脈衝氣流沉樁法的製作方法

2023-06-06 15:45:51 1

專利名稱:脈衝氣流沉樁法的製作方法
本發明是一種新的沉樁工藝，及與之相應的一種新型預製鋼筋混凝土樁，用於在沉積層很厚的江河下遊或大陸架海域構築各種水下基礎工程。
在江河下遊構築水下基礎，有的採用各種打樁機打入鋼樁或混凝土樁，或採用鋼板圍堰或水密沉箱進行水下基礎施工。也有的在平整和處理好基床後，沉放整體式的混凝土沉箱作為水下基礎。
在大陸架海域構築水下基礎，除了上述的重力式混凝土沉箱基礎以外，也可採用樁基礎，即由大型打樁船將長數十米的鋼管穿過導管架打入海底地層。或採用水下打樁機在水中進行打樁，如蘇聯發明證書734342號深水打樁機。
不同於上述的水下基礎施工方法，本發明的原理是利用以脈衝形式釋放的壓縮空氣來克服樁尖阻力和側摩阻，使本發明的大型預製混凝土樁柱依靠自重沉埋到持力層或基巖。然後向樁柱底部壓注水泥砂漿，以固定樁柱和加固有裂隙的持力層或基巖，使樁基礎獲得預期的承載力。
本發明的目的在於，為在江河下遊或沿海地區構築橋梁、碼頭等工程的水下基礎提供一種新的施工方法，以便較快地、較經濟地完成水下基礎工程。
本發明的目的還在於，為在大陸架海域構築一種造價較低、強度大、耐腐蝕的採油平臺，即鋼筋混凝土樁基礎採油平臺。這種平臺比較適合於在颱風頻繁的海域開採海底石油。
本發明的目的還在於，為軟土地區的深基礎施工提供一種新的沉樁方法。
本發明的新型預製樁由多節圓柱形的樁柱構成。若樁柱的直徑較大，則每節的高度較小。樁柱的節數決定於水底沉積層的厚度;厚度越大，則節數越多。各節樁柱均由鋼筋混凝土預製。最下面一節樁柱的構造如圖1所示。其餘各節樁柱的構造也相同，只是其底面不是錐形，而是平面，和沒有排氣孔和防氣蝕鋼板。
樁柱的中心固定著一根內徑為120毫米的鋼管-壓力管2。因為壓力管較長，為加工便利，壓力管由兩節焊成上面一節均勻地開有四條縱向槽5，下面一節開有四個圓錐形的、小端直徑為4～5毫米的小孔-排氣孔4。排氣孔和縱向槽對接。壓力管的頂端有法蘭盤1，用來與輸氣鋼管或上面一節樁柱的壓力管聯接，法蘭盤上裝有密封環。樁柱的錐形底部包復有一塊薄鋼板-防氣蝕鋼板3。
在天氣良好時，在基礎位置的上方錨定鑽機船或打樁船，在沉積層較薄時用打樁法，在沉積層較厚時用鑽進法，將一根外徑為120毫米，長度＝(沉積層厚度+最下一節樁柱高度)的雙層鋼管垂直地穿過沉積層，直達基巖。
雙層鋼管的構造如圖2所示。外層的鋼管叫導向管8，導向管的端部用螺紋連接著硬質合金製成的樁尖10或鑽頭11。樁尖或鑽頭的外徑比導向管外徑約大4～6毫米，它們的下部要插入基巖。在它們的上部均勻地開有四個圓錐形的孔口-灌漿口12，灌漿口的出口端直徑約30毫米。在灌漿口的外側裝有板狀閥門13。在導向管的內壁套裝有壁厚約10毫米的鋼管-提升管9，提升管的外徑略小於導向管的內徑。雙層鋼管穿過沉積層時，泥砂和巖屑會塞滿提升管，提升管在以後提出。
在下導向管時，應儘量提高其垂直度，並在導向管埋設好後，用測斜儀測量其垂直度。若垂直度達不到要求，就要在導向管上端部施加外力，糾正偏斜。還要控制好樁尖10或鑽頭11插入基巖的深度;應使灌漿口靠近基巖，但不允許埋入基巖，以防被基巖堵死。
在導向管下好後，較小型的樁柱，可用船運到現場，並用起重機械吊放入水中。大型的樁柱，可在其兩邊固定兩個浮筒，拖運到現場，然後讓浮筒內注入海水，使樁柱-浮筒組的比重增加到1。再由潛水員使樁柱的壓力管2套入導向管8，並使樁柱沿著導向管下沉至海底。接著解開浮筒，本發明的樁柱就垂直地坐沉海底，在重力的作用下，其錐部稍微插入沉積層中。
然後將壓力管和輸氣管用法蘭盤聯接，輸氣管17的上端通過螺紋接頭16與氣密內套管15聯接。氣密內套管可在壓縮氣管14內滑動，壓縮空氣管通向空壓機，空壓機固定在船上，以上如圖3所示。由圖3可知，導向管8的下端插入基巖，上端緊靠著輸氣管17，而17通過氣密內套管15被壓縮氣管14固定，故導向管很穩定。
沉積物之間總是存在著很多微小的孔隙，取樁柱底端錐面下的一個微孔隙dV來分析，如圖3所示。設dV的頂面所受壓強P和側面所受壓強P′均由海水和沉積物的壓力而產生，在樁柱未坐沉時，有P′＝K0P式中，側壓力係數K0＝0.25～0.72，故P＞P′。
樁柱坐沉後，dV的頂面還額外受到樁柱的壓力，使P增大，故此時有P＞＞P′。
在樁柱坐沉海底並裝配好管系後，將壓強為P0的壓縮空氣輸入壓力管。壓強P0＝(r泥·h泥+r水·h水)，設沉積物容重r泥＝2，海水容重r水＝1樁柱插入沉積層的深度h泥＝1米基礎位置處的海水深度h水＝100米則P0＝12公斤/釐米2由上述可知，壓強為P0的壓縮空氣經過壓力管的縱向槽5，從排氣孔4衝出來，並以高壓氣泡的形式，滲入微孔隙dV中。因為P＞＞P′，故高壓氣泡會向壓強較小的方向-側向-急劇膨脹，進入較遠的微孔隙。連續地輸入壓縮空氣，高壓氣泡會在水平方向進入更遠的微孔隙。也就是說，側向膨脹的結果是在樁柱下面的沉積層中，形成了很多微小的氣流通道，一直通到樁柱錐面以外。
然後增大P0，輸入氣量也隨著增加。經過微小通道的大量壓縮空氣來不及都向側向膨脹，有一部分會在首先迂到的、垂直壓強較小的地方向上膨脹，即沿著樁柱側壁，衝出到海底表面，象發生微型爆炸一樣，把樁柱錐面下的沉積物挾帶到海底表面來。連續輸入和排出高壓空氣，就象連續進行微型爆炸一樣，將在樁柱的下面形成一個空穴。由於空壓氣泡的膨脹和上升，使樁柱側壁旁的沉積物也被挾帶出一部分，變得疏鬆了，故沉積物與樁柱側壁的摩擦力減小了。
然後停止壓入空氣。空穴中的高壓空氣會沿著樁壁逸出，並與原先排出的空氣一起在沉積物和樁壁的接觸面形成一層空氣泡。這層空氣泡使界面間的摩擦力進一步減小。於是樁柱在自重和海水壓力的作用下，克服了側摩阻力，克服了作用於其底部的，與沉積物壓強和海水壓強相平衡的阻力而下落，即隨著空氣泡的逸出，樁柱沿著導向管垂直落入空穴，於是樁柱被埋進了一些。
重新將壓縮空氣壓入，又會重複上述過程，樁柱被埋進得更深了一些，不過由於埋入深度增加了，微孔隙dV側面所受壓強P′也增大了。要使空氣能逸出，和保持作功壓強▲P＝P0-(r泥·h泥+r水·h水)不變，P0應適當增大。
當樁柱被埋進了約三分之二以後，由潛水員鬆開法蘭盤，使輸氣管和該節樁柱的壓力管分離，然後用同樣方法將第二節樁柱的壓力管套在導向管外，並將兩節壓力管的法蘭盤聯接好，和焊接好兩節樁柱的配筋，以及在連接部位圍上模板並注入水泥砂漿，然後將輸氣管和第二節樁柱的壓力管用法蘭盤連接好，並用一個小型水泵，將輸氣管和壓力管內的海水抽出，最後解開浮筒，又可如上使樁繼續埋進。
由於樁柱是隨著壓縮空氣的逸出而逐漸下沉的，故樁柱的沉降是均勻的，不是衝擊性的。又由於高壓空氣的排出、空穴的形成都是很迅速的，故樁柱的沉埋速度較快。
一次一次地將壓強逐漸增大的壓縮空氣壓入，樁柱就會沿著導向管一步一步地、垂直地沉埋到沉積層的底部，直到在基巖附近被樁尖或鑽頭的凸出部分擋住為止。此時樁柱不再下沉了，故樁柱下面保留著空穴，空穴內充滿著與水壓和沉積物壓力相平衡的壓縮空氣。這部分壓縮空氣使樁柱底部受到向上的作用力，故樁尖或鑽頭的凸出部分僅承受較小的力F，F＝樁重-同體積泥砂重-側摩阻力。故凸出部分雖然很薄，也不會被壓壞。以上如圖4所示。這部分壓縮空氣還可以防止周圍的泥砂塌陷下來，使樁底部和基巖間保持著一個空穴，以便灌入水泥砂漿。故在灌漿之前，這部分壓縮空氣是不允許逸出的。
輸氣管與最上面一節樁柱連接的法蘭盤如圖5所示法蘭盤上有三個密封環。樁柱沉埋到凸出部分，因而停止下沉後，鬆開連接螺栓，將輸氣管轉動45°，再將螺栓擰緊，壓力管的縱向槽5就被堵死了，然後將壓縮氣管移開，將提升管抽出來，此時由於板狀閥13是關閉的，故空穴中的高壓空氣不會洩漏。提升管9內的泥砂隨著提升管一同被提出，導向管8內部通暢了。接著將壓縮氣管重新與輸氣管連接，將較大氣壓的壓縮空氣壓入，高壓空氣經導向管8將板狀閥13推開，從灌漿口12衝出，將仍然復蓋在基巖上的少量沉積物清除，再進行灌漿。
用進氣閥22和砂漿閥23將壓縮氣管14和儲漿罐24連接，如圖6所示，就可向樁柱下面的空穴壓注水泥砂漿，步驟是1、關閉閥22和閥23，打開排氣閥25和頂蓋26，將水泥砂漿倒入儲漿罐24內。儲漿罐是一個圓筒狀的壓力容器。
2、關閉閥25和頂蓋26，打開閥22和閥23，在重力作用下，砂漿流注入導向管內，並通過灌漿口，填入空穴。
3、若一罐砂漿不夠，可關閉閥22和閥23，然後打開排氣閥25，最後打開頂蓋26，倒入水泥砂漿，如上再壓注。
在樁柱下面的空穴全部被水泥砂漿填滿，基巖被加固以後，應在砂漿凝固前，及時將導向管旋轉提出，以便回收。至此，本發明的鋼筋混凝土樁即構築完畢。
若基礎位置處的海水較深，沉積層較厚，則應選用排氣壓強較大的空壓機。
若樁柱的截面積較大，需排出大量壓縮空氣，才能形成足夠大的空穴，和大大減小側摩阻力，使樁柱順利沉降。為了避免選用價格高的大容量空壓機，可用小容量空壓機將壓縮空氣貯存於貯漿罐24中。沉降時，打開閥23，大量壓縮空氣就從排氣孔4快速排出，使樁柱沉降。然後又關閉閥23，重新將壓縮空氣壓入貯漿罐，以備下一次沉降。這樣可用小容量空壓機代替大容量空壓機，以減少設備投資。
壓力管中空氣壓強的變化曲線如圖7所示。由圖可知，是一個一個的壓縮空氣脈衝使樁沉埋下去的，故稱本法為脈衝氣流沉樁法。
下面舉例說明本發明的實施。
設基礎位置處水深50米，基巖埋置深度100米，沉積物容重為2。根據垂直承載力和水平承載力的要求，需要將橫截面積為10米2的鋼筋混凝土樁柱埋到基巖。
製作如圖1所示的本發明的預製鋼筋混凝土樁柱。因樁柱較大，故採用浮運法拖運到基礎位置。
將上述數據代入公式P0＝(r泥·h泥+r水·h水)中，得P0＝25公斤/釐米2，故應選取排氣壓力大於25公斤的空壓機，如5L-16/50型空壓機。該型機的壓力為50公斤/釐米2，排氣量為16米3/分。因為排氣量較小，而待沉埋的樁的橫截面較大，故採用貯漿罐暫時貯存壓縮空氣，以便沉樁時大量排出。在選用了適合的空壓機，貯漿罐以後，即可按照上述步驟，開始沉樁施工。
下面列舉本發明的主要優點如下1、適合於在地質情況比較複雜，沉積層比較厚的地區，如江河下遊，大陸架等地區，進行各種水下基礎施工。
2、施工速度較快。可預先將各基礎位置的導向管全部安裝好，然後將若干預製的樁柱拖運到現場各基礎位置，同時開始沉埋。如前所述，每根樁柱的沉埋速度較快。
3、施工質量可以得到保證。因為各節樁柱都是在工場內預製，不受施工現場設備條件和場地的限制，故混凝土的澆築和養護均較好。還可以通過壓注水泥砂漿，使有裂隙的基巖固結，以提高其強度。
4、施工現場所需的設備和人員較少。沉埋一個大型樁柱，只需要一艘工作船，船上有工程鑽機或小型打樁機、空壓機、貯漿罐、小水泵等設備。人員只需要幾名潛水員和少數操作管理人員。
圖1為本發明之新型預製鋼筋混凝土樁柱，其中1-法蘭盤 4-圓錐形排氣孔2-壓力管 5-縱向槽3-防氣蝕鋼板圖2為本發明之雙層鋼管的構造，其中6-樁墊 10-樁尖7-套筒 11-鑽頭8-導向管 12-灌漿口9-提升管 13-板狀閥圖3為管系之裝配，其中14-壓縮空氣管 16-螺紋接頭15-氣密內套管 17-輸氣管圖4為樁柱沉降到位的示意圖圖5為輸氣管蘭盤構造圖，其中18-法蘭盤 21-縱向槽(與壓力管的縱向槽5對接)19-螺栓連接孔20-密封環圖6為壓注水泥砂漿之設備，其中22-進氣閥 25-排氣閥23-砂漿閥 26-頂蓋27-貯漿罐圖7示出了壓力管內壓變化之曲線，其中▲t1-壓縮空氣作功時間▲t2-樁柱沉降時間Po1、Po2、Po3等分別表示使樁柱沉埋到不同深度時所需的壓縮空氣的壓力。
權利要求
1.本發明為水下基礎施工方法，主要施工設備是工程鑽機或小型打樁機，空壓機、貯漿罐、小型水泵等。本發明的特徵在於一種新型的預製鋼筋混凝土樁，利用空壓機提供的，以脈衝形式釋放的壓縮空氣來克服樁尖阻力和側摩阻力，沿著預先設置的導向管逐步沉埋到持力層或基巖，最後在利用提升管清除了導向管內的泥砂後，採用貯漿罐，通過導向管向樁底灌注水泥砂漿。
2.如權利要求
1所述的新型預製鋼筋混凝土樁，其特徵在於是由多節樁柱組成的，最下面一節樁柱的底面是圓錐形並包復有薄鋼板。
3.如權利要求
2所述的多節樁柱，其特徵在於其中心部分均固定著一根貫通的、內壁開有若干縱向槽且內徑等於導向管外徑的鋼管-壓力管。
4.如權利要求
3所述的壓力管，其特徵還在於每節之間用法蘭盤連接，最下面一節壓力管向外開有若干圓錐形的小孔。
5.如權利要求
1所述的導向管，其特徵在於其底端用螺紋連接有硬質合金製成的樁尖或鑽頭，可採用打樁法或鑽進法使其垂直下到持力層或基巖。
6.如權利要求
1所述的提升管，其特徵在於是套裝在導向管內，與導向管一起垂直下到持力層或基巖，灌注水泥砂漿前，將其連同內部泥砂一起提出。
7.如權利要求
1所述的貯漿罐，其特徵為一圓筒狀的壓力容器，在沉埋樁柱時也可作為貯氣罐使用。
8.如權利要求
1所述的以脈衝形式釋放壓縮空氣的方法，其特徵在於既用於克服樁尖阻力，又可減少樁的側摩阻力。
專利摘要
本發明為脈衝氣流沉樁法，是一種新的水下基礎施工方法。其主要特徵是本發明的新型預製鋼筋混凝土樁柱，利用以脈衝形式釋放的壓縮空氣來克服樁尖阻力和側摩阻力，順著預先設置的導向管，逐步沉埋到持力層或基巖，最後向樁柱底部壓注水泥砂漿。本發明適用於在沉積層很厚的江河下遊或大陸架海域構築各種水下基礎工程。
文檔編號E02D5/32GK85100357SQ85100357
公開日1985年10月10日 申請日期1985年4月1日
發明者陳家山 申請人:陳家山導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan