CN85100357A - 脉冲气流沉桩法 - Google Patents

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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