CN112609673B - 深层共振密实加固杂填土地基的装置及方法 - Google Patents

Abstract

深层共振密实加固杂填土地基的装置及方法，通过将振动杆沉入土体以后，将振动锤频率调节到振动杆‑土系统的共振频率，利用共振放大原理将振动能量有效传递给深层杂填土，形成杂填土共振密实区，加上起辅助加固作用的可凝固浆液与杂填土混合区域，振动锤带动振动杆自由下落压实振孔内部松散土体形成的压实区，共同加固杂填土地基；有效解决了传统方法加固深层杂填土效果差、经济效益低、施工技术复杂等方面的不足。

Description

深层共振密实加固杂填土地基的装置及方法

技术领域

本发明属于杂填土地基处理技术领域，特别涉及深层共振密实加固杂填土地基的装置及方法。

背景技术

随着城市经济的快速发展和人口的逐渐增加，人们对土地的需求越来越大，建筑用地日趋紧张。与此同时我国城镇化的快速发展和更新使得由大量建筑垃圾，工业废料或生活垃圾等杂物组成的杂填土层分布越来越广泛，造成一些工程建设不得不在杂填土层上进行。而杂填土地基性质复杂，存在着厚度变化大、表层土体坚硬、承载力低、孔隙率大、渗透性不均匀、变形大等问题，因此在作为天然地基使用时，难以满足其上覆建筑物对于地基承载力和稳定的要求，必须对其进行相应的加固处理。而常见的换填法、碎石桩法、振冲法、强夯法和强夯置换法等杂填土地基处理方法虽然有了一些规范和工程实例，但其在深层加固杂填土地基方面都有一定的不足和局限性，无法较为广泛的应用推广。例如换填法只适用于地基浅层处理，建筑物上部荷载较小的情况，且费事费力；碎石桩法一般只适用于地下水位以上的地基处理，且它对提高地基承载力的能力比较有限；强夯法施工时产生的振动和噪音会对周边环境和建筑物造成一定的影响，且深层杂填土处理效果不佳。因此一种工艺简单、施工便捷、加固效果良好且经济效果优异的深层杂填土地基处理方法有待提出。

文献《振杆密实法处理湿陷性黄土地基试验研究》公开了利用振杆密实法技术处理湿陷性黄土地基，利用气动振杆密实法处理湿陷性黄土地基的施工工艺，并对处理效果进行了测试评价，但其采用的是高压喷气，利用边喷气边振动下沉的气动振杆密实法施工工艺，并不适用于杂填土地基的处理。

中国发明专利“振杆密实法处理湿陷性黄土地基的方法”(公开号：CN110284487A)公开了一种振杆密实法处理湿陷性黄土地基的方法，该方法包括以下步骤：1)施工准备；2)振点定位；3)振动与注液；4)振动下沉；5)孔底留振；6)振动提升；7)回填反插；8)提升结束。施工中按照预先设计的振点间距，采用三角形或者正方形布点方式，依次进行振点施工，直至加固区施工结束。所述振动中的注液为工业废液，它能与黄土中的碳酸钙等成分反应，进而加速“软化”土体，有利于振动翼的振动下沉；所述孔底留振的时间不小于10s；所述回填反插工艺的次数至少1次；所述振点间距的范围为1.0m～1.8m；该发明侧重的是对湿陷性黄土地基进行处理，无需额外填料，并没有涉及到本发明的杂填土地基的处理以及深层共振的处理方法。

中国发明专利“膨胀型高聚合物水泥浆、注浆加固装置及注浆加固方法”(公开号：CN107417182A)公开了一种膨胀型高聚合物水泥浆、注浆加固装置及注浆加固方法，要解决的技术问题是采用强夯置换法进行杂填土地基处理时，强夯夯实不均匀，局部达不到密实度的要求，建筑物出现差异沉降。本发明由以下重量份的原料制成：硅酸盐水泥为91-95份，无声破碎剂为2-4份，聚丙烯纤维为3-5份。采用上述技术方案后的本发明通过钢制注浆花管将本发明膨胀型高聚合物水泥浆均匀的注入地层中，浆液以填充、渗透、膨胀和挤密等方式，将原来的裂隙填充，使原来松散的土粒快速固结成一个整体，并在钻孔内形成一根微型桩，以改善地基土的力学性质，达到提高地基土承载力，加固地基的效果。该发明虽然涉及的是对杂填土地基的处理，但其采用的是对水泥浆的加固。

中国发明专利“一种固化剂-强夯相结合的深厚垃圾杂填土地基处治方法”(公开号：CN110644466A)公开了一种固化剂-强夯相结合的深厚垃圾杂填土地基处治方法，用注浆法将土壤固化剂注入到深厚垃圾杂填土地基中，结合强夯对深厚杂填土地基进行加固，具体按照以下步骤实施：步骤1，清理、整平垃圾杂填区加固场地；步骤2，注浆参数设计，按设计要求在场地上利用网格标注注浆孔位置；步骤3，将水泥、水和土壤固化剂按照设计要求使用拌合设备进行拌合后通过注浆设备分段注入到垃圾杂填土地基中；步骤4，注浆完成后，按照强夯设计要求对杂填土地基进行强夯。该方法虽然能综合强夯的物理加固与土壤固化剂的化学加固的优势，避免对深厚杂填土地基的开挖、分层拌合压实造成的环境、费用和工期问题，但其利用的是注浆技术将土壤固化剂注入到需要加固的杂填土地基中，然后采用强夯技术对杂填土地基进行强夯加固。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供深层共振密实加固杂填土地基的装置及方法，利用共振原理达到加固杂填土地基的目的。

为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：

深层共振密实加固杂填土地基的装置，包括移动装置及与移动装置控制连接的振动装置，移动装置上设有高压水泵和高压泥浆泵，振动装置包括振动锤及设于振动锤下方的振动杆，且振动锤的振动频率由移动装置的控制系统控制；

振动杆上还设有水平布设的注射口以及与注射口连通的沿轴向贯穿布设的通孔，且注射口通过配设的管道与高压水泵和高压泥浆泵连通，高压水泵和高压泥浆泵在控制系统的控制下通过振动杆的通孔向杂填土地基注水和可凝固浆液；

振动装置与移动装置之间还设有竖向布置的导向架，且导向架与移动装置支撑连接，而振动装置在移动装置的控制系统作用下驱使振动锤沿导向架竖向滑动。

所述移动装置的后端还设有用于供料的浆桶。

所述导向架与移动装置之间还设有倾斜布设的支撑杆。

所述高压水泵的注水压力范围为0.5MPa～0.9MPa。

所述高压泥浆泵的注浆压力范围为0.4MPa～0.6MPa。

基于深层共振密实加固杂填土地基的方法，包括以下步骤：

1)施工准备，场地平整：施工设备进场，场地平整，清除较为突出障碍物；

2)放线、确定振点位置：根据设计图纸在平整好的施工场地放出点位，并用竹签或木桩标定；

3)振动杆就位：移动装置携带移动装置控制连接的振动装置移动到指定点位并对中，调整移动装置的平整度，保证振动杆的垂直度；

4)振动下沉：打开高压水泵，并启动振动锤，移动装置内控制系统控制振动锤下沉速度，使振动锤在高频振动和其自重作用下将振动杆沉入土层中，直到设计深度，关闭高压水泵；

5)底部留振：待振动杆下沉至设计处理深度时调整振动锤的振动频率至振动杆-土系统的共振频率，进行留振，形成杂填土共振密实区；

6)振动提升：留振结束后，打开高压泥浆泵，调节振动锤频率使振动杆按照设计速度以高频率逐渐提升至地面，形成起辅助加固作用的可凝固浆液与杂填土混合区域；

7)下落密实：关闭振动锤，振动锤和振动杆通过导向架提升并脱离地面，然后使振动锤和振动杆沿着导向架自由下落，以压实振孔内部松散土体，并形成密实沉降区；

8)依次振点施工：移动装置携带移动装置控制连接的振动装置依次对现场标注振点进行振动密实，直至所有振点处理完毕，施工过程中会在相邻振点形成共振密实叠加区；

9)场地平整，施工结束：对密实加固后的场地，用振动压路机对现场表层土进行压实整平，对部分地面凹陷严重，可就近取原状土进行振动碾压密实至与地面平行。

步骤5)中，共振频率利用以下公式进行计算：

其中，振动锤总重量M₁、激振器重量M₂、除激振器以外的振动锤参振重量M₁-M₂、振动杆重量M₃、导向架刚度K₁、振动锤刚度K₂、地层刚度K₃。

步骤4)所述高频振动的频率范围为30Hz～50Hz。

步骤5)中留振时间不少于1min。

步骤6)中高压泥浆泵中可凝固浆液的水灰比范围为0.8:1～1:1。

本发明的有益效果是：

(1)该深层共振密实加固杂填土地基的装置及方法，通过将振动杆沉入土体以后，将振动锤频率调节到振动杆-土系统的共振频率，利用共振放大原理将振动能量有效传递给深层杂填土，形成杂填土共振密实区，加上起辅助加固作用的可凝固浆液与杂填土混合区域，振动锤带动振动杆自由下落压实振孔内部松散土体形成的压实区，共同加固杂填土地基；

(2)有效解决了传统方法加固深层杂填土效果差、经济效益低、施工技术复杂等方面的不足，其深层加固效果显著、效率高、施工方便、成本低、只需振动杆的一次沉入拔出和压实就完成场地单振点的加固处理；振动杆的高频贯入和拔出有助于振动杆更好贯入拔出杂填土地基；

(3)振动杆下沉过程中的高压注水一方面有助于破碎杂填土地基中颗粒粒径较大的坚硬块体以利于振动杆下沉，提高施工效率，另一方面也有助于使杂填土地基当中颗粒粒径小的砂类土、粉性土等土体充水饱和，饱和土体在振动能量输入下发生液化，使土粒重新排列、固结密实；

(4)振点注浆加固和振孔表层压实土体有效弥补了振动杆插拔后振点处地基土体强度不足的缺陷，该方法与传统的杂填土地基处理方法相比，有很好的经济技术优势和推广前景。

附图说明

图1是本发明单振点加固杂填土地基的结构示意图。

图2是本发明加固杂填土地基中共振密实区、凝固浆液杂填土混合区域和表层压实土体区域分布概图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

本发明提供了深层共振密实加固杂填土地基的装置及方法，如图1和如图2所示。

深层共振密实加固杂填土地基的装置，包括移动装置及与移动装置控制连接的振动装置，移动装置上设有高压水泵和高压泥浆泵2，振动装置包括振动锤4及设于振动锤4下方的振动杆6，且振动锤4的振动频率由移动装置的控制系统控制。

振动杆6上还设有水平布设的注射口10以及与注射口10连通的沿轴向贯穿布设的通孔，且注射口10通过配设的管道与高压水泵和高压泥浆泵2连通，高压水泵和高压泥浆泵2在控制系统的控制下通过振动杆6的通孔向杂填土地基注水和可凝固浆液。

振动装置与移动装置之间还设有竖向布置的导向架5，且导向架5与移动装置支撑连接，而振动装置在移动装置的控制系统作用下驱使振动锤4沿导向架5竖向滑动。

所述移动装置的后端还设有用于供料的浆桶1。

所述导向架5与移动装置之间还设有倾斜布设的支撑杆3。

所述高压水泵的注水压力范围为0.5MPa～0.9MPa。

所述高压泥浆泵的注浆压力范围为0.4MPa～0.6MPa。

基于深层共振密实加固杂填土地基的方法，包括以下步骤：

1)施工准备，场地平整：施工设备进场，场地平整，清除较为突出障碍物；

2)放线、确定振点位置：根据设计图纸在平整好的施工场地放出点位，并用竹签或木桩标定；

3)振动杆就位：移动装置携带振动杆6到指定点位并对中，调整移动装置的平整度，保证振动杆6的垂直度；

4)振动下沉：打开高压水泵，并启动振动锤4，控制起重机放线速度使振动锤4在高频振动和其自重作用下将振动杆6沉入土层中，直到设计深度，关闭高压水泵；

5)底部留振：待振动杆6下沉至设计处理深度时调整振动锤4的振动频率至振动杆-土系统的共振频率，进行留振，形成杂填土共振密实区11；

其共振频率，通过将振动锤总重量M₁、激振器重量M₂、振动杆重量M₃、导向架刚度K₁、振动锤刚度K₂、地层刚度K₃代入以下公式求出。

6)振动提升：留振结束后，打开高压泥浆泵，调节振动锤4频率使振动杆6按照设计速度以高频率逐渐提升至地面，形成起辅助加固作用的可凝固浆液与杂填土混合区域12；

7)下落密实：关闭振动锤4，振动锤4和振动杆6通过导向架5提升并脱离地面，然后使振动锤4和振动杆6沿着导向架5自由下落，以压实振孔内部松散土体14，并形成密实沉降区15；

8)依次振点施工：移动装置携带振动杆6依次对现场标注振点进行振动密实，直至所有振点处理完毕，施工过程中会在相邻振点形成共振密实叠加区13；

9)场地平整，施工结束：对密实加固后的场地，用振动压路机对现场表层土进行压实整平，对部分地面凹陷严重，可就近取原状土进行振动碾压密实至与地面平行。

步骤4)所述高频振动的频率范围为30Hz～50Hz。

步骤5)中留振时间不少于1min。

步骤6)中高压泥浆泵中可凝固浆液的水灰比范围为0.8:1～1:1。

实施例1

移动装置中装载有高压水泵和高压泥浆泵2以及装有可凝固浆液的浆桶1，导向架5通过支撑杆3和车头前面的辅助支撑杆来保持竖直稳定，振动锤4和振动杆6通过移动装置里面控制系统可以在导向架5上下移动。当移动装置携带浆桶1、高压水泵和高压泥浆泵2、振动锤4、导向架5、振动杆6移动到待加固的孔位时，通过移动装置里面控制系统启动振动锤4和高压水泵和高压泥浆泵2里面的高压水泵，并调节振动锤4至较高振动频率，高压水通过第一导向管7、第二导向管8和注射软管9注入到振动杆6中，并从振动杆6底部喷出；振动杆6在移动装置里面控制系统作用下沿导向架5按照设计速度下沉；当振动杆6达到设计深度后，关闭高压水泵和高压泥浆泵2中的高压水泵，调节振动锤4至共振频率进行留振；留振结束后，打开高压水泵和高压泥浆泵2中的高压泥浆泵，高压泥浆泵抽取浆桶1中加固浆液，通过第一导向管7、第二导向管8和注射软管9注入到振动杆6中，并从振动杆6底部喷出，调节振动锤4至较高频率，按照设计速度提升振动杆6至地面；关闭振动锤4和高压水泵和高压泥浆泵2中高压泥浆泵，提升振动锤4和振动杆6至地面一定距离，使其自由下落；单孔位密实结束，移动装置移动浆桶1、高压水泵和高压泥浆泵2、振动锤4、导向架5、振动杆6至下一待处理孔位。

当施工时，首先，施工现场先进行简单场地平整，清除较为突出障碍物，然后按照设计图纸对施工孔位进行放线定位，通过移动装置将振动杆对准施工孔位，详见如图1所示，本次实例采用1.2m振点间距。

随后，打开高压水泵，调节高压水泵注水压力范围为0.5MPa～0.9MPa，本实例采用注水压力为0.8MPa，同时调节振动锤至高频率，振动锤高频率范围为30Hz～50Hz，本实例采用的振动频率为30Hz；振动杆开始沉入杂填土地基当中，达到设计处理深度，关闭高压水泵，调节振动锤频率使振动杆以振动杆-土系统的共振频率进行留振，振动杆-土系统的共振频率范围为15Hz～20Hz，本实例采用的共振频率为18Hz，振动杆留振时间不少于1min，本实例采用的留振时间为1min；留振结束后，打开高压泥浆泵，调节振动锤频率使振动杆按照设计速度以高频率逐渐提升至地面，关闭高压泥浆泵。

其次，本实例采用的高压泥浆泵注浆压力为0.6MPa，可凝固浆液水灰比范围为0.8:1～1:1，同时掺有促进浆液与杂填土混合的添加剂，本实例采用的可凝固浆液水灰比范围为0.9:1；关闭振动锤，振动锤和振动杆通过导向架提升距离地面一定距离，然后使振动锤和振动杆沿着导向架自由下落，以压实振孔内部松散土体，本实例采用距离地面0.5m。

最后，单振点施工后，通过自行设计的移动装置将振动杆移至下一施工孔位，依次进行施工；施工结束后，对密实加固后的场地，用振动压路机对现场表层土进行振动压实整平。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及等同物界定。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“中心”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。

Claims (8)

1.深层共振密实加固杂填土地基的装置，其特征在于：包括移动装置及与移动装置控制连接的振动装置，移动装置上设有高压水泵和高压泥浆泵，振动装置包括振动锤及设于振动锤下方的振动杆，且振动锤的振动频率由移动装置的控制系统控制；

振动杆上还设有水平布设的注射口以及与注射口连通的沿轴向贯穿布设的通孔，且注射口通过配设的管道与高压水泵和高压泥浆泵连通，高压水泵和高压泥浆泵在控制系统的控制下通过振动杆的通孔向杂填土地基注水和可凝固浆液；

振动装置与移动装置之间还设有竖向布置的导向架，且导向架与移动装置支撑连接，而振动装置在移动装置的控制系统作用下驱使振动锤和振动杆沿导向架竖向滑动；

该装置的施工方法，包括以下步骤：

1)施工准备，场地平整：施工设备进场，场地平整，清除较为突出障碍物；

2)放线、确定振点位置：根据设计图纸在平整好的施工场地放出点位，并用竹签或木桩标定；

3)振动杆就位：移动装置携带移动装置控制连接的振动装置移动到指定点位并对中，调整移动装置的平整度，保证振动杆的垂直度；

4)振动下沉：打开高压水泵，并启动振动锤，移动装置内控制系统控制振动锤下沉速度，使振动锤在高频振动和其自重作用下将振动杆沉入土层中，直到设计深度，关闭高压水泵；

5)底部留振：待振动杆下沉至设计处理深度时调整振动锤的振动频率至振动杆-土系统的共振频率，进行留振，形成杂填土共振密实区；

共振频率利用以下公式进行计算：

其中，振动锤总重量M₁、激振器重量M₂、除激振器以外的振动锤参振重量M₁-M₂、振动杆重量M₃、导向架刚度K₁、振动锤刚度K₂、地层刚度K₃；

6)振动提升：留振结束后，打开高压泥浆泵，调节振动锤频率使振动杆按照设计速度以高频率逐渐提升至地面，形成起辅助加固作用的可凝固浆液与杂填土混合区域；

7)下落密实：关闭振动锤，振动锤和振动杆通过导向架提升并脱离地面，然后使振动锤和振动杆沿着导向架自由下落，以压实振孔内部松散土体，并形成密实沉降区；

8)依次振点施工：移动装置携带移动装置控制连接的振动装置依次对现场标注振点进行振动密实，直至所有振点处理完毕，施工过程中会在相邻振点形成共振密实叠加区；

9)场地平整，施工结束：对密实加固后的场地，用振动压路机对现场表层土进行压实整平，对部分地面凹陷严重，可就近取原状土进行振动碾压密实至与地面平行。

2.根据权利要求1所述的深层共振密实加固杂填土地基的装置，其特征在于：所述移动装置的后端还设有用于供料的浆桶。

3.根据权利要求1所述的深层共振密实加固杂填土地基的装置，其特征在于：所述导向架与移动装置之间还设有倾斜布设的支撑杆。

4.根据权利要求1所述的深层共振密实加固杂填土地基的装置，其特征在于：所述高压水泵的注水压力范围为0.5MPa～0.9MPa。

5.根据权利要求1所述的深层共振密实加固杂填土地基的装置，其特征在于：所述高压泥浆泵的注浆压力范围为0.4MPa～0.6MPa。

6.根据权利要求1所述的深层共振密实加固杂填土地基的装置方法，其特征在于：步骤4)所述高频振动的频率范围为30Hz～50Hz。

7.根据权利要求1所述的深层共振密实加固杂填土地基的装置方法，其特征在于：步骤5)中留振时间不少于1min。

8.根据权利要求1所述的深层共振密实加固杂填土地基的装置方法，其特征在于：步骤6)中高压泥浆泵中可凝固浆液的水灰比范围为0.8:1～1:1。

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