服复位弹簧的阻力关闭锥形壁的开口，使得钢管桩内水压增加，有效阻止溜桩；

步骤4：钢管桩振沉到指定深度位置后，控制锁紧机构解锁，然后通过拉绳将海上大直径钢管桩防溜桩装置和振锤装置一同上提。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的防溜桩装置结构简单，不需要复杂的检测和控制***，通过在中间隔板上开设有与外部相通的透水通道，并在透水通道中设置自适应闭合阀门，能够根据钢管桩的下沉状态对透水通道的导通状态进行自适应控制；在钢管桩振沉过程中，钢管桩正常速度下沉时，钢管桩内部的水能够通过自适应闭合阀门和透水通道排出；钢管桩发生溜桩时，钢管桩内部的水压突然增大，外排的水流速度大大增加，在持续快速外排的水流作用下推动自适应闭合阀门的锥形阀芯克服复位弹簧的阻力关闭锥形壁的开口，使得钢管桩内水压增加，从而有效阻止溜桩。

附图说明

图1为本发明的海上大直径钢管桩防溜桩装置的结构示意图。

图2为本发明中的锁紧机构的局部放大示意图。

图3为本发明中的自适应闭合阀门自然状态的示意图。

图4为本发明中的自适应闭合阀门受水流推动后处于闭合状态的示意图。

对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见附图1-附图3，一种海上大直径钢管桩防溜桩装置，包括下部外套筒1、中间隔板2、上部筒体3、锁紧机构4和自适应闭合阀门5。

下部外套筒1用于套装在待施工的钢管桩6上，所述中间隔板2设置在下部外套筒1顶部，将下部外套筒1顶部封闭，所述上部筒体3设置在中间隔板2上部，上部筒体3的口径与待施工的钢管桩6口径一致，工作时，上部筒体3的上端口用于安装振锤装置（现有技术中，振锤装置是安装在钢管桩6上端口，直接对钢管桩6产生振沉力），以使振锤装置产生的振沉力能够通过本发明的防溜桩装置传递至钢管桩6。

所述锁紧机构4设置在下部外套筒1上，用于实现将防溜桩装置固定在待施工的钢管桩6上，锁紧机构4的数量优选为6-12个，呈圆周均匀分布在下部外套筒1上。具体的讲，下部外套筒1包括上部等直径圆筒段1.1和下部渐扩圆筒段1.2，上部等直径圆筒段1.1的内壁上设置橡胶材质的密封圈9，以增加下部外套筒1与钢管桩6之间的密封效果，使钢管桩6内部形成封闭空间效果，所述锁紧机构4安装在下部渐扩圆筒段1.2内侧，锁紧机构4包括三角形的顶紧块4.1和液压杆4.2，液压杆4.2的尾部铰接在下部渐扩圆筒段1.2上，液压杆4.2的前部与顶紧块4.1底部铰接，进而通过液压杆4.2驱动顶紧块4.1进入钢管桩6和下部渐扩圆筒段1.2的夹角处，从而将下部外套筒1与钢管桩6固定。进一步的说，在下部渐扩圆筒段1.2上开设用于安装所述液压杆4.2的安装孔1.21。

在中间隔板2上开设有与外部相通的透水通道7，本实施例中，所述透水通道7是沿中间隔板2的径向设置，为了方便在中间隔板2的径向开设透水通道7，在中间隔板2的底面边缘位置设置了一圈阶梯结构8，该圈阶梯结构8顶在钢管桩6上端口，在该阶梯结构8上沿横向开设透水通道7。当下部外套筒1固定套装在钢管桩6上端口后，通过所述透水通道7使得钢管桩6内部和外部相通。进一步的说，透水通道7的数量为多个，优选为5-8个，呈圆周均匀分布在中间隔板2上。

所述自适应闭合阀门5安装在透水通道7中，能够根据钢管桩的下沉状态对透水通道7的导通状态进行自适应控制。具体的讲，参见附图3，自适应闭合阀门5包括阀壁5.1和安装在阀壁5.1内部的锥形阀芯5.2、复位弹簧5.3、支撑板5.4，所述阀壁5.1的前端为开口的锥形壁5.11，后端为圆筒壁5.12，所述支撑板5.4为矩形板，固定连接在阀壁5.1的圆筒壁5.12上，锥形阀芯5.2通过复位弹簧5.3安装在支撑板5.4上，复位弹簧5.3在自然状态下，锥形阀芯5.2与锥形壁5.11的开口是分离状态，此状态下，水流能够通过自适应闭合阀门5和透水通道7。进一步的说，锥形阀芯5.2的锥向设置方向是沿透水通道7由内侧向外侧设置。

该自适应闭合阀门5的工作原理是：防溜桩装置安装好后，在钢管桩6振沉过程中，钢管桩正常速度下沉时，钢管桩6内部的水能够以低速通过自适应闭合阀门5和透水通道7排出；钢管桩发生溜桩时，钢管桩6内部的水压突然增大，外排的水流速度大大增加，在持续快速外排的水流作用下推动锥形阀芯5.2克服复位弹簧5.3的阻力关闭锥形壁5.11的开口（附图4所示状态），从而有效关闭自适应闭合阀门5和透水通道7，使得钢管桩6内水压增加，进而桩顶端阻力增加，将有效阻止溜桩。

上述海上大直径钢管桩防溜桩装置的使用方法如下：

步骤1：将海上大直径钢管桩防溜桩装置的下部外套筒1套装在钢管桩6上端口上，然后启动锁紧机构4，将海上大直径钢管桩防溜桩装置与钢管桩6固定。

步骤2：在海上大直径钢管桩防溜桩装置的上部筒体3安装振锤装置，通过透水通道7和自适应闭合阀门5向钢管桩6内注满水。

步骤3：启动振锤装置，使钢管桩6进行振沉，在钢管桩6振沉过程中，钢管桩正常速度下沉时，钢管桩6内部的水能够以低速通过自适应闭合阀门5和透水通道7排出；钢管桩发生溜桩时，钢管桩6内部的水压突然增大，外排的水流速度大大增加，在持续快速外排的水流作用下推动锥形阀芯5.2克服复位弹簧5.3的阻力关闭锥形壁5.11的开口，从而有效关闭自适应闭合阀门5和透水通道7，使得钢管桩6内水压增加，进而桩顶端阻力增加，将有效阻止溜桩。

步骤4：钢管桩6振沉到指定深度位置后，控制锁紧机构4解锁，然后通过拉绳将海上大直径钢管桩防溜桩装置和振锤装置一同上提，实现回收再利用。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种海上大直径钢管桩防溜桩装置，其特征在于：包括下部外套筒、中间隔板、上部筒体、锁紧机构和自适应闭合阀门；

下部外套筒用于套装在待施工的钢管桩上，所述中间隔板设置在下部外套筒顶部，将下部外套筒顶部封闭；所述上部筒体设置在中间隔板上部，用于安装振锤装置；

所述锁紧机构设置在下部外套筒上，用于实现将防溜桩装置固定在待施工的钢管桩上；

在中间隔板上开设有与外部相通的透水通道，所述自适应闭合阀门安装在透水通道中，能够根据钢管桩的下沉状态对透水通道的导通状态进行自适应控制；

所述自适应闭合阀门包括阀壁和安装在阀壁内部的锥形阀芯、复位弹簧、支撑板，所述阀壁的前端为开口的锥形壁，后端为圆筒壁，所述支撑板固定连接在阀壁的圆筒壁上，锥形阀芯通过复位弹簧安装在支撑板上，复位弹簧在自然状态下，锥形阀芯与锥形壁的开口是分离状态；

在钢管桩振沉过程中，钢管桩正常速度下沉时，钢管桩内部的水能够通过自适应闭合阀门和透水通道排出；钢管桩发生溜桩时，钢管桩内部的水压增大，在持续快速外排的水流作用下推动自适应闭合阀门的锥形阀芯克服复位弹簧的阻力关闭锥形壁的开口，使得钢管桩内水压增加，从而有效阻止溜桩。

2.根据权利要求1所述的海上大直径钢管桩防溜桩装置，其特征在于：锁紧机构的数量为6-12个，呈圆周均匀分布在下部外套筒上。

3.根据权利要求1所述的海上大直径钢管桩防溜桩装置，其特征在于：下部外套筒包括上部等直径圆筒段和下部渐扩圆筒段，上部等直径圆筒段的内壁上设置橡胶材质的密封圈，所述锁紧机构安装在下部渐扩圆筒段内侧。

4.根据权利要求3所述的海上大直径钢管桩防溜桩装置，其特征在于：锁紧机构包括三角形的顶紧块和液压杆，液压杆的尾部铰接在下部渐扩圆筒段上，液压杆的前部与顶紧块铰接，通过液压杆驱动顶紧块进入钢管桩和下部渐扩圆筒段的夹角处，将下部外套筒与钢管桩固定。

5.根据权利要求4所述的海上大直径钢管桩防溜桩装置，其特征在于：在下部渐扩圆筒段上开设用于安装所述液压杆的安装孔。

6.根据权利要求1所述的海上大直径钢管桩防溜桩装置，其特征在于：在中间隔板的底面边缘位置设置一圈阶梯结构，在该阶梯结构上沿横向开设透水通道。

7.根据权利要求6所述的海上大直径钢管桩防溜桩装置，其特征在于：所述透水通道的数量为多个，呈圆周均匀分布在中间隔板上。

8.根据权利要求1所述的海上大直径钢管桩防溜桩装置的使用方法，其特征在于：

步骤1：将海上大直径钢管桩防溜桩装置的下部外套筒套装在钢管桩上端口上，然后启动锁紧机构，将海上大直径钢管桩防溜桩装置与钢管桩固定；

步骤2：在海上大直径钢管桩防溜桩装置的上部筒体安装振锤装置，通过透水通道和自适应闭合阀门向钢管桩内注满水；

步骤3：启动振锤装置，对钢管桩进行振沉，在钢管桩振沉过程中，钢管桩正常速度下沉时，钢管桩内部的水能够通过自适应闭合阀门和透水通道排出；钢管桩发生溜桩时，钢管桩内部的水压突然增大，外排的水流速度大大增加，在持续快速外排的水流作用下推动锥形阀芯克服复位弹簧的阻力关闭锥形壁的开口，使得钢管桩内水压增加，有效阻止溜桩；

步骤4：钢管桩振沉到指定深度位置后，控制锁紧机构解锁，然后通过拉绳将海上大直径钢管桩防溜桩装置和振锤装置一同上提。