CN85100357A - 脉冲气流沉桩法 - Google Patents
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Abstract
本发明为脉冲气流沉桩法,是一种新的水下
基础施工方法。其主要特征是:本发明的新型预
制钢筋混凝土桩柱,利用以脉冲形式释放的压缩
空气来克服桩尖阻力和侧摩阻力,顺着预先设置
的导向管,逐步沉埋到持力层或基岩,最后向桩
柱底部压注水泥砂浆。本发明适用于在沉积层很
厚的江河下游或大陆架海域构筑各种水下基础工
程。
Description
本发明是一种新的沉桩工艺,及与之相应的一种新型预制钢筋混凝土桩,用于在沉积层很厚的江河下游或大陆架海域构筑各种水下基础工程。
在江河下游构筑水下基础,有的采用各种打桩机打入钢桩或混凝土桩,或采用钢板围堰或水密沉箱进行水下基础施工。也有的在平整和处理好基床后,沉放整体式的混凝土沉箱作为水下基础。
在大陆架海域构筑水下基础,除了上述的重力式混凝土沉箱基础以外,也可采用桩基础,即由大型打桩船将长数十米的钢管穿过导管架打入海底地层。或采用水下打桩机在水中进行打桩,如苏联发明证书734342号:深水打桩机。
不同于上述的水下基础施工方法,本发明的原理是:利用以脉冲形式释放的压缩空气来克服桩尖阻力和侧摩阻,使本发明的大型预制混凝土桩柱依靠自重沉埋到持力层或基岩。然后向桩柱底部压注水泥砂浆,以固定桩柱和加固有裂隙的持力层或基岩,使桩基础获得预期的承载力。
本发明的目的在于,为在江河下游或沿海地区构筑桥梁、码头等工程的水下基础提供一种新的施工方法,以便较快地、较经济地完成水下基础工程。
本发明的目的还在于,为在大陆架海域构筑一种造价较低、强度大、耐腐蚀的采油平台,即钢筋混凝土桩基础采油平台。这种平台比较适合于在台风频繁的海域开采海底石油。
本发明的目的还在于,为软土地区的深基础施工提供一种新的沉桩方法。
本发明的新型预制桩由多节圆柱形的桩柱构成。若桩柱的直径较大,则每节的高度较小。桩柱的节数决定于水底沉积层的厚度;厚度越大,则节数越多。各节桩柱均由钢筋混凝土预制。最下面一节桩柱的构造如图1所示。其余各节桩柱的构造也相同,只是其底面不是锥形,而是平面,和没有排气孔和防气蚀钢板。
桩柱的中心固定着一根内径为120毫米的钢管-压力管2。因为压力管较长,为加工便利,压力管由两节焊成:上面一节均匀地开有四条纵向槽5,下面一节开有四个圆锥形的、小端直径为4~5毫米的小孔-排气孔4。排气孔和纵向槽对接。压力管的顶端有法兰盘1,用来与输气钢管或上面一节桩柱的压力管联接,法兰盘上装有密封环。桩柱的锥形底部包复有一块薄钢板-防气蚀钢板3。
在天气良好时,在基础位置的上方锚定钻机船或打桩船,在沉积层较薄时用打桩法,在沉积层较厚时用钻进法,将一根外径为120毫米,长度=(沉积层厚度+最下一节桩柱高度)的双层钢管垂直地穿过沉积层,直达基岩。
双层钢管的构造如图2所示。外层的钢管叫导向管8,导向管的端部用螺纹连接着硬质合金制成的桩尖10或钻头11。桩尖或钻头的外径比导向管外径约大4~6毫米,它们的下部要***基岩。在它们的上部均匀地开有四个圆锥形的孔口-灌浆口12,灌浆口的出口端直径约30毫米。在灌浆口的外侧装有板状阀门13。在导向管的内壁套装有壁厚约10毫米的钢管-提升管9,提升管的外径略小于导向管的内径。双层钢管穿过沉积层时,泥砂和岩屑会塞满提升管,提升管在以后提出。
在下导向管时,应尽量提高其垂直度,并在导向管埋設好后,用测斜仪测量其垂直度。若垂直度达不到要求,就要在导向管上端部施加外力,纠正偏斜。还要控制好桩尖10或钻头11***基岩的深度;应使灌浆口靠近基岩,但不允许埋入基岩,以防被基岩堵死。
在导向管下好后,较小型的桩柱,可用船运到现场,并用起重机械吊放入水中。大型的桩柱,可在其两边固定两个浮筒,拖运到现场,然后让浮筒内注入海水,使桩柱-浮筒组的比重增加到1。再由潜水员使桩柱的压力管2套入导向管8,并使桩柱沿着导向管下沉至海底。接着解开浮筒,本发明的桩柱就垂直地坐沉海底,在重力的作用下,其锥部稍微***沉积层中。
然后将压力管和输气管用法兰盘联接,输气管17的上端通过螺纹接头16与气密内套管15联接。气密内套管可在压缩气管14内滑动,压缩空气管通向空压机,空压机固定在船上,以上如图3所示。由图3可知,导向管8的下端***基岩,上端紧靠着输气管17,而17通过气密内套管15被压缩气管14固定,故导向管很稳定。
沉积物之间总是存在着很多微小的孔隙,取桩柱底端锥面下的一个微孔隙dV来分析,如图3所示。設dV的顶面所受压强P和侧面所受压强P′均由海水和沉积物的压力而产生,在桩柱未坐沉时,有P′=K0P
式中,侧压力系数K0=0.25~0.72,故P>P′。
桩柱坐沉后,dV的顶面还额外受到桩柱的压力,使P增大,故此时有P>>P′。
在桩柱坐沉海底并装配好管系后,将压强为P0的压缩空气输入压力管。压强
P0=(r泥·h泥+r水·h水),設:
沉积物容重r泥=2,海水容重r水=1
桩柱***沉积层的深度h泥=1米
基础位置处的海水深度h水=100米
则:P0=12公斤/厘米2
由上述可知,压强为P0的压缩空气经过压力管的纵向槽5,从排气孔4冲出来,并以高压气泡的形式,渗入微孔隙dV中。因为P>>P′,故高压气泡会向压强较小的方向-侧向-急剧膨胀,进入较远的微孔隙。连续地输入压缩空气,高压气泡会在水平方向进入更远的微孔隙。也就是说,侧向膨胀的结果是在桩柱下面的沉积层中,形成了很多微小的气流通道,一直通到桩柱锥面以外。
然后增大P0,输入气量也随着增加。经过微小通道的大量压缩空气来不及都向侧向膨胀,有一部分会在首先迂到的、垂直压强较小的地方向上膨胀,即沿着桩柱侧壁,冲出到海底表面,象发生微型***一样,把桩柱锥面下的沉积物挟带到海底表面来。连续输入和排出高压空气,就象连续进行微型***一样,将在桩柱的下面形成一个空穴。由于空压气泡的膨胀和上升,使桩柱侧壁旁的沉积物也被挟带出一部分,变得疏松了,故沉积物与桩柱侧壁的摩擦力减小了。
然后停止压入空气。空穴中的高压空气会沿着桩壁逸出,并与原先排出的空气一起在沉积物和桩壁的接触面形成一层空气泡。这层空气泡使界面间的摩擦力进一步减小。于是桩柱在自重和海水压力的作用下,克服了侧摩阻力,克服了作用于其底部的,与沉积物压强和海水压强相平衡的阻力而下落,即随着空气泡的逸出,桩柱沿着导向管垂直落入空穴,于是桩柱被埋进了一些。
重新将压缩空气压入,又会重复上述过程,桩柱被埋进得更深了一些,不过由于埋入深度增加了,微孔隙dV侧面所受压强P′也增大了。要使空气能逸出,和保持作功压强▲P=P0-(r泥·h泥+r水·h水)不变,P0应适当增大。
当桩柱被埋进了约三分之二以后,由潜水员松开法兰盘,使输气管和该节桩柱的压力管分离,然后用同样方法将第二节桩柱的压力管套在导向管外,并将两节压力管的法兰盘联接好,和焊接好两节桩柱的配筋,以及在连接部位围上模板并注入水泥砂浆,然后将输气管和第二节桩柱的压力管用法兰盘连接好,并用一个小型水泵,将输气管和压力管内的海水抽出,最后解开浮筒,又可如上使桩继续埋进。
由于桩柱是随着压缩空气的逸出而逐渐下沉的,故桩柱的沉降是均匀的,不是冲击性的。又由于高压空气的排出、空穴的形成都是很迅速的,故桩柱的沉埋速度较快。
一次一次地将压强逐渐增大的压缩空气压入,桩柱就会沿着导向管一步一步地、垂直地沉埋到沉积层的底部,直到在基岩附近被桩尖或钻头的凸出部分挡住为止。此时桩柱不再下沉了,故桩柱下面保留着空穴,空穴内充满着与水压和沉积物压力相平衡的压缩空气。这部分压缩空气使桩柱底部受到向上的作用力,故桩尖或钻头的凸出部分仅承受较小的力F,F=桩重-同体积泥砂重-侧摩阻力。故凸出部分虽然很薄,也不会被压坏。以上如图4所示。这部分压缩空气还可以防止周围的泥砂塌陷下来,使桩底部和基岩间保持着一个空穴,以便灌入水泥砂浆。故在灌浆之前,这部分压缩空气是不允许逸出的。
输气管与最上面一节桩柱连接的法兰盘如图5所示:法兰盘上有三个密封环。桩柱沉埋到凸出部分,因而停止下沉后,松开连接螺栓,将输气管转动45°,再将螺栓拧紧,压力管的纵向槽5就被堵死了,然后将压缩气管移开,将提升管抽出来,此时由于板状阀13是关闭的,故空穴中的高压空气不会泄漏。提升管9内的泥砂随着提升管一同被提出,导向管8内部通畅了。接着将压缩气管重新与输气管连接,将较大气压的压缩空气压入,高压空气经导向管8将板状阀13推开,从灌浆口12冲出,将仍然复盖在基岩上的少量沉积物清除,再进行灌浆。
用进气阀22和砂浆阀23将压缩气管14和储浆罐24连接,如图6所示,就可向桩柱下面的空穴压注水泥砂浆,步骤是:
1、关闭阀22和阀23,打开排气阀25和顶盖26,将水泥砂浆倒入储浆罐24内。储浆罐是一个圆筒状的压力容器。
2、关闭阀25和顶盖26,打开阀22和阀23,在重力作用下,砂浆流注入导向管内,并通过灌浆口,填入空穴。
3、若一罐砂浆不够,可关闭阀22和阀23,然后打开排气阀25,最后打开顶盖26,倒入水泥砂浆,如上再压注。
在桩柱下面的空穴全部被水泥砂浆填满,基岩被加固以后,应在砂浆凝固前,及时将导向管旋转提出,以便回收。至此,本发明的钢筋混凝土桩即构筑完毕。
若基础位置处的海水较深,沉积层较厚,则应选用排气压强较大的空压机。
若桩柱的截面积较大,需排出大量压缩空气,才能形成足够大的空穴,和大大减小侧摩阻力,使桩柱顺利沉降。为了避免选用价格高的大容量空压机,可用小容量空压机将压缩空气貯存于貯浆罐24中。沉降时,打开阀23,大量压缩空气就从排气孔4快速排出,使桩柱沉降。然后又关闭阀23,重新将压缩空气压入貯浆罐,以备下一次沉降。这样可用小容量空压机代替大容量空压机,以减少設备投资。
压力管中空气压强的变化曲线如图7所示。由图可知,是一个一个的压缩空气脉冲使桩沉埋下去的,故称本法为脉冲气流沉桩法。
下面举例说明本发明的实施。
設基础位置处水深50米,基岩埋置深度100米,沉积物容重为2。根据垂直承载力和水平承载力的要求,需要将横截面积为10米2的钢筋混凝土桩柱埋到基岩。
制作如图1所示的本发明的预制钢筋混凝土桩柱。因桩柱较大,故采用浮运法拖运到基础位置。
将上述数据代入公式P0=(r泥·h泥+r水·h水)中,得P0=25公斤/厘米2,故应选取排气压力大于25公斤的空压机,如5L-16/50型空压机。该型机的压力为50公斤/厘米2,排气量为16米3/分。因为排气量较小,而待沉埋的桩的横截面较大,故采用貯浆罐暂时貯存压缩空气,以便沉桩时大量排出。在选用了适合的空压机,貯浆罐以后,即可按照上述步骤,开始沉桩施工。
下面列举本发明的主要优点如下:
1、适合于在地质情况比较复杂,沉积层比较厚的地区,如江河下游,大陆架等地区,进行各种水下基础施工。
2、施工速度较快。可预先将各基础位置的导向管全部安装好,然后将若干预制的桩柱拖运到现场各基础位置,同时开始沉埋。如前所述,每根桩柱的沉埋速度较快。
3、施工质量可以得到保证。因为各节桩柱都是在工场内预制,不受施工现场設备条件和场地的限制,故混凝土的浇筑和养护均较好。还可以通过压注水泥砂浆,使有裂隙的基岩固结,以提高其强度。
4、施工现场所需的設备和人员较少。沉埋一个大型桩柱,只需要一艘工作船,船上有工程钻机或小型打桩机、空压机、貯浆罐、小水泵等設备。人员只需要几名潜水员和少数操作管理人员。
附图说明
图1为本发明之新型预制钢筋混凝土桩柱,其中:
1-法兰盘 4-圆锥形排气孔
2-压力管 5-纵向槽
3-防气蚀钢板
图2为本发明之双层钢管的构造,其中:
6-桩垫 10-桩尖
7-套筒 11-钻头
8-导向管 12-灌浆口
9-提升管 13-板状阀
图3为管系之装配,其中:
14-压缩空气管 16-螺纹接头
15-气密内套管 17-输气管
图4为桩柱沉降到位的示意图
图5为输气管兰盘构造图,其中:
18-法兰盘 21-纵向槽(与压力管的纵向槽5对接)
19-螺栓连接孔
20-密封环
图6为压注水泥砂浆之設备,其中:
22-进气阀 25-排气阀
23-砂浆阀 26-顶盖
27-貯浆罐
图7示出了压力管内压变化之曲线,其中:
▲t1-压缩空气作功时间
▲t2-桩柱沉降时间
Po1、Po2、Po3等分别表示使桩柱沉埋到不同深度时所需的压缩空气的压力。
Claims (8)
1、本发明为水下基础施工方法,主要施工設备是:工程钻机或小型打桩机,空压机、貯浆罐、小型水泵等。本发明的特征在于:一种新型的预制钢筋混凝土桩,利用空压机提供的,以脉冲形式释放的压缩空气来克服桩尖阻力和侧摩阻力,沿着预先设置的导向管逐步沉埋到持力层或基岩,最后在利用提升管清除了导向管内的泥砂后,采用貯浆罐,通过导向管向桩底灌注水泥砂浆。
2、如权利要求1所述的新型预制钢筋混凝土桩,其特征在于是由多节桩柱组成的,最下面一节桩柱的底面是圆锥形并包复有薄钢板。
3、如权利要求2所述的多节桩柱,其特征在于其中心部分均固定着一根贯通的、内壁开有若干纵向槽且内径等于导向管外径的钢管-压力管。
4、如权利要求3所述的压力管,其特征还在于每节之间用法兰盘连接,最下面一节压力管向外开有若干圆锥形的小孔。
5、如权利要求1所述的导向管,其特征在于其底端用螺纹连接有硬质合金制成的桩尖或钻头,可采用打桩法或钻进法使其垂直下到持力层或基岩。
6、如权利要求1所述的提升管,其特征在于是套装在导向管内,与导向管一起垂直下到持力层或基岩,灌注水泥砂浆前,将其连同内部泥砂一起提出。
7、如权利要求1所述的貯浆罐,其特征为一圆筒状的压力容器,在沉埋桩柱时也可作为貯气罐使用。
8、如权利要求1所述的以脉冲形式释放压缩空气的方法,其特征在于既用于克服桩尖阻力,又可减少桩的侧摩阻力。
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- 1985-04-01 CN CN85100357A patent/CN85100357B/zh not_active Expired
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