CN112663615B - 一种用于加固软弱土体的双螺旋管、注浆成桩设备及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于加固软弱土体的双螺旋管、注浆成桩设备及其施工方法。双螺旋管包括外螺旋管、内螺旋管，所述外螺旋管和所述内螺旋管嵌套固定在一起，所述外螺旋管和所述内螺旋管的顶部之间密封连接，所述内螺旋管的内部空间构成注浆腔体，所述外螺旋管和所述内螺旋管之间的空间构成排水输液腔体，所述外螺旋管的管体上开设有若干排水输液孔。注浆成桩设备还包括舱室箱。注浆成桩设备对软弱土体进行加固的施工方法，包含以下步骤：1)作业准备；2)正向螺旋下贯；3)排水固结；4)化学固结；5)反向螺旋上升；6)重复操作，直至处理完所有待加固土体。本发明结构巧妙、操作简便灵活、应用范围广泛、可靠性高。

Description

一种用于加固软弱土体的双螺旋管、注浆成桩设备及其施工 方法

技术领域

本发明涉及软弱地基处理领域，更具体地说，涉及一种用于加固软弱土体的双螺旋管、注浆成桩设备及其施工方法。

背景技术

软弱土指淤泥、淤泥质土和部分冲填土、杂填土及其他高压缩性土。由软弱土组成的地基称为软弱土地基。淤泥、淤泥质土在工程上统称为软土，其具有特殊的物理力学性质，从而导致了其特有的工程性质。软弱土的特性是天然含水量高、天然孔隙比大、抗剪强度低、压缩系数高、渗透系数小。在外荷载作用下的地基承载力低、地基变形大，不均匀变形也大，且变形稳定历时较长。

对于软弱地基的处理历来是关乎工程安全的重点、难点。当前对于软弱土体的处理方法主要有复合地基法、强夯法、排水固结法、高压喷射注浆法、碾压法等。以排水固结法为例，其是对天然地基，或先在地基中设置砂井(袋装砂井或塑料排水带)等竖向排水体，然后利用建筑物本身重量分级逐渐加载；或在建筑物建造前在场地上先行加载预压，使土体中的孔隙水排出，逐渐固结，地基发生沉降，同时强度逐步提高的方法。按照采用的各种排水技术措施的不同，排水固结法又可分为堆载预压法、真空预压法、降水预压法、电渗排水法等几种方法。上述地基处理方法虽能在一定程度上提高土体的强度和承载性能，但在不同程度上存在施工难度大、工艺复杂、仅限于陆地的地基处理等问题。

特别是随着我国资源消耗的逐年提升，河流、海洋资源开发成为我国重点发展的领域。资源的开采离不开基础工程的建设。海浪、水流的冲刷，会对构筑物的水底土体基础产生破坏，导致水底土体整体强度和承载力的降低。水底土体特别是深海土体处于饱和状态且含水量极高，而且土体的固体颗粒骨架排列松散，所以其强度和承载力都不高。当受到外部环境荷载的作用时，极易发生破坏，严重影响工程的运行，因此有必要对水底软弱土体进行加固处理。因此，由于水底特别是海底土体特殊的赋存环境，现有对软弱土体的处理方法不能全部有效应用于水底软弱土体的加固。

申请号为201821726384.5的中国专利申请公布了一种用于加固海底土体基础的振冲注浆设备，该专利能有效将振冲和注浆方法有效结合起来，使水泥浆在振冲作用下与垮塌的土体充分混合形成复合地基，加固了桩基周围松散土体。但是并不能有效利用排水固结的方法，改善海底软弱土体含水量大的缺点。

申请号为201811241214.2的中国专利申请公布了一种使海底土层中土层降水固结的处理装置和处理方法，该专利主要利用排水固结的方法对海底土体进行了处理，不仅适用于海洋水下土层的迅速固结，还适用于陆上各种含水地基的固结处理。但是该专利并不能有效结合注浆成桩的方法对土体进行加固处理，形式较为单一。

因此，现有技术中缺少一种操作简便灵活、应用范围广泛、可靠性高的加固软弱土体的设备和方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于加固软弱土体的双螺旋管、注浆成桩设备及其施工方法，能够解决软弱土体强度和承载力低、含水量高的问题。

为解决现有技术存在的问题，一方面，本发明提供一种用于加固软弱土体的双螺旋管，包括外螺旋管、内螺旋管，所述外螺旋管和所述内螺旋管嵌套固定在一起，所述外螺旋管和所述内螺旋管的顶部之间密封连接，所述内螺旋管的内部空间构成注浆腔体，所述外螺旋管和所述内螺旋管之间的空间构成排水输液腔体，所述外螺旋管的管体上开设有若干排水输液孔。

优选的，内螺旋管、外螺旋管的截面均为薄壁圆管，外螺旋管内径大于内螺旋管内径，且内外螺旋管的内径比例为1：(1.2-1.8)。

优选的，所述排水输液孔上设置有滤网。可以防止发生堵塞。

优选的，所述内螺旋管和所述外螺旋管的顶部之间通过锥型圆管焊接密封连接。用于密封内螺旋管与外螺旋管之间顶部的空隙；所述锥型圆管的一端与内螺旋管相连，半径与内螺旋管半径相适应；另一端与外螺旋管相连接，半径与外螺旋管半径相适应；采用锥型结构设计，减小了设备整体下贯时的阻力，更方便整体结构下贯。

优选的，所述内螺旋管顶部安装有注浆喷头，注浆喷头的大小与内螺旋管内径相适应。优选的，内螺旋管尾部设置有注浆阀。

优选的，所述内螺旋管和外螺旋管之间设置有支撑结构，以加强内外螺旋管整体的稳定性。

优选的，所述支撑结构为支撑杆，支撑杆一端焊接于内螺旋管外壁，另一端焊接于外螺旋管内壁；所述支撑杆的布设以不影响孔隙水和软土固结剂流动为宜。

另一方面，本发明还提供一种包含前述双螺旋管的注浆成桩设备，包括舱室箱，所述舱室箱与所述双螺旋管的尾部固定连接，所述舱室箱包括储料舱、水泵舱，储料舱用于储存软土固结剂，水泵舱内设置抽水泵；储料舱、水泵舱均与所述排水输液腔体相连通，储料舱与所述排水输液腔体之间设置有储料舱阀门，水泵舱与所述排水输液腔体之间设置有抽水阀门。

优选的，所述双螺旋管与尾部的舱室箱一体连接或分体连接。采用分体连接的方式可以便于不同规格双螺旋管的更换，具体可以为连接圆盘。

优选的，储料舱、水泵舱与所述排水输液腔体通过管道连接。

另一方面，本发明还提供一种利用前述注浆成桩设备对软弱土体进行加固的施工方法，包含以下步骤：

1)作业准备：根据工程实际，选择具有一定长度规格的双螺旋管的注浆成桩设备，将注浆成桩设备和外部驱动设备连接安装后竖直置于待加固的软弱土层上方合适位置，双螺旋管顶部靠近软弱土；

2)正向螺旋下贯：开启外部驱动设备，使注浆成桩设备整体沿竖直方向螺旋下贯进入软弱土层，直至设计深度；

3)排水固结：打开抽水阀门、关闭注浆阀、启动抽水泵；此时，抽水泵工作，降低排水输液腔体内的压力，软弱土层中的孔隙水在渗流力的作用下穿过滤网，从排水输液孔进入排水输液腔体，并沿排水输液腔体螺旋上升流动，最后从舱室箱顶部开口排出；持续运行一段时间，直至满足排水固结要求；

4)化学固结：待排水固结过程完成后，开启储料舱阀门，控制抽水泵叶片反向运行；软土固结剂通过储料舱阀门进入排水输液腔体，并沿排水输液腔体螺旋下移流动；软土固结剂流经各个排水输液孔时，透过滤网进入软弱土层之中，与软弱土之间产生化学反应，进一步化学固结土体，增强软弱土层的强度；化学固结完成后，关闭抽水泵、抽水阀门、储料舱阀门；

5)反向螺旋上升：将注浆泵通过软管连接于水泥注浆腔体尾部，打开注浆阀，开启注浆喷头，启动水泥注浆泵，同时，注浆成桩设备整体依靠外部驱动设备驱动螺旋上升；上升过程中，水泥浆液在注浆泵的作用下，通过水泥注浆腔体由水泥注浆喷头喷射注入土体的空隙间，填补设备整体下贯过程中土体的排开空间；设备反向螺旋上升速率与喷射注浆速度应相适应，以保证水泥浆液可以充满排开的土体空间；

6)重复操作：待反向螺旋上升的注浆过程结束后，关闭注浆泵、注浆喷头；并将设备整体移至下一位置，重复上述操作步骤，直至处理完所有待加固土体。

优选的，在步骤3)中，若排水固结过程中泥沙堵塞滤网，以致设备无法正常排出软弱土层中的孔隙水时，可调控抽水泵反转；此时，排水输液腔体中液体通过排水输液孔向外排出，液体的反向流动冲洗滤网，保证滤网的滤土透水功能。

本发明的有益效果是：

1.本发明采取巧妙的结构设计，利用排水固结的方式，可以有效降低软弱土体含水量，使软弱土充分固结，提高整体强度；

2.本发明解决了软弱土体基础强度和承载力低的问题，利用软土固结剂与软弱土体结合产生化学反应，进一步固结土体，增强软弱土层的强度；

3.本发明注浆加固，将螺旋成桩的方式运用到加固软弱土体中，螺旋桩较普通桩侧面积增大，增大了桩的侧摩擦阻力，抗拔性能及基础强度和承载力强，使其更牢固的特点得以实现；

4.本发明实现了三种加固方式相结合，并可根据不同软弱土层深度，定制和选用不同长度的设备，以适应不同深度的软弱土体加固，适应性强；

5.本发明应用范围广泛，不仅适用于陆地，也适用于水底、深海等软弱土体的加固；

6.本发明设备简单易操作，可反复利用，灵活性高。

附图说明

图1为本发明双螺旋管部分剖切示意图；

图2为本发明加固海底土体的螺旋注浆成桩设备内外螺旋管尾部结构示意图；

图3为本发明加固海底土体的螺旋注浆成桩设备内外螺旋管顶部结构示意图；

图4为本发明加固海底土体的螺旋注浆成桩设备水泥注浆喷头结构示意图；

图5为本发明加固海底土体的螺旋注浆成桩设备整体结构示意图；

图6为本发明加固海底土体的螺旋注浆成桩设备舱室箱、驱动设备箱侧面剖切示意图；

图7为本发明加固海底土体的螺旋注浆成桩方法准备作业过程示意图；

图8为本发明加固海底土体的螺旋注浆成桩方法正向螺旋下贯过程示意图；

图9为本发明加固海底土体的螺旋注浆成桩方法排水固结过程示意图；

图10为本发明加固海底土体的螺旋注浆成桩方法化学固结过程示意图；

图11为本发明加固海底土体的螺旋注浆成桩方法反向螺旋上升成桩过程示意图；

图中：1、外螺旋管；2、内螺旋管；3、注浆喷头；4、舱室箱；5、储料舱；6、水泵舱；7、衔接部；8、锥型密封圆管；9、注浆腔体；10、排水输液腔体；11、排水输液孔；12、滤网；13、注浆阀；14、储料仓阀门；15、抽水阀门；16、软弱土层面；17、软土固结剂；18、螺旋型水泥桩；19、水泵；20、外部驱动设备

具体实施方式

最佳实施例1

为了进一步理解本发明，下面结合附图对本发明的优选实施方案进行详细的说明。

参照附图1-4，一种用于加固软弱土体的双螺旋管，包括外螺旋管1、内螺旋管2，所述外螺旋管1和所述内螺旋管2嵌套固定在一起，内外嵌套焊接的两个螺旋管结构整体长度与海底软弱土体层厚、施工要求相适应，且内螺旋管沿螺旋方向长度略大于外螺旋管沿螺旋方向长度。所述外螺旋管1和所述内螺旋管2的顶部之间密封连接，所述内螺旋管2的内部空间构成注浆腔体，所述外螺旋管1和所述内螺旋管2之间的空间构成排水输液腔体10，所述外螺旋管1的管体上开设有若干排水输液孔11。内螺旋管2、外螺旋管1的截面均为薄壁圆管，外螺旋管内径大于内螺旋管内径，且内外螺旋管的内径比例为1：1.3。所述排水输液孔11上设置有滤网12，可以防止发生堵塞。所述内螺旋管2和所述外螺旋管1的顶部之间通过锥型密封圆管8焊接密封连接，用于密封内螺旋管2与外螺旋管1之间顶部的空隙；所述锥型密封圆管8的一端与内螺旋管2相连，半径与内螺旋管2半径相适应；另一端与外螺旋管1相连接，半径与外螺旋管1半径相适应；采用锥型结构设计，减小了设备整体下贯时的阻力，更方便整体结构下贯。所述内螺旋管2顶部安装有注浆喷头3，注浆喷头3的大小与内螺旋管2内径相适应。内螺旋管2尾部设置有注浆阀13。所述水泥注浆腔体与排水输液腔体间通过内螺旋管分隔，水泥注浆腔体与排水输液腔体工作相互独立，互不干扰。所述内螺旋管2和外螺旋管1之间设置有支撑结构，以加强内外螺旋管整体的稳定性。所述支撑结构为支撑杆，支撑杆一端焊接于内螺旋管外壁，另一端焊接于外螺旋管内壁；所述支撑杆的布设以不影响孔隙水和软土固结剂流动为宜。

参照附图5-6，本发明还提供一种包含前述双螺旋管的注浆成桩设备，包括舱室箱4，所述舱室箱4与所述双螺旋管的尾部固定连接，所述舱室箱包括储料舱5、水泵舱6，储料舱5为密封空间，用于储存加固土体的软土固结剂17，可根据软弱土体的不同类型具体选用常用的利于软弱土固结的固结剂，本发明的固结剂为液体状态，或将固态固结剂溶于溶液后使用；水泵舱6为开放型舱，内部设置抽水泵19，抽水泵为高压抽水泵；储料舱5、水泵舱6均与所述排水输液腔体10相连通，储料舱5与所述排水输液腔体10之间设置有储料舱阀门14，水泵舱6与所述排水输液腔体10之间设置有抽水阀门15。所述双螺旋管与尾部的舱室箱分体连接，其中间具有衔接部7，衔接部7可以是衔接圆盘。采用分体连接的方式可以便于不用规格双螺旋管的更换。储料舱5、水泵舱6与所述排水输液腔体10通过管道连接。

参照附图7-11，本发明还提供一种利用前述注浆成桩设备对软弱土体进行加固的施工方法，包含以下步骤：

1)作业准备：根据工程实际，选择具有一定长度规格的双螺旋管的注浆成桩设备，将注浆成桩设备和外部驱动设备20连接安装后竖直置于待加固的软弱土层16上方合适位置，双螺旋管顶部靠近软弱土；

2)正向螺旋下贯：开启外部驱动设备20，使注浆成桩设备整体沿竖直方向螺旋下贯进入软弱土层，直至设计深度；

3)排水固结：打开抽水阀门15、关闭注浆阀13、启动抽水泵19；此时，抽水泵19工作，降低排水输液腔体10内的压力，软弱土层中的孔隙水在渗流力的作用下穿过滤网，从排水输液孔11进入排水输液腔体10，并沿排水输液腔体10螺旋上升流动，最后从舱室箱4顶部开口排出；持续运行一段时间，直至满足排水固结要求；

4)化学固结：待排水固结过程完成后，开启储料舱阀门14，控制抽水泵叶片反向运行；软土固结剂17通过储料舱阀门14进入排水输液腔体，并沿排水输液腔体螺旋下移流动；软土固结剂17流经各个排水输液孔11时，透过滤网12进入软弱土层之中，与软弱土之间产生化学反应，进一步化学固结土体，增强软弱土层的强度；化学固结完成后，关闭抽水泵、抽水阀门、储料舱阀门；

5)反向螺旋上升：将注浆泵通过软管连接于水泥注浆腔体9尾部，打开注浆阀13，开启注浆喷头，启动水泥注浆泵，同时，注浆成桩设备整体依靠外部驱动设备20驱动螺旋上升；上升过程中，水泥浆液在注浆泵的作用下，通过水泥注浆腔体9由水泥注浆喷头3喷射注入土体的空隙间，填补设备整体下贯过程中土体的排开空间；设备反向螺旋上升速率与喷射注浆速度应相适应，以保证水泥浆液可以充满排开的土体空间；

6)重复操作：待反向螺旋上升的注浆过程结束后，关闭水泥注浆泵、注浆喷头3；软弱土体中将形成一个完整的螺旋型水泥桩18，进一步提高了海底软弱土的承载力。然后将设备整体移至下一位置，重复上述操作步骤，直至处理完所有待加固土体。

优选的，在步骤3)中，若排水固结过程中泥沙堵塞滤网12，以致设备无法正常排出软弱土层中的孔隙水时，可调控抽水泵反转；此时，排水输液腔体10中液体通过排水输液孔11向外排出，液体的反向流动冲洗滤网12，保证滤网12的滤土透水功能。

最佳实施例2

基本技术方案同优选实施例1，不同之处在于，内外螺旋管的内径比例为1：1.7，为了保证设备的整体性，将双螺旋管与舱室箱通过衔接部一体焊接而成。

以上参考了优选实施例对本发明进行了描述，但本发明的保护范围并不限制于此，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来，且不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。因此，任何落入权利要求的范围内的所有技术方案均在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于加固软弱土体的注浆成桩设备，包括舱室箱、双螺旋管，所述双螺旋管包括外螺旋管、内螺旋管，所述外螺旋管和所述内螺旋管嵌套固定在一起，所述外螺旋管和所述内螺旋管的顶部之间密封连接，所述内螺旋管的内部空间构成注浆腔体，所述外螺旋管和所述内螺旋管之间的空间构成排水输液腔体，所述外螺旋管的管体上开设有若干排水输液孔，其特征在于，所述舱室箱与所述双螺旋管的尾部固定连接，所述舱室箱包括储料舱、水泵舱，储料舱用于储存软土固结剂，水泵舱内设置抽水泵；储料舱、水泵舱均与所述排水输液腔体相连通，储料舱与所述排水输液腔体之间设置有储料舱阀门，水泵舱与所述排水输液腔体之间设置有抽水阀门。

2.根据权利要求1所述的用于加固软弱土体的注浆成桩设备，其特征在于：内螺旋管、外螺旋管的截面均为薄壁圆管，外螺旋管内径大于内螺旋管内径，且内外螺旋管的内径比例为1：(1.2-1.8)。

3.根据权利要求1-2任一所述的用于加固软弱土体的注浆成桩设备，其特征在于，所述排水输液孔上设置有滤网。

4.根据权利要求1-2之一所述的用于加固软弱土体的注浆成桩设备，其特征在于，所述内螺旋管和所述外螺旋管的顶部之间通过锥型圆管焊接密封连接。

5.根据权利要求1-2任一所述的用于加固软弱土体的注浆成桩设备，其特征在于，所述内螺旋管顶部安装有注浆喷头，内螺旋管尾部设置有注浆阀。

6.根据权利要求1-2任一所述的用于加固软弱土体的注浆成桩设备，其特征在于，所述内螺旋管和外螺旋管之间设置有支撑结构，所述支撑结构为支撑杆，支撑杆一端焊接于内螺旋管外壁，另一端焊接于外螺旋管内壁。

7.根据权利要求1所述的用于加固软弱土体的注浆成桩设备，所述双螺旋管与尾部的舱室箱一体连接或分体连接。

8.一种利用权利要求1-7任一所述的注浆成桩设备对软弱土体进行加固的施工方法，其特征在于，包含以下步骤：

1)作业准备：根据工程实际，选择具有一定长度规格的双螺旋管的注浆成桩设备，将注浆成桩设备和外部驱动设备连接安装后竖直置于待加固的软弱土层上方合适位置，双螺旋管顶部靠近软弱土；

2)正向螺旋下贯：开启外部驱动设备，使注浆成桩设备整体沿竖直方向螺旋下贯进入软弱土层，直至设计深度；

3)排水固结：打开抽水阀门、关闭注浆阀、启动抽水泵；此时，抽水泵工作，降低排水输液腔体内的压力，软弱土层中的孔隙水在渗流力的作用下穿过滤网，从排水输液孔进入排水输液腔体，并沿排水输液腔体螺旋上升流动，最后从舱室箱顶部开口排出；持续运行一段时间，直至满足排水固结要求；

4)化学固结：待排水固结过程完成后，开启储料舱阀门，控制抽水泵叶片反向运行；软土固结剂通过储料舱阀门进入排水输液腔体，并沿排水输液腔体螺旋下移流动；软土固结剂流经各个排水输液孔时，透过滤网进入软弱土层之中，与软弱土之间产生化学反应，进一步化学固结土体，增强软弱土层的强度；化学固结完成后，关闭抽水泵、抽水阀门、储料舱阀门；

5)反向螺旋上升：将注浆泵通过软管连接于水泥注浆腔体尾部，打开注浆阀，开启注浆喷头，启动水泥注浆泵，同时，注浆成桩设备整体依靠外部驱动设备驱动螺旋上升；上升过程中，水泥浆液在注浆泵的作用下，通过注浆腔体由注浆喷头喷射注入土体的空隙间，填补设备整体下贯过程中土体的排开空间；设备反向螺旋上升速率与喷射注浆速度应相适应，以保证水泥浆液可以充满排开的土体空间；

6)重复操作：待反向螺旋上升的注浆过程结束后，关闭注浆泵、注浆喷头；并将设备整体移至下一位置，重复上述操作步骤，直至处理完所有待加固土体。

9.根据权利要求8所述的对软弱土体进行加固的施工方法，其特征在于，在步骤3)中，若排水固结过程中泥沙堵塞滤网，以致设备无法正常排出软弱土层中的孔隙水时，调控抽水泵反转；此时，排水输液腔体中液体通过排水输液孔向外排出，液体的反向流动冲洗滤网，保证滤网的滤土透水功能。

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