CN113123376A - 用于桩基冲刷形态检测和治理加固的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于桩基冲刷形态检测和治理加固的方法，包括如下步骤：利用冲刷坑形态检测设备探测冲刷坑形态；预算回填砂土体积；砂土回填；设计桩位、数量及桩长；计算打桩、注浆耗材；加固方案实施。本发明提供了有效应用于桩基冲刷实际工程的冲刷形态检测及治理方法体系，有效解决了因桩基周围土体缺失而导致的土体对桩基约束能力降低的问题，将冲刷坑监测与冲刷坑的治理紧密结合起来，预算治理所需回填的砂石体积，以便直接应用于实际工程并解决经济可行的问题。

Description

用于桩基冲刷形态检测和治理加固的方法
技术领域
本发明涉及桩基冲刷治理加固技术领域，具体涉及一种用于桩基冲刷形态检测和治理加固的方法。
背景技术
海上桩基是海上风电的重要组成部分，浪流的冲刷会对桩基周围的海底土体地基产生破坏，土体被水流带走后会形成冲刷坑。冲刷坑的形成会导致土体对桩基的约束作用减弱，从而引发基础倾覆的危险，因此有必要对桩基周围的冲刷坑进行形态检测和治理加固。
当前对于冲刷坑的防护与治理方法主要有主动防护、被动防护、砂土吹填治理、注浆治理等，对于冲刷坑形态检测的方法有多波束法、人工潜水检测法、超声波检测法等。中国专利公开(授权)CN 108253881 A、CN 105651249 A、CN 108037010 A、CN 106917420 A、CN 109253705 A、CN 207976095 U等均公开了用于测定桩基冲刷坑形态的装置，中国专利公开(授权)CN 209779617 U、CN 111236290 A、CN 109440727 A等公开了用于加固桩基的设备或方法，由于冲刷监测过程繁琐、人工作业风险较大，且冲刷治理过程中考虑海底土体环境较为特殊，上述方法不能形成有效应用于实际工程的冲刷形态检测治理方法体系。
因此，亟需一种应用性强、可靠性高且经济省料的成套方法来实现对桩基冲刷形态的检测和治理加固。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种用于桩基冲刷形态检测和治理加固的方法，能实现对桩基冲刷坑形态的检测和根据检测所得形态精确确定治理所需用料，有效提高了桩基检测、治理的效率，同时经济省料、应用性强、可靠性高。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
用于桩基冲刷形态检测和治理加固的方法，包括如下步骤：
S1.利用冲刷坑形态监测设备探测冲刷坑形态，
在探测船上，将带有重物及锥尖探针的缆绳下放，当锥尖探针触碰到海床表面土体时，探测船上的指示器灯亮，停止缆绳下放并记录缆绳长度，更换缆绳下放地点并重复上述步骤，完成多次测量取点，计算冲刷坑深度，进一步得到冲刷坑形态、深度和范围；
S2.预算回填砂土体积，
根部步骤S1得到的冲刷坑形态，计算冲刷坑体积V’，并根据冲刷坑体积预算回填砂土体积V，考虑到土体物理性质并为预留出土体沉降空间，回填砂土应高于原海床平面，因此回填砂土体积V＝1.3*V’；
S3.砂土回填，
利用绞吸船或运砂船进行砂土回填；
S4.设计桩位、数量和桩长，
采用先打振冲高压桩、后高压旋喷注浆的方式对回填砂土进行加固，防止回填砂土在浪流的冲刷下发生二次流失，根据步骤S1中得到的冲刷坑的形态、深度和范围，按照经济、安全的原则对桩位、数量和桩长进行设计；
S5.计算打桩、注浆耗材，
根据步骤S4计算得出的桩的桩位、数量和桩长，计算混凝土桩总耗材，根据预计耗材给出需要使用的砂、石和水泥的用量和配比；
S6.加固方案实施，
按照步骤S4计算的数据进行振冲高压桩和旋喷桩的施工，其中先进行振冲高压桩的施工，待全部完成后再进行旋喷桩的施工，两种桩的施工均依照“先中间后周边”的施工顺序进行。
所述步骤S1中，缆绳下放点环绕桩基，各点形成以桩基为中心的同心圆，同心圆的数量及直径根据工程实际设置，具体冲刷坑深度的计算公式为：
冲刷坑深度＝重物及探针长度+缆绳下放长度-海底土面水深，
式中海底土面水深即为海床面水深，通过查阅当地的地质资料获得，通过多次重复测点即得三维冲刷坑形态。
所述步骤S2中，不同形态冲刷坑的体积V’计算公式如下：
锥型冲刷坑体积为：
Figure BDA0003035321410000021
其中H为最大冲刷深度，R为最大冲刷坑半径，D为桩基直径；
椭球型冲刷坑体积为：
Figure BDA0003035321410000022
其中H为最大冲刷深度，r1为冲刷坑半长，r2为冲刷坑半宽，D为桩基直径；
圆台型冲刷坑体积为：
Figure BDA0003035321410000023
其中，H为最大冲刷深度，R为最大冲刷坑半径，r为最小冲刷坑半径，D为桩基直径。
复合型冲刷坑近似为桩基前后两个尺寸不同的半个圆台形冲刷坑结合在一起，因此，其体积为：
Figure BDA0003035321410000031
Figure BDA0003035321410000032
其中，H1、H2分别为桩前、桩后最大冲刷深度，R1、R2分别为桩前、桩后最大冲刷坑半径，r3、r4分别为桩前、桩后最小冲刷坑半径。
所述步骤S3中，
当使用绞吸船吸土回填时，在冲刷坑外围迎水侧4倍桩基直径范围设置钢板桩围挡，绞吸头及泥泵切削海底泥砂并形成负压，吸管及输砂管道将砂水混合物抽吸上来，经过加压泵增压，将泥砂输送到待吹填区域；泥砂从吹填导管吹出，自然沉淀固结，完成砂土回填作业；
当使用运砂船投掷砂土回填时，在冲刷坑外围迎水侧4倍桩基直径范围设置钢板桩围挡，高压水泵一端抽吸海水、另一端将运砂船中的泥砂冲成泥浆，吸砂泵将泥浆吸到加压泵中，加压作用下通过吹砂导管吹入待吹填区域，自然沉淀固结，完成砂土回填作业。
所述步骤S4中，参考步骤S1得到的冲刷坑形状轮廓(冲刷坑的俯视图类似圆形、椭圆形、复合形或其他不规则形)确定桩位、数量和桩长，具体如下：
桩位排布采用以下方式：以桩基中轴为轴心由内向外布设，振冲高压桩桩位与旋喷桩桩位交错排布，以桩基中轴为轴心向外的冲刷坑轮廓上的一圈桩位称为一组桩位；
每组桩位中桩的数量布设采用如下方式：每组振冲高压桩的桩位数量以每一桩的加固半径与相邻桩的加固半径重叠为要求；每组旋喷桩插空布置于其内侧相邻组振冲高压桩之间，每组旋喷桩的桩位数量不做具体要求，以最大程度上满足抗冲性为宜；优选地：约取其内侧相邻组振冲高压桩数即可；
桩长设计采用如下方式：每组振冲高压桩均应贯穿回填砂土和海底土，即振冲高压桩长度需要竖直穿过海底土体与回填土体交界面，贯穿长度应充分考虑抗冲标准；通常情况下的冲刷坑内侧深度大于外侧深度，由桩基中轴向外、每组振冲高压桩的桩长依次变短，桩长变化范围应视冲刷坑由内向外的变化程度决定；每组旋喷桩的桩长应介于相邻的两组振冲高压桩的桩长之间。
所述步骤S5中，振冲高压桩选用自然级配的中粗砂，选取含泥量小于等于5％、粒径20mm～80mm的碎石为桩体材料，此状态的碎石咬合力大、形成的桩身强度高，振冲高压桩材料的工程量具体由如下公式得到：
Figure BDA0003035321410000033
式中，V振为振冲灌注体积；d振为振冲孔的直径；h振为振冲孔的孔深。
所述步骤S5中，旋喷桩的注浆材料选用P.O.42.5水泥，具体配比为水灰比1:1～1.5:1，其固结体28天强度可达1～20MPa，旋喷桩浆液材料的用量采用喷量法求得，具体公式如下：
Figure BDA0003035321410000041
式中，Q为旋喷桩所需浆量，h喷为喷射长度(m)，v喷为提升速度(m/min)，q为单位时间注浆量(L/min)，β为浆液损失系数，取0.1～0.2，以上参数由工程实际情况确定；旋喷桩的水泥浆液中掺入早强剂，早强剂为氯化钙或三乙醇胺，掺入量为水泥量的2％～4％，以提高固结体早期抗压强度。
所述步骤S6中，振冲高压桩的施工步骤如下：
施工船行驶到预定施工区域，下放振冲打桩设备准备施工，将长护筒和限位器配重下放到海床面指定桩位并插入到设计深度；利用长护筒和限位器保证投料的准确性和振冲的垂直度，将振冲器放入长护筒，并下降到指定深度；向长护筒内填砂土，随后开启振冲器分段振密回填土，填砂土时根据实际情况使用水泵、泥浆泵添加水、泥浆，每一段回填料振实后，进行依次长护筒及振冲器的上提，直至长护筒和振冲器离开海底土体时关闭振冲器，即完成单根振冲高压桩的施工；完成后将振冲打桩设备移至下一桩位进行施工；
施工过程中，在软弱海洋土地基中，采用间隔跳打的方式施工，有效减少对地基土的扰动；对第一组振冲高压桩施工时，应加强安全意识，以免对桩基造成破坏。
所述步骤S6中，旋喷桩的施工步骤如下：
施工船行驶到预定施工区域，下放注浆管、旋转注浆设备准备施工，将钻机及注浆管下放到海床面指定桩位，钻机在桩位钻设注浆孔后，注浆管沿打设好的孔洞伸入海底土体；一边利用注浆管进行旋喷注浆一边提升注浆管，直至注浆管离开海底土体时停止注浆，即完成单根旋喷桩的施工；完成后将旋转注浆设备移至下一桩位进行施工。
所述步骤S1中使用的冲刷坑形态监测设备，包括探测船、缆绳、锥尖探针、重物和指示器；指示器安装固定在探测船上，重物整体呈圆台形，重物的顶端为截面相对较小的一端，锥尖探针固定在重物的顶端并与重物整体呈圆锥形，锥尖探针用于探测锥尖是否接触海床表面、并与指示器通过无线电信号连接，重物的底端固定有连接块，缆绳的一端与连接块固定连接，另一端固定在探测船上；缆绳侧面涂有两色防水涂料，防水涂料的颜色包括红色和白色，且缆绳侧面的红色防水涂料段和白色防水涂料段交替设置，红色、白色防水涂料段的长度相等，通过水中红色防水涂料段和白色防水涂料段的数量能够快速得到水下缆绳的长度，即水下重物的深度。
本发明中使用到的锥尖探针的工作原理为CPT(Cone Penetration Tes)即圆锥静力触探方法，指用静力将探头以一定的速率压入土中，利用探头内的力传感器，通过电子测量器将探头受到的贯入阻力记录下来。由于CPT设备的探头接触到土体后，电子测量器将产生并记录所受到的阻力数据，本发明中仅需锥尖探针接触到土体后向指示器发射信号，指示器的功能仅为接收到信号后发出警报，以提示操作人员停止释放缆绳并记录缆绳在水面的位置，锥尖探针可以使用北京爱尔瑞科技有限公司的ZXL-12型普氏贯入仪，或天津首科实验仪器有限公司的便携式普氏贯入仪，亦可使用其他能实现所需功能的普氏贯入仪；指示器为用于接收锥尖探针传递信号的电子测量器，当接收到锥尖探针的信息后作出响应，指示灯亮以提示操作人员停止释放缆绳并记录缆绳在水中的长度。
本发明的有益效果是：
1.形成了有效应用于桩基冲刷实际工程的冲刷形态检测治理方法体系；
2.有效解决了因桩基周围土体缺失而导致的土体对桩基约束能力降低的问题；
3.将冲刷坑检测与冲刷坑的治理紧密结合起来，预算治理所需回填的砂石体积，以便直接应用于实际工程并解决经济可行的问题；
4.将打桩、注浆加固的施工方法应用于冲刷坑的加固治理，有效解决了冲刷坑回填砂土二次流失的问题。
附图说明
图1是本发明冲刷坑形态检测施工示意图；
图2是本发明揽绳、重物及锥尖探针示意图；
图3是圆锥型冲刷坑形态示意图；
图4是圆台型冲刷坑形态示意图；
图5是椭圆型冲刷坑形态示意图；
图6是复合型冲刷坑形态示意图；
图7是砂土回填施工示意图；
图8是桩位排列布置设计示意图；
图9是桩身长度设计示意图；
图10是打桩、注浆加固施工示意图；
图11是本发明示例加固完成半剖效果示意图；
图12是本发明示例加固完成侧面示意图；
图13是本发明探测冲刷坑形态方法流程示意图；
图14是本发明桩基冲刷形态检测、治理加固系统方法流程示意图；
其中，1.桩基；2.探测船；3.揽绳；301.白色防水涂料段；302.红色防水涂料段；4.指示器；5.重物；501.连接块；6.锥尖探针；7.冲刷坑；8.海底土体；9.水面；10.海床面；11.海床面水深；12.冲刷坑深度；13.缆绳下放长度；14.回填砂土；15.振冲打桩设备；16.绞吸船；17.钢板桩；18.运砂船；19.施工船；20.振冲高压桩；21.旋喷桩；22.压实土体；23.海底土体与回填土体交界面；24.绞吸头；25.输砂管道；26.吹砂导管；27.高压水泵；28.注浆管；29.旋转注浆设备。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1-图14所示，用于桩基1冲刷形态检测和治理加固的方法，包括如下步骤：
S1.利用冲刷坑形态监测设备探测冲刷坑形态，
在探测船2上，将带有重物5及锥尖探针6的缆绳3下放，当锥尖探针6触碰到海床表面土体时，探测船2上的指示器4灯亮，停止缆绳3下放并记录缆绳3长度，更换缆绳3下放地点并重复上述步骤，完成多次测量取点，计算冲刷坑深度12，进一步得到冲刷坑形态、深度和范围；其中缆绳3下放点环绕桩基1，各点形成以桩基1为中心的同心圆，同心圆的数量及直径根据工程实际设置，具体冲刷坑深度12的计算公式为：
冲刷坑深度12＝重物5及锥尖探针6长度+缆绳下放长度13-海底土面水深，
式中海底土面水深即为海床面水深11，通过查阅当地的地质资料获得，通过多次重复测点即得三维冲刷坑7形态；
S2.预算回填砂土14体积，
根部步骤S1得到的冲刷坑7形态，计算冲刷坑体积V’，并根据冲刷坑体积预算回填砂土14体积V，考虑到土体物理性质并为预留出土体沉降空间，回填砂土14应高于原海床平面，因此回填砂土14体积V＝1.3*V’；
不同形态冲刷坑的体积V’计算公式如下：
锥型冲刷坑体积为：
Figure BDA0003035321410000071
其中H为最大冲刷深度，R为最大冲刷坑半径，D为桩基1直径；
椭球型冲刷坑体积为：
Figure BDA0003035321410000072
其中H为最大冲刷深度，r1为冲刷坑半长，r2为冲刷坑半宽，D为桩基1直径；
圆台型冲刷坑体积为：
Figure BDA0003035321410000073
其中，H为最大冲刷深度，R为最大冲刷坑半径，r为最小冲刷坑半径，D为桩基1直径。
复合型冲刷坑近似为桩基1前后两个尺寸不同的半个圆台形冲刷坑结合在一起，因此，其体积为：
Figure BDA0003035321410000074
Figure BDA0003035321410000075
其中，H1、H2分别为桩前、桩后最大冲刷深度，R1、R2分别为桩前、桩后最大冲刷坑半径，r3、r4分别为桩前、桩后最小冲刷坑半径；
S3.砂土回填，
利用绞吸船16或运砂船18进行砂土回填；
当使用绞吸船16吸土回填时，在冲刷坑外围迎水侧4倍桩基1直径范围设置钢板桩17围挡，绞吸头24及泥泵切削海底泥砂并形成负压，吸管及输砂管道25将砂水混合物抽吸上来，经过加压泵增压，将泥砂输送到待吹填区域；泥砂从吹填导管吹出，自然沉淀固结，完成砂土回填作业；
当使用运砂船18投掷砂土回填时，在冲刷坑外围迎水侧4倍桩基1直径范围设置钢板桩17围挡，高压水泵27一端抽吸海水、另一端将运砂船18中的泥砂冲成泥浆，吸砂泵将泥浆吸到加压泵中，加压作用下通过吹砂导管26吹入待吹填区域，自然沉淀固结，完成砂土回填作业；
S4.设计桩位、数量和桩长，
采用先打振冲高压桩20、后高压旋喷注浆的方式对回填砂土14进行加固，防止回填砂土14在浪流的冲刷下发生二次流失，根据步骤S1中得到的冲刷坑的形态、深度和范围，按照经济、安全的原则对桩位、数量和桩长进行设计；
首先通过冲刷坑的俯视图判断冲刷坑形状轮廓(以下称冲刷坑轮廓)，如圆形、椭圆形、复合形或其他不规则形。
桩位排布采用以下方式：以桩基1中轴为轴心由内向外布设，振冲高压桩20桩位与旋喷桩21桩位交错排布，以桩基1中轴为轴心向外的冲刷坑轮廓上的一圈桩位称为一组桩位；
每组桩位中桩的数量布设采用如下方式：每组振冲高压桩20的桩位数量以每一桩的加固半径与相邻桩的加固半径重叠为要求，对于每一个桩来说，以加固半径为半径、以桩身长度为长度的圆柱体范围内的土体称为该桩所压实的土体；所有桩配合布设使各个桩所压实的土体相互重叠，所有桩压实的土体并集形成整个桩群的压实土体22；每组旋喷桩21插空布置于其内侧相邻组振冲高压桩20之间，桩位数量不做具体要求，以最大程度上满足抗冲性为宜；优选地：约取其内侧相邻组振冲高压桩20数即可；
桩长设计采用如下方式：每组振冲高压桩20均应贯穿回填砂土14和海底土，即振冲高压桩20长度需要竖直穿过海底土体与回填土体交界面23，贯穿长度应充分考虑抗冲标准；通常情况下的冲刷坑内侧深度大于外侧深度，由桩基1中轴向外、每组振冲高压桩20的桩长依次变短，桩长变化范围应视冲刷坑由内向外的变化程度决定；每组旋喷桩21的桩长应介于相邻的两组振冲高压桩20的桩长之间；
以锥形冲刷坑为例，
以桩基1中轴为轴心由内向外环形布设，振冲高压桩20桩位与旋喷桩21桩位交错排布，以桩基1中轴为轴心相同半径的一圈桩位称为一组桩位。
进一步地，所述振冲高压桩20桩径为D1，优选600mm-1500mm，桩间距优选1.2-1.5m，桩周土体振密影响范围4D1；所述旋喷桩21桩径注浆孔为D2，优选200mm-500mm，桩间距优选1.2-1.5m，成桩直径约4D2，
优选地，距离桩基1外径1m处首先布设第一组振冲高压桩20桩位，接着沿桩基1直径方向，与所述第一组振冲高压桩20桩位每间隔2m环形布设一组振冲高压桩20桩位，直至最后一组振冲高压桩20桩位将冲刷坑最大冲刷范围包围，即最后一组振冲高压桩20桩位到桩基1中心的距离r＞最大冲刷半径R，
进一步地，在相邻两组振冲高压桩20桩位中间布设旋喷桩21桩位；所述旋喷桩21桩位布设原则为以桩基1中轴为轴心环形布设，每一桩位与所述振冲高压桩20桩位交错布设；所述旋喷桩21可对地基进行补充加固，旋喷桩21与振冲高压桩20共同加固地基，达到加固效果最优化，
每一组振冲高压桩20的桩位数量，以每一桩的加固半径与相邻桩的加固半径相重叠为宜，并充分考虑工程实际情况，最大程度满足抗冲性；每组旋喷桩21插空布置于其内侧相邻组振冲高压桩20之间，桩位数量不做具体要求，以最大程度上满足抗冲性为宜；优选地：约取其内侧相邻组振冲高压桩20数即可；
桩长的布设优选采用如下方式：
每一组振冲高压桩20均应贯穿回填土和海底土，贯穿长度以满足的抗冲标准为宜；进一步地，由桩基1中轴向外，每一组振冲高压桩20的桩长依次变短；旋喷桩21桩长应介于相邻两组振冲高压桩20桩长之间，
所述实施例中桩基1直径为D，最大冲刷半径为R，最大冲刷深度为H，第一组振冲高压桩20的桩长h优选1.2H-1.5H，由桩基1中轴向外，桩长依次变短，最后一组振冲高压桩20桩长h优选3-5m，
进一步地，第一组旋喷桩21注浆设计深度介于第一组振冲高压桩20成桩深度与第二组振冲高压桩20成桩深度之间；类似的，第二组旋喷桩21注浆设计深度介于第二组振冲高压桩20成桩深度与第三组振冲高压桩20成桩深度之间；以此类推，最后一组旋喷桩21注浆设计深度优选3-5m。
S5.计算打桩、注浆耗材，
根据步骤S4计算得出的桩的桩位、数量和桩长，计算混凝土桩总耗材，根据预计耗材给出需要使用的砂、石和水泥的用量和配比；
振冲高压桩20选用自然级配的中粗砂，选取含泥量小于等于5％、粒径20mm～80mm的碎石为桩体材料，此状态的碎石咬合力大、形成的桩身强度高，振冲高压桩20材料的工程量具体由如下公式得到：
Figure BDA0003035321410000091
式中，V振为振冲灌注体积；d振为振冲孔的直径；h振为振冲孔的孔深；
旋喷桩21的注浆材料选用P.O.42.5水泥，具体配比为水灰比1:1～1.5:1，其固结体28天强度可达1～20MPa，旋喷桩21浆液材料的用量采用喷量法求得，具体公式如下：
Figure BDA0003035321410000092
式中，Q为旋喷桩21所需浆量，h喷为喷射长度(m)，v喷为提升速度(m/min)，q为单位时间注浆量(L/min)，β为浆液损失系数，取0.1～0.2，以上参数由工程实际情况确定；旋喷桩21的水泥浆液中掺入早强剂，早强剂为氯化钙或三乙醇胺，掺入量为水泥量的2％～4％，以提高固结体早期抗压强度；
S6.加固方案实施，
按照步骤S4计算的数据进行振冲高压桩20和旋喷桩21的施工，其中先进行振冲高压桩20的施工，待全部完成后再进行旋喷桩21的施工，两种桩的施工均依照“先中间后周边”的施工顺序进行，
振冲高压桩20的施工步骤如下：施工船19行驶到预定施工区域，下放振冲打桩设备15准备施工，将长护筒和限位器配重下放到海床面10指定桩位并插入到设计深度；利用长护筒和限位器保证投料的准确性和振冲的垂直度，将振冲器放入长护筒，并下降到指定深度；向长护筒内填砂土，随后开启振冲器分段振密回填土，填砂土时根据实际情况使用水泵、泥浆泵添加水、泥浆，每一段回填料振实后，进行依次长护筒及振冲器的上提，直至长护筒和振冲器离开海底土体8时关闭振冲器，即完成单根振冲高压桩20的施工；完成后将振冲打桩设备15移至下一桩位进行施工；施工过程中，在软弱海洋土地基中，采用间隔跳打的方式施工，有效减少对地基土的扰动；对第一组振冲高压桩20施工时，应加强安全意识，以免对桩基1造成破坏；
旋喷桩的施工步骤如下：施工船行驶到预定施工区域，下放注浆管28、旋转注浆设备29准备施工，将钻机及注浆管28下放到海床面指定桩位，钻机在桩位钻设注浆孔后，注浆管28沿打设好的孔洞伸入海底土体；一边利用注浆管28进行旋喷注浆一边提升注浆管28，直至注浆管28离开海底土体时停止注浆，即完成单根旋喷桩的施工；完成后将旋转注浆设备29移至下一桩位进行施工。
本发明还提供了步骤S1中使用的冲刷坑形态监测设备包括探测船2、缆绳3、锥尖探针6、重物5和指示器4，指示器4安装固定在探测船2上，重物5整体呈圆台形，重物5的顶端为截面相对较小的一端，锥尖探针6固定在重物5的顶端并与重物5整体呈圆锥形，锥尖探针6用于探测锥尖是否接触海床表面、并与指示器4通过无线电信号连接，重物5的底端固定有连接块501，缆绳3的一端与连接块501固定连接，另一端固定在探测船2上；缆绳3侧面涂有两色防水涂料，防水涂料的颜色包括红色和白色，且缆绳3侧面的红色防水涂料段302和白色防水涂料段301交替设置，红色、白色防水涂料段301的长度相等，通过水中红色防水涂料段302和白色防水涂料段301的数量能够快速得到水面9以下缆绳3的长度，即水下重物5的深度。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种用于桩基冲刷形态检测和治理加固的方法，其特征是，包括如下步骤：
S1.利用冲刷坑形态监测设备探测冲刷坑形态，在探测船上，将带有重物及锥尖探针的缆绳下放，当锥尖探针触碰到海床表面土体时，探测船上的指示器灯亮，停止缆绳下放并记录缆绳长度，更换缆绳下放地点并重复上述步骤，完成多次测量取点，计算冲刷坑深度，进一步得到冲刷坑形态、深度和范围；
S2.预算回填砂土体积，根部步骤S1得到的冲刷坑形态，计算冲刷坑体积V’，并根据冲刷坑体积预算回填砂土体积V，考虑到土体物理性质并为预留出土体沉降空间，回填砂土应高于原海床平面，因此回填砂土体积V＝1.3*V’；
S3.砂土回填，利用绞吸船或运砂船进行砂土回填；
S4.设计桩位、数量和桩长，采用先打振冲高压桩、后高压旋喷注浆的方式对回填砂土进行加固，防止回填砂土在浪流的冲刷下发生二次流失，根据步骤S1中得到的冲刷坑的形态、深度和范围，按照经济、安全的原则对桩位、数量和桩长进行设计；
S5.计算打桩、注浆耗材，根据步骤S4计算得出的桩的桩位、数量和桩长，计算混凝土桩总耗材，根据预计耗材给出需要使用的砂、石和水泥的用量和配比；
S6.加固方案实施，按照步骤S4计算的数据进行振冲高压桩和旋喷桩的施工，其中先进行振冲高压桩的施工，待全部完成后再进行旋喷桩的施工，两种桩的施工均依照“先中间后周边”的施工顺序进行。
2.如权利要求1所述的用于桩基冲刷形态检测和治理加固的方法，其特征是，所述步骤S1中，缆绳下放点环绕桩基，各点形成以桩基为中心的同心圆，同心圆的数量及直径根据工程实际设置，具体冲刷坑深度的计算公式为：
冲刷坑深度＝重物及探针长度+缆绳下放长度-海底土面水深，
式中海底土面水深即为海床面水深，通过查阅当地的地质资料获得，通过多次重复测点即得三维冲刷坑形态。
3.如权利要求1所述的用于桩基冲刷形态检测和治理加固的方法，其特征是，所述步骤S2中，不同形态冲刷坑的体积V’计算公式如下：
锥型冲刷坑体积为：
Figure FDA0003035321400000011
其中H为最大冲刷深度，R为最大冲刷坑半径，D为桩基直径；
椭球型冲刷坑体积为：
Figure FDA0003035321400000012
其中H为最大冲刷深度，r1为冲刷坑半长，r2为冲刷坑半宽，D为桩基直径；
圆台型冲刷坑体积为：
Figure FDA0003035321400000021
其中，H为最大冲刷深度，R为最大冲刷坑半径，r为最小冲刷坑半径，D为桩基直径；
复合型冲刷坑近似为桩基前后两个尺寸不同的半个圆台形冲刷坑结合在一起，因此，其体积为：
Figure FDA0003035321400000022
Figure FDA0003035321400000023
其中，H1、H2分别为桩前、桩后最大冲刷深度，R1、R2分别为桩前、桩后最大冲刷坑半径，r3、r4分别为桩前、桩后最小冲刷坑半径。
4.如权利要求1所述的用于桩基冲刷形态检测和治理加固的方法，其特征是，所述步骤S3中，
当使用绞吸船吸土回填时，在冲刷坑外围迎水侧4倍桩基直径范围设置钢板桩围挡，绞吸头及泥泵切削海底泥砂并形成负压，吸管及输砂管道将砂水混合物抽吸上来，经过加压泵增压，将泥砂输送到待吹填区域；泥砂从吹填导管吹出，自然沉淀固结，完成砂土回填作业；
当使用运砂船投掷砂土回填时，在冲刷坑外围迎水侧4倍桩基直径范围设置钢板桩围挡，高压水泵一端抽吸海水、另一端将运砂船中的泥砂冲成泥浆，吸砂泵将泥浆吸到加压泵中，加压作用下通过吹砂导管吹入待吹填区域，自然沉淀固结，完成砂土回填作业。
5.如权利要求1所述的用于桩基冲刷形态检测和治理加固的方法，其特征是，所述步骤S4中，参考步骤S1得到的冲刷坑形状轮廓确定桩位、数量和桩长，具体如下：
桩位排布采用以下方式：以桩基中轴为轴心由内向外布设，振冲高压桩桩位与旋喷桩桩位交错排布，以桩基中轴为轴心向外的冲刷坑轮廓上的一圈桩位称为一组桩位；
每组桩位中桩的数量布设采用如下方式：每组振冲高压桩的桩位数量以每一桩的加固半径与相邻桩的加固半径重叠为要求，对于每一个桩来说，以加固半径为半径、以桩身长度为长度的圆柱体范围内的土体称为该桩所压实的土体；所有桩配合布设使各个桩所压实的土体相互重叠，所有桩压实的土体并集形成整个桩群的压实土体；每组旋喷桩插空布置于其内侧相邻组振冲高压桩之间；
桩长设计采用如下方式：每组振冲高压桩均应贯穿回填砂土和海底土，即振冲高压桩长度需要竖直穿过海底土体与回填土体交界面，贯穿长度应充分考虑抗冲标准；通常情况下的冲刷坑内侧深度大于外侧深度，由桩基中轴向外、每组振冲高压桩的桩长依次变短，桩长变化范围应视冲刷坑由内向外的变化程度决定；每组旋喷桩的桩长应介于相邻的两组振冲高压桩的桩长之间。
6.如权利要求1所述的用于桩基冲刷形态检测和治理加固的方法，其特征是，所述步骤S5中，振冲高压桩选用自然级配的中粗砂，选取含泥量小于等于5％、粒径20mm～80mm的碎石为桩体材料，此状态的碎石咬合力大、形成的桩身强度高，振冲高压桩材料的工程量具体由如下公式得到：
Figure FDA0003035321400000031
式中，V振为振冲灌注体积；d振为振冲孔的直径；h振为振冲孔的孔深。
7.如权利要求1所述的用于桩基冲刷形态检测和治理加固的方法，其特征是，所述步骤S5中，旋喷桩的注浆材料选用P.O.42.5水泥，具体配比为水灰比1:1～1.5:1，其固结体28天强度可达1MPa～20MPa，旋喷桩浆液材料的用量采用喷量法求得，具体公式如下：
Figure FDA0003035321400000032
式中，Q为旋喷桩所需浆量，h喷为喷射长度(m)，v喷为提升速度(m/min)，q为单位时间注浆量(L/min)，β为浆液损失系数，取0.1～0.2，以上参数由工程实际情况确定，旋喷桩的水泥浆液中掺入早强剂，早强剂为氯化钙或三乙醇胺，掺入量为水泥量的2％～4％，以提高固结体早期抗压强度。
8.如权利要求1所述的用于桩基冲刷形态检测和治理加固的方法，其特征是，所述步骤S6中，振冲高压桩的施工步骤如下：
施工船行驶到预定施工区域，下放振冲打桩设备准备施工，将长护筒和限位器配重下放到海床面指定桩位并插入到设计深度；利用长护筒和限位器保证投料的准确性和振冲的垂直度，将振冲器放入长护筒，并下降到指定深度；向长护筒内填砂土，随后开启振冲器分段振密回填土，填砂土时根据实际情况使用水泵、泥浆泵添加水、泥浆，每一段回填料振实后，进行依次长护筒及振冲器的上提，直至长护筒和振冲器离开海底土体时关闭振冲器，即完成单根振冲高压桩的施工；完成后将振冲打桩设备移至下一桩位进行施工；
施工过程中，在软弱海洋土地基中，采用间隔跳打的方式施工，有效减少对地基土的扰动；对第一组振冲高压桩施工时，应加强安全意识，以免对桩基造成破坏。
9.如权利要求1所述的用于桩基冲刷形态检测和治理加固的方法，其特征是，所述步骤S6中，旋喷桩的施工步骤如下：
施工船行驶到预定施工区域，下放注浆管、旋转注浆设备准备施工，将钻机及注浆管下放到海床面指定桩位，钻机在桩位钻设注浆孔后，注浆管沿打设好的孔洞伸入海底土体；一边利用注浆管进行旋喷注浆一边提升注浆管，直至注浆管离开海底土体时停止注浆，即完成单根旋喷桩的施工；完成后将旋转注浆设备移至下一桩位进行施工。
10.如权利要求1所述的用于桩基冲刷形态检测和治理加固的方法，其特征是，所述步骤S1中使用的冲刷坑形态监测设备包括探测船、缆绳、锥尖探针、重物和指示器，指示器安装固定在探测船上，重物整体呈圆台形，重物的顶端为截面相对较小的一端，锥尖探针固定在重物的顶端并与重物整体呈圆锥形，锥尖探针用于探测锥尖是否接触海床表面、并与指示器通过无线电信号连接，重物的底端固定有连接块，缆绳的一端与连接块固定连接，另一端固定在探测船上；缆绳侧面涂有两色防水涂料，防水涂料的颜色包括红色和白色，且缆绳侧面的红色防水涂料段和白色防水涂料段交替设置，红色、白色防水涂料段的长度相等，通过水中红色防水涂料段和白色防水涂料段的数量能够快速得到水下缆绳的长度，即水下重物的深度。
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