CN113174991B - 一种海洋深水斜桩桩周地层塌陷注浆加固方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种海洋深水斜桩桩周地层塌陷注浆加固方法，采用桩内斜孔注浆与桩外斜孔注浆补强的手段，形成一体的新的复合地基来加固桩周土体，对海洋深水斜桩桩周地层塌陷治理效果质量显著，有效确保后续桩基施工安全顺利进行，大大减小工期及经济损失，也有效保障海洋深水斜桩基础的承载力及稳定性，杜绝安全隐患的发生。

Description

一种海洋深水斜桩桩周地层塌陷注浆加固方法
技术领域
本发明涉及工程施工技术领域，具体涉及一种海洋深水斜桩桩周地层塌陷注浆加固方法。
背景技术
海洋风电桩基础大都采用高性能的海工混凝土承台和钢管桩基础。钢管桩主要由钢护筒和位于钢护筒内的混凝土桩组成，以其足够大的承载力、相对简单的沉桩工艺、较小的排土量与良好的抗弯能力等优点，得到广泛应用。钢管桩基础常见基础形式有单桩与高桩承台。单桩基础技术较为成熟，缺点在于桩径大造价高，刚度较小，适应水深有限。高桩承台基础一般包含6-8根斜桩。
由于海洋作业环境恶劣、海底地形与岩层的复杂性，施工工艺以及管理因素的影响易造成深水桩基施工过程中发生周围地层发生软化松动塌陷而桩内漏砂现象，严重阻碍桩基础后续施工进度，也影响桩基后续施工安全，同时大大降低桩基的承载力，危及整个海洋风电场的正常安全运行，带来的风险损失将无比巨大。
目前国内沉陷地基处理技术针对海洋工程的研发与应用非常少，缺乏成熟可行的技术经验参考，尤其是海洋风电深水斜桩基础沉陷地层处理技术经验严重不足，较少的已往应用案例也只采用传统直桩的钻孔注浆等单一的整治措施，由于桩基是倾斜的，直桩的钻孔效率低，注浆效果差，施工周期长，对海上天气窗口期要求高，无法有效解决海洋地层塌陷问题，严重影响后续桩基施工和风电场运行的安全。
发明内容
本发明的目的在于克服现有海洋深水斜桩桩周地层塌陷治理效果差、无法满足后续施工及安全要求的缺陷，提供一种海洋深水斜桩桩周土塌陷注浆加固方法，通过对桩基塌陷区域进行桩内斜孔注浆与桩侧斜孔注浆，使桩外侧与周围的土体有效且充分固结成一个整体，确保桩基后续安全顺利施工，确保桩基承载力及稳定性满足设计要求。
为了实现本发明的上述目的，采用以下技术方案：
一种海洋深水斜桩桩周地层塌陷注浆加固结构，以斜桩基础为中心，采用环绕布置，在桩内及桩侧进行斜孔注浆，桩外注浆体之间相互咬合，桩内与桩外注浆体之间相互重叠交联，这样形成以桩内桩外为一体的新的复合地基来加固桩周土体，有效增强了海洋深水斜桩基础的安全性及稳定性。
一种海洋深水斜桩桩周地层塌陷注浆加固方法，包括以下步骤：
(1)处理前准备工作：对桩基分布范围内的地质勘探，处理前钻探取芯探摸，确定塌陷区域的情况后再进行布孔；
(2)加固方案设计：根据斜桩桩径、桩长、倾斜度、塌陷情况、地层条件以及注浆设备性能，设计斜桩加固处理方案，确定斜桩桩径、桩长、数量、倾斜度、水灰比等关键参数；
(3)桩孔定位放线：根据设计方案图纸在现场测设定出施工桩位；采用测量仪在已有夹桩钢架平台或临时搭设施工平台上测设放线定位出钻孔位置；
(4)桩内引孔注浆：在桩内平行钢管桩方向通过安置桩内导向定位装置引孔钻进，引桩内注浆斜孔，而后注浆管下放至孔内，进行桩端桩底注浆；
(5)设置桩侧定向导管：根据引孔孔径、水深、倾斜度、布孔位置等参数，平行斜桩基础方向制作安装斜向定向导管；
(6)桩侧引孔注浆：桩外侧平行钢管桩方向，布设钻机，沿着桩侧定向导管，钻设斜孔到设计深度；将注浆管下放到斜孔中进行注浆施工。
进一步地，步骤(6)中斜孔以斜桩为中心，环形布置。
进一步地，步骤(6)中注浆管为多根花管，采用多次注浆工艺灌注水泥浆，使桩与桩外土体固结成一个整体。
进一步地，步骤(4)桩内设置导向定位装置，使桩内注浆管的倾斜度保持与斜桩平行。
进一步地，步骤(4)桩内设置的导向定位装置是木质导向支架构件。
进一步地，所述步骤(4)桩内注浆管放置结束后，在桩顶安装桩帽密封，使桩内注浆更加密实凝固。
进一步地，步骤(5)中桩侧定向导管采用抱箍固定。进一步地，桩内斜孔注浆、桩侧斜孔注浆与钢管桩及其桩周土体结合，交联为一整体的复合地基加固结构。
综上所述，由于采取了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明提供一种海洋深水斜桩桩周地层塌陷注浆加固方法，在海洋深水环境下对成桩前的斜桩基础周围塌陷地层进行补强加固，有效确保桩基后续安全顺利施工，也可对已成桩的斜桩基础的塌陷区域进行加固，有效增强斜桩基础的承载力及稳定性。
2.采用本发明方法进行加固处理，充填钢管桩四周桩周土裂隙，桩内注浆与桩侧注浆填充液凝固后，改善桩周土体的刚性和强度，使岩土的变形受到约束，强化钢管桩与桩周土层的联结程度，从而达到桩外侧与周围的土体有效紧密固结成一个整体，大大提高桩周土的摩擦力，增强了海洋深水斜桩基础的稳定性。大大减小后续工期及工程经济损失，也有效杜绝后期运行安全隐患的发生。
附图说明
图1为实施例中海上风电斜桩桩周地基塌陷示意图。
图2为实施例中海上风电斜桩桩周塌陷地层注浆加固横断面示意图。
图3为实施例中海上风电斜桩桩周塌陷地层注浆加固前后纵断面示意图(左侧未加固，右侧加固)。
图4为本发明桩侧注浆下放钢花管示意图。
附图标记：1、斜桩(钢管桩)；21、桩内注浆斜孔；22、桩外注浆斜孔；210、桩内注浆体；220、桩外注浆体；30、桩侧定向导管；31、连接件(接扣)；32、抱箍；33、桩内导向定位装置；40、注浆花管；41、花眼；42、桩端面；11、中粗砂层；12、全风化花岗岩；13、砂土状强风化花岗岩；14、碎裂状强风化花岗岩；15、中风化花岗岩；16、塌陷区域；17、C40微膨胀混凝土；100、临时夹桩固定平台；101、平均海平面；102、平均海床面。
具体实施方式
结合附图，对本发明作详细说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
某地海洋风电场拟采用的基础形式为高桩承台基础(含打入摩擦桩基础、钻孔摩擦桩基础及嵌岩桩基基础)。基础设计使用年限为二十五年。高桩承台基础一般包含6-8根斜桩。
根据地勘资料显示，在钻进深度控制范围内，某地海洋风电场的海底地层结构包括有淤泥层、含泥细砂、粉细砂、粉质粘土、中粗砂层11、全风化花岗岩12、砂土状强风化花岗岩13、碎裂状强风化花岗岩14、中风化花岗岩15等。如图1所示，斜桩1基础周围土层松动造成塌陷。钢管桩1直径2.1米，该桩处水深约15米，在桩的南侧有直径约为3米深度3米以上的漏斗型塌陷区域16，通过钻探查明，在桩的四周泥面以下3-12米深度范围存在较多孔洞。
如图2和3所示，本实施例采用一种海洋深水斜桩桩周地层塌陷注浆加固结构，以斜桩1基础为中心，采用环绕布置，在桩内及桩侧进行斜孔注浆，桩外注浆体220之间相互咬合，桩内注浆体210与桩外注浆体220之间相互重叠交联，浆液通过渗入、填充、挤密、劈裂等作用与桩周土体结合，这样形成以桩内桩外为一体的新的复合地基来加固桩周土体，有效增强了海洋深水斜桩基础的安全性及稳定性。
本实施例中的海洋深水斜桩基塌陷注浆加固方法，包括以下步骤：
(1)处理前准备工作：对桩基分布范围内的地质勘探，处理前钻探取芯探摸，确定塌陷区域16的情况后再进行布孔。
(2)加固方案设计：根据斜桩桩径、桩长、倾斜度、塌陷情况、地层条件以及注浆设备性能，设计斜桩加固处理方案，确定斜桩桩径、桩长、数量、倾斜度、水灰比等关键参数。
(3)桩孔定位放线：根据设计方案图纸在现场测设定出施工桩位；采用测量仪在已有夹桩钢架平台100或临时搭设施工平台上测设放线定位出钻孔位置。
(4)桩内引孔注浆：在桩内平行钢管桩1方向通过安置桩内导向定位装置33(木质导向支架构件)引孔钻进，引桩内注浆斜孔21，而后注浆管下放至孔内，进行桩端桩底注浆。
在桩内引至少1个平行于桩身方向的桩内注浆斜孔21，为避免引孔触碰损伤钢管桩1内壁，钻孔布置为桩壁内侧0.3m-0.5m，桩内注浆斜孔21呈对称分布，孔径为110mm。钻孔位置与设计位置的偏差不宜大于10cm，桩内注浆斜孔21倾斜度不宜偏差1％。准确记录钻孔深度，并与沉桩记录报告比对。配置水灰比1:0.8的水泥浆进行桩端桩底注浆，填充桩内到一定高度(2.0m以上)。其目的是填充桩周空隙以及密封钢管斜桩1桩底，堵住桩底由于潮汐而引起海水的流动性，避免后续注浆时从桩内跑浆，影响后续搅拌桩和注浆的效果。同时使得桩端处桩内与桩外加固结构结合形成整体交叠结构。施工过程中如发现空隙太大需增加桩内注浆斜孔21数量，直至能保证灌满浆为止。
优选地，注浆前先安装桩帽，使桩内注浆更加密实凝固。
优选地，安装桩内导向定位装置33，使桩内注浆管的倾斜度保持与斜桩平行。本实施例中桩内导向定位装置33为木质导向支架板，导向支架板内开好至少1个桩内注浆斜孔21，注浆管穿过孔下放，下放至桩端面42位置后开钻引孔至桩端以下0.5m左右。桩端桩底注浆的目的一是以填充桩周空隙密封桩底，二是防止后续注浆时从桩内跑浆,同时使得桩端处桩内与桩外注浆加固结构结合形成整体基础结构。
(5)设置桩侧定向导管30：根据引孔孔径、水深、倾斜度、布孔位置等参数，平行斜桩1基础方向制作安装斜向桩侧定向导管30。
根据桩基的倾斜度调整好桩侧定向导管30的位置和倾斜度，使所设桩侧定向导管30与钢管斜桩保持平行。
本实施例中桩侧定向导管30采用抱箍32方式固定。在钢管桩1纵向上每间隔6m安装钢管环抱接扣，每个接扣上有6个桩侧定向导管30。所安装的桩侧定向导管30孔径100mm，中心距离管桩边0.4m。桩侧定向导管30与桩的倾斜度要一致，定向导管的内壁必须光滑。桩侧定向导管30穿过海床面插入泥面以下一定深度稳定为止，本工序安装较为困难，必要时应有潜水员配合安装。桩侧定向导管30也可采用其他安装方式，如滑轨、卡槽固定、套管安装等。注浆结束后，桩侧定向导管30可拆除重复利用。桩侧定向导管30的作用，一是对后续注浆作业给予稳定和保护，避免海水的浮力与冲刷对后续注浆造成施工困难；二是有效控制注浆的倾斜度与斜桩1保持平行，确保斜孔注浆作业。
而所设桩侧定向导管30与钢管斜桩1保持平行，是出于确保对钢管桩基础周围土体进行充分无空白区的加固处理；若采用传统的垂直直孔，一方面需按不同深度分层打孔加固增加引孔工作量，耗费周期长，另一方面不能确保钢管桩周围土体被充分加固，存在无法加固覆盖的空白区，也就无法保障加固处理的质量。
优选地，引孔过程中为了避免再次塌孔的影响，采用内套管跟进处理。
斜孔钻进是后续加固措施施工的前提基础和确保桩周地层塌陷加固充分的关键工序。
(6)桩侧引孔注浆：桩外侧平行钢管桩方向，布设钻机，沿着桩侧定向导管30，钻设斜孔到设计深度；将注浆管下放到桩外注浆斜孔22中进行注浆施工。
本实施例中桩侧注浆采用钻设斜孔，钻设后采用钢花管注浆工艺多次灌注水泥单浆进行加固。清理平台，调整好钻机的倾斜度(误差小于1.0％)，引平行于桩身方向的桩外注浆斜孔22。钻孔前调试搅拌机、泥浆泵，使设备运转正常。采用XY－300型钻机进行钻孔施工，采用泥浆护壁方法钻进，钻孔孔径为110mm。钻孔过程中记录好钻杆节数，保证钻孔深度的准确。并记录好有空隙的位置。图4为本发明桩侧注浆下放注浆花管40示意图。当钻到处理深度范围时，放慢速度，仔细观察钻进情况，如有没有漏浆、有无充填物(有必要可取岩心)等。注浆花管40安装原则：较为深度段全部安装注浆花管40(口径为50mm)，花管口放孔底和孔隙位置，管口并高出夹桩平台约30cm。本实施例中桩外注浆补强采用多次加压注浆，注浆前必须进行成孔清洗，以洗液变清为结束条件。
(7)移动至下一施工桩位重复以上步骤。检查空隙，探摸软弱位置。注浆完成后7-14天，按桩孔数抽查，进行抗压试验与标准贯入试验。经检测，桩周土填充密实、稳定，不漏水，起到了较好的加固效果。
本实施例中桩内注浆斜孔21或桩外注浆斜孔22的数量与斜桩塌陷区域范围相关，施工过程中根据实际情况进行调整，综合考虑斜桩承载力要求、变形控制及工程造价。如发现空隙太大需加密注浆孔，确保无空白未加固区域，目的是与钢管桩周土形成一个整体复合桩基础。
本实施例中，使用合格且抗腐蚀性较高的P.O.42.5水泥，并在使用前进行见证取样试验，待试验合格后方可使用，变质或硬化水泥严禁使用。施工期间采用水泥的浆液，水灰比0.8:1～1:1。为避免沉淀和堵管，采用先稀后浓、上稀下浓进行施工。
本发明通过上述施工步骤在海洋深水斜桩基塌陷区域16通过多种手段注浆加固，解决了施工振动造成土体松动流失而引发的桩基塌陷问题，桩周土体形成整体的新的复合地基，对海洋深水斜桩基塌陷治理效果显著，使后续海洋风电场桩基建设得以顺利进行。与传统的直孔治理方式相比，加固效果有保障。
本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，本发明的应用并不以上述为限，本领域的技术人员仍可能基于本发明的揭示而作各种不背离本发明创作精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为权利要求书所涵盖。

Claims (8)

1.一种海洋深水斜桩桩周地层塌陷注浆加固方法，所述斜桩为钢管桩基础，其特征在于，包括以下步骤：
(1)处理前准备工作：对桩基分布范围内的地质勘探，处理前钻探取芯探摸，确定塌陷区域的情况后再进行布孔；
(2)加固方案设计：根据斜桩桩径、桩长、倾斜度、塌陷情况、地层条件以及注浆设备性能，设计斜桩加固处理方案，确定斜桩桩径、桩长、数量、倾斜度、水灰比的关键参数；
(3)桩孔定位放线：根据设计方案图纸在现场测设定出施工桩位；采用测量仪在已有夹桩钢架平台或临时搭设施工平台上测设放线定位出钻孔位置；
(4)桩内引孔注浆：在桩内平行钢管桩方向通过安置桩内导向定位装置引孔钻进，引桩内注浆斜孔，而后注浆管下放至孔内，进行桩端桩底注浆；
(5)设置桩侧定向导管：根据引孔孔径、水深、倾斜度、布孔位置的参数，平行斜桩基础方向制作安装斜向定向导管；
(6)桩侧引孔注浆：桩外侧平行钢管桩方向，布设钻机，沿着桩侧定向导管，钻设斜孔到设计深度；将注浆管下放到斜孔中进行注浆施工。
2.根据权利要求1所述的一种海洋深水斜桩桩周地层塌陷注浆加固方法，其特征在于：步骤(6)中所述斜孔以斜桩为中心，环形布置。
3.根据权利要求1所述的一种海洋深水斜桩桩周地层塌陷注浆加固方法，其特征在于：步骤(6)中所述注浆管为多根花管，采用多次注浆工艺灌注水泥浆，使桩与桩外土体固结成一个整体。
4.根据权利要求1所述的一种海洋深水斜桩桩周地层塌陷注浆加固方法，其特征在于：所述步骤(4)桩内注浆管放置结束后，在桩顶安装桩帽密封，使桩内注浆更加密实凝固。
5.根据权利要求1所述的一种海洋深水斜桩桩周地层塌陷注浆加固方法，其特征在于：所述步骤(4)桩内设置导向定位装置，使桩内注浆管的倾斜度保持与斜桩平行。
6.根据权利要求5所述的一种海洋深水斜桩桩周地层塌陷注浆加固方法，其特征在于：所述导向定位装置是木质导向支架构件。
7.根据权利要求1或3所述的一种海洋深水斜桩桩周地层塌陷注浆加固方法，其特征在于：步骤(5)中所述桩侧定向导管采用抱箍固定。
8.根据权利要求1所述的一种海洋深水斜桩桩周地层塌陷注浆加固方法，其特征在于：桩内斜孔注浆、桩侧斜孔注浆与钢管桩及其桩周土体结合，交联为一整体的复合地基加固结构。
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