CN102817359A - 一种受料口密封装置及淤泥质软土地基气压平衡法振动沉管砂石桩施工方法 - Google Patents

Abstract

一种用于淤泥质软土地基气压平衡法振动沉管砂石桩施工方法的受料口密封装置及施工方法。密封装置由封闭活门和供气系统两部分构成，封闭活门由紧固连接的弧形钢板和带有衬布夹层的橡胶板组成。供气系统由空压机、送气管和卸压阀门组成。供气系统向桩管内送入压缩空气后，在空气压力作用下封闭活门橡胶板侧紧贴桩管壁，实现桩管受料口密封。本发明的方法采用专用受料口密封装置，在供气管路、桩管、桩尖间形成一个封闭系统，实现了用空气压力平衡施工振动在淤泥质土中引起的超孔隙水压力的构想，桩尖活门能够顺利打开，解决了淤泥质土层桩管内砂石料不易下落的施工难题。适用于渗透性能差、灵敏性高的淤泥质软土地基的振动沉管砂石桩施工。

Description

一种受料口密封装置及淤泥质软土地基气压平衡法振动沉管砂石桩施工方法

技术领域

本发明涉及一种气压平衡法振动沉管砂石桩受料口密封装置及施工方法，特别是一种淤泥质软土地基气压平衡法振动沉管砂石桩施工方法及受料口密封装置，属于土木建筑工程技术领域。

背景技术

在建筑施工中，振动沉管砂石桩是在振动锤的激振力作用下，把桩管沉入加固土层中，桩管的顶端设有受料斗，在受料斗内的桩管上开有长条形受料口，加料时桩机副卷扬提升加料斗，将加料斗内的砂石卸入受料斗，通过受料口落入桩管内，桩管内砂石量满足工艺要求后提升桩管，砂石下落，砂石通过桩尖活门（活瓣）进入桩管外地层，通过桩管的反插、挤密和振密，形成连续、密实的砂石桩，桩与桩间土形成复合地基，从而提高地基承载力的软土地基处理方法。由于桩体的密实需要桩管的反插、挤密和振密，桩管直径需小于设计桩径，需向桩管内两次或多次添加砂石，最后形成的密实砂石桩才能达到设计桩径。

振动沉管打桩机由打桩架、振动桩锤、钢桩管、受料斗、桩尖(桩靴)、加料斗等组成，施工时多采用锥形活瓣或平底活门式桩尖(桩靴)。在淤泥质软土地层施工时，成桩过程中桩管的振动使淤泥质土中产生很大的超孔隙水压力，由于淤泥质地层透水性差，超孔隙水压力不能迅速消散，而是积聚在桩管周围的土层中。在土中超孔隙水压力作用下，桩尖活门(或活瓣)不易完全打开或是完全打不开，上提桩管时管内砂石无法通过桩尖活门(或活瓣)下落至桩管外土层中或是下落速度很慢，造成桩体不连续、桩径小（填料量不足），桩体密实度达不到设计要求，使地基处理效果不理想。因此，寻找一种可应用于淤泥质软土地层的振动沉管砂石桩施工方法，对提高振动沉管砂石桩施工质量显得尤为重要。

为解决上述问题，设想当桩管内空气压力大于桩尖活门(或活瓣)外土层中的超孔隙水压力时，桩尖活门(或活瓣)就能顺利打开，使桩管内砂石料顺利排出桩管外，从而保证地基处理效果，要想在桩管内形成足够大的空气压力，就必须在满足施工工艺要求的前提下对桩管密封。基于此，设计一种用于淤泥质软土地层振动沉管砂石桩施工的桩管受料口密封装置，实现用空气压力平衡淤泥质土层中超孔隙水压力的设想，并研发一种适合于淤泥质地基气压平衡振动沉管砂石桩施工方法对于提高施工质量和效率具有现实意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于淤泥质软土地基气压平衡法振动沉管砂石桩施工方法的受料口密封装置。

本发明的目的还在于提供一种淤泥质软土地基气压平衡法振动沉管砂石桩施工方法。

本发明的目的是这样实现的：一种用于淤泥质软土地基气压平衡法振动沉管砂石桩施工方法的受料口密封装置，由封闭活门和供气系统组成，封闭活门由带有衬布夹层的橡胶板和弧形钢板组成，弧形钢板在内侧，橡胶板贴近桩管内侧壁，橡胶板和弧形钢板紧固连接在一起。弧形钢板的外缘大于桩管侧壁上所开的受料口,以防止桩管内加压后封闭活门被挤出受料口。橡胶板的外缘大于弧形钢板的外缘，弧形钢板的弧度与受料口处桩管侧壁的弧度一致，以保证桩管内加压后封闭活门与桩管内侧壁紧密接触，从而实现封闭活门对桩管受料口的密封，封闭活门上端与桩管受料口上端内侧壁固定连接。供气系统由空压机、送气管和卸压阀门组成。在正对封闭活门中心的桩管的另一侧侧壁上开有进气孔，进气孔处装设有送气管接口，送气管接口连接送气管，送气管的另一端与空压机相连接。送气管上设有卸压阀门。

其工作原理如下：封闭活门的橡胶板贴近受料口桩管内侧壁，工作时选用送气量6m³/min以上空压机供气系统进行供气，空压机开启后关闭卸压阀门，压缩空气进入桩管内，封闭活门的橡胶板侧在空气压力作用下与桩管内侧壁紧贴，对受料口密封。压缩空气透过桩管内砂石料间的孔隙到达桩尖活门处，向下的空气压力克服桩管外地层内向上的超孔隙水压力，使桩尖活门(或活瓣)向外打开，桩管内砂石料下落出桩管。

施工时关闭卸压阀门，压缩空气进入桩管内，在空气压力作用下封闭活门与桩管壁贴紧，系统密闭；加料或一根桩施工完成时打开卸压阀门，压缩空气排出桩管外，系统卸压。

本发明所说的一种淤泥质软土地基气压平衡法振动沉管砂石桩施工方法，包括以下步骤：

（1）振动沉管打桩机的安装  

振动沉管打桩机由打桩架、振动桩锤、桩管、桩尖、加料斗等组成，安装时先将分段的桩管、桩尖焊接在一起，再将打桩架按组装说明书组装起来，最后将振动桩锤、桩管安装到打桩架上；

（2）将封闭活门安装到桩管受料口内，送气管一端连接到桩管受料口对侧的送气管接口上，送气管另一端与空压机出气管连接，并把卸压阀门安装到靠近桩机塔架处的送气管上；

（3）启动振动桩锤将桩管下沉至设计标高；

（4）用桩机副卷扬提升加料斗，向桩管内添加砂石料；

（5）启动空压机向桩管内供气使桩管受料口密封装置加压密闭，启动振动桩锤，按施工工艺要求程序上提桩管、留振、反插，重复上述步骤上提桩管至再次加料位置；

（6）打开送气管上的卸压阀门，桩管内压缩空气排出后向桩管内再次添加砂石料；

（7）关闭送气管上的卸压阀门，使受料口密封装置再次加压密封，按要求上提桩管、留振、反插直至桩顶。

本发明取得的有益效果是：

本发明的受料口密封装置，在供气管路、桩管、桩尖间形成一个封闭系统，加压后系统内压力可达到0.4MPa以上，实现了用空气压力平衡施工振动-3-

在淤泥质土中引起的超孔隙水压力的构想，桩尖活门(或活瓣)能够顺利打开，砂石料顺利排出桩管，保证了淤泥质地层中振动沉管砂石桩的施工质量。受料口密封装置，加压后系统内压力可达到0.4MPa以上，卸压后可方便地进行二次加料，且一个阀门即可控制加压、卸压，本发明的方法工艺简便、可靠，满足沉管砂石桩施工一根桩多次加料的施工工艺要求。

本发明所说的施工方法的具体步骤详细描述如下：

（1）振动沉管打桩机的安装 

振动沉管打桩机由打桩架18、振动桩锤14、桩管5、桩尖16、加料斗15等组成，安装时先将分段的桩管5、桩尖16焊接在一起，桩管接长焊接时，应注意调整桩管的顺直度，两节桩管焊接后应在焊缝位置均匀设置三块拉板，以保证桩管的焊接强度，再用吊车辅助将打桩架18按组装说明书组装起来。最后将振动桩锤14、桩管5安装到打桩架18上。

（2）封闭活门的制作

①取一块厚12mm、375mm×800mm的长方形的带有衬布夹层的橡胶板2，先将橡胶板顶部的两个直角削去，使顶端形成一个近似圆弧形，再在圆弧的中间位置钻一Φ16mm的螺栓孔，最后在螺栓孔下夹布橡胶板2的两侧各削去一个圆弧，使橡胶板2在此处的断面减小，以便安装后封闭活门7能够灵活开合。

②取一块厚8mm、355mm×600mm的钢板，制作成直径480mm的弧形，形成弧口平面330mm×600mm弧形钢板1。

③将弧形钢板1和橡胶板2叠合在一起，用手电钻钻三排透过弧形钢板1和橡胶板2的直径8mm的螺栓孔，弧形钢板中间一排，两侧各一排，两侧螺栓孔应位于桩管受料口13内，不得与桩管壁接触，以免影响密封效果。螺栓孔的间距和排距均不大于100mm。钻孔完成后，在螺栓孔内穿入M8×30螺栓3和平垫，并用扳手拧紧。

（3）受料口密封装置的安装

①在正对桩管受料口13中心的桩管5上割一直径25mm的孔，将送气管接口9伸入此孔内后焊牢。

②在桩管受料口13上方的桩管5上割一直径16mm的螺栓孔，再把封闭活门7塞入桩管5内，使封闭活门7上的螺栓孔与桩管5上所割螺栓孔重合，穿入一条M16×40螺栓6，将封闭活门7固定到桩管5上。

③将送气管10的一头与空压机13的出风口连接，再将送气管10的另一头连接到桩管受料口13对侧的送风管接口9上。送风管中间靠近桩机塔架的位置安装一个卸压阀门11。

（4）试运行

启动空压机12，空压机12工作正常后关闭卸压阀门11，检查封闭活门7的密闭性，当装置内的压力大于0.4MPa时，说明该装置密封效果良好，否则，应检查漏气原因并进行处理，压力满足要求后即可进行正常施工。

（5）启动振动桩锤14，在激振力的作用下将桩管5缓缓沉入土中，直至设计标高。

（6）用ZL10装载机将砂石装入加料斗15内，用桩机副卷扬提升加料斗15将砂石料卸入桩管受料斗8，砂石料通过桩管受料口13进入桩管5内，直到加料量满足要求。

（7）启动空压机12向桩管5内送入压缩空气，在空气压力作用下桩管受料口处的封闭活门7封闭，当桩管5内压力达到0.4Mpa以上后启动振动桩锤14，启动主卷扬将桩管5上提0.5-1.0m，留振10-20s，再向下反插0.5m，然后将桩管5再上提1.0m，留振10-20s，反插0.5m，如此反复，直至将桩管5上提至第二次加料位置。

（8）打开送气管10上的卸压阀门11，将桩管5内的压缩空气排出，用副卷扬提升加料斗15向桩管5内加入砂石料，直至满足设计加料量。加料时不得关闭振动桩锤14，以便砂石顺利落入桩管5内。

（9）关闭送气管10上的卸压阀门11，向桩管5内重新送入压缩空气，当桩管5内压力达到0.4Mpa以上后将桩管5上提1.0m，留振10-20s，反插0.5m，如此反复，直至将桩管5上提至设计桩顶位置以上1.0m处。

（10）若两次加料不能满足设计填料量，重复步骤（8）（9），直至满足设计要求。

附图说明

图1是用于淤泥质软土地基气压平衡法振动沉管砂石桩施工方法的受料口密封装置封闭活门关闭状体的结构示意图。 

图2是用于淤泥质软土地基气压平衡法振动沉管砂石桩施工方法的受料口密封装置封闭活门打开状态的结构示意图。 

图3是图1的俯视图。

图4是封闭活门的正视图。

图5是封闭活门的侧视图。

图6是封闭活门的俯视图。

图7是淤泥质软土地基气压平衡法振动沉管砂石桩施工方法设备安装示意图。

图中标号代表的含义如下：  

1、弧形钢板    2、带有衬布夹层的橡胶板   3、 M8×30螺栓   4、安装螺栓孔  5、桩管   6、M16×40螺栓   7、封闭活门   8、桩管受料斗

9、送气管接口   10、送气管    11、 卸压阀门    12、空压机    13、桩管受料口    14、振动桩锤    15、加料斗   6、桩尖(桩靴)   17、压力表        18、打桩架。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明。

实施例

参见图1、图2、图3、图4，一种用于淤泥质软土地基气压平衡法振动沉管砂石桩施工方法的受料口密封装置，由封闭活门7和供气系统两部分构成。封闭活门7由弧形钢板1和带有衬布夹层的橡胶板2两层组成，弧形钢板在内侧，橡胶板贴近桩管内侧壁，两层通过21条M8×30螺栓3紧固在一起。弧形钢板的外缘大于桩管侧壁上所开的受料口,以防止桩管内加压后封闭活门被挤出受料口。橡胶板2的外缘大于弧形钢板1的外缘，弧形钢板的弧度与受料口处桩管侧壁的弧度一致，以保证桩管内加压后封闭活门与桩管内侧壁紧密接触，从而实现封闭活门对桩管受料口的密封，封闭活门上端与桩

管受料口上端内侧壁固定连接。供气系统由空压机12、送气管10、卸压阀门11组成。送气管10一端连接送气管接口9，其另一端连接空气压。供气系统向桩管5内送入压缩空气后，在空气压力作用下封闭活门7橡胶板侧紧贴桩管壁，将桩管受料口13封闭，从而实现桩管受料口密封。

本发明的受料口密封装置的制作、组装和使用过程如下（以Φ480桩管为例进行说明，桩管受料口平面尺寸为310mm×580mm）：

1、制作封闭活门   

①取一块厚12mm、375mm×800mm的长方形的带有衬布夹层的橡胶板2，先将橡胶板顶部的两个直角削去，使顶端形成一个近似圆弧形，再在圆弧的中间位置钻一Φ16mm的螺栓孔，最后在螺栓孔下橡胶板2的两侧各削去一个圆弧，使橡胶板2在此处的断面减小，以便安装后封闭活门7能够灵活开合。

②取一块厚8mm、355mm×600mm的钢板，制作成直径480mm的弧形，形成弧口平面330mm×600mm弧形钢板1。

③将弧形钢板1和橡胶板2叠合在一起，用手电钻钻三排透过弧形钢板1和橡胶板2的直径8mm的螺栓孔，弧形钢板中间一排，两侧各一排，两侧螺栓孔应位于桩管受料口13内，不得与桩管壁接触，以免影响密封效果。螺栓孔的间距和排距均不大于100mm。钻孔完成后，在螺栓孔内穿入M8×30螺栓3和平垫，并用扳手拧紧。

2、受料口密封装置的组装

①在正对桩管受料口13中心的桩管5上割一直径25mm的孔，将送气管接口9伸入此孔内后焊牢。

②在桩管受料口13上方的桩管5上割一直径16mm的螺栓孔，再把封闭活门7塞入桩管5内，使封闭活门7上的螺栓孔与桩管5上所割螺栓孔重合，穿入一条M16×40螺栓6，将封闭活门7固定到桩管5上。

③将送气管10的一头与空压机13的出风口连接，再将送气管10的另一头连接到桩管受料口13背面的送风管接口9上。送风管中间靠近桩机塔架的位置要安装一个卸压阀门11。

3、试运行

启动空压机12，空压机12工作正常后关闭卸压阀门11，检查封闭活门7的密闭性，当装置内的压力大于0.4MPa时，说明该装置密封效果良好，否则，应检查漏气原因并进行处理，压力满足要求后即可进行正常施工。

某淤泥质软土地基，表层2m为粉土，其下10m为淤泥质粉质粘土，饱和，流塑，底部为粉砂夹粉土。淤泥质粉质粘土地基承载力特征值为60KPa。地基处理采用沉管碎石桩，要求处理后地基承载力特征值不小于100KPa。

碎石桩设计桩径600mm，采用正三角形布置，桩间距1.2m，桩长13m，桩顶设计标高为-3.0m。碎石桩材料选用碎石，粒径控制在5～50mm范围内，含泥量小于3%。施工时桩顶超灌按1m考虑，充盈系数按1.2考虑，单桩填料量约5.0m³。

具体的，一种在淤泥质软土地基中采用的气压平衡法振动沉管砂石桩施工方法详述如下：

1、振动沉管打桩机的安装：根据工程设计情况，施工时选用 DZ90KS型振动桩锤和走管式打桩架，桩管采用Φ480×10钢管，桩尖采用4片活瓣的活瓣式钢桩尖。

安装时先将分段的桩管5接长至16m，再将桩管受料斗13、桩尖16焊接到桩管5上，用吊车辅助将打桩架18按组装说明书组装起来后将振动桩锤14、桩管5安装到打桩架18上。

2、启动振动桩锤14，在激振力的作用下将桩管5缓缓沉入土中，直至设计标高(-16.0m)。

3、将封闭活门7安装到桩管受料口13处，再将送气管10与送气管接口9、空压机12的供气管连接起来，再把卸压阀门11安装到送风管上。启动空压机12，检查受料口密封装置的密闭性，系统内压力达到0.4mpa以上后进行施工。

4、用ZL10装载机将砂石装入加料斗15内，用桩机副卷扬提升加料斗15将砂石料卸入桩管受料斗8，砂石料通过桩管受料口13进入桩管5内，直到加料量满足要求(2.5m³)。

5、启动空压机12向桩管5内送入压缩空气，在空气压力作用下桩管受

料口处的封闭活门7封闭，当桩管5内压力达到0.4Mpa以上后启动振动桩锤14，启动主卷扬将桩管5上提0.5-1.0m，留振10-20s，再向下反插0.5m，然后将桩管5再上提1.0m，留振10-20s，反插0.5m，如此反复，将桩管5上提7-8m后停止上提桩管。

6、打开送气管10上的卸压阀门11，将桩管5内的压缩空气排出，用副卷扬提升加料斗15向桩管5内加入砂石料，直至满足设计加料量(2.5m³)。加料时不得关闭振动桩锤14，以便砂石顺利落入桩管5内。

7、完成第二次加料后关闭送气管10上的卸压阀门11，向桩管5内重新送入压缩空气，当桩管5内压力达到0.4Mpa以上后将桩管5上提1.0m，留振10-20s，反插0.5m，如此反复，直至将桩管5上提至设计桩顶位置以上1.0m处(-2.0m) ，关闭空压机12和振动桩锤14的电源，将打桩机18移至下一桩位，重复步骤3-7进行下一根桩的施工。

完成一根桩的时间约为45分钟。电流表显示提升电流65A，反插电流75A，填料充盈系数为1.22，达到设计要求。

Claims (2)

1.一种受料口密封装置，其特征在于，由封闭活门（7）和供气系统两部分构成，封闭活门（7）由紧固连接的弧形钢板（1）和带有衬布夹层的橡胶板（2）组成，弧形钢板（1）在内侧，橡胶板（2）贴近桩管内侧壁，弧形钢板（1）和橡胶板（2）紧固连接，弧形钢板（1）的外缘大于桩管侧壁上所开的受料口,橡胶板（2）的外缘大于弧形钢板（1）的外缘，弧形钢板的弧度与受料口处桩管侧壁的弧度一致，封闭活门（7）上端与桩管受料口上端内侧壁固定连接，供气系统由空压机（12）、送气管（10）和卸压阀门（11）组成，在正对封闭活门中心的桩管的另一侧侧壁上开有进气孔，进气孔处装设有送气管接口（9），送气管接口连接送气管（10），送气管（10）的另一端与空压机（12）相连接，送气管（10）上设有卸压阀门（11），供气系统向桩管（5）内送入压缩空气，在空气压力作用下，封闭活门（7）的橡胶板侧紧贴桩管壁，将桩管受料口（13）密封。

2.一种淤泥质软土地基气压平衡法振动沉管砂石桩施工方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）振动沉管打桩机的安装  

振动沉管打桩机由打桩架、振动桩锤、桩管、桩尖、加料斗组成，安装时先将分段的桩管、桩尖焊接在一起，再将打桩架按组装说明书组装起来，最后将振动桩锤、桩管安装到打桩架上；

（2）将封闭活门安装到桩管受料口内，送气管一端连接到桩管受料口对侧的送气管接口上，送气管另一端与空压机出气管连接，把卸压阀门安装到靠近桩机塔架处的送气管上；

（3）启动振动桩锤将桩管下沉至设计标高；

（4）用桩机副卷扬提升加料斗，向桩管内添加砂石料；

（5）启动空压机向桩管内供气使桩管受料口密封装置加压密闭，启动振动桩锤，按施工工艺要求程序上提桩管、留振、反插，重复上述步骤上提桩管至再次加料位置；

（6）打开送气管上的卸压阀门，桩管内压缩空气排出后向桩管内再次添加砂石料；

（7）关闭送气管上的卸压阀门，使受料口密封装置再次加压密封，按要求上提桩管、留振、反插直至桩顶。

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