CN113279388A - 循环加泄压降水联合注浆的地基处理系统及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种循环加泄压降水联合注浆的地基处理系统及其施工方法，若干排水结构穿过地层至地下水位以下，排水结构为中空且底部有透水孔与地下水位相通，排水结构分为增压排水结构和负压排水结构；增压装置通过增压管路与各增压排水结构相连，负压装置通过负压管路与各负压排水结构相连，注浆装置通过注浆管路与增压排水结构和负压排水结构相连。本发明将增压、负压排水结构穿过软弱地基，通过循环充气增压和吸气负压提高排水固结效率，结合超级真空，即竖向排水系统深部开孔，利用地下水形成天然密封段，解决随深度真空度衰减问题；真空降水结合注浆、加筋强化地基土的承载能力，降低土体压缩性，进一步提高地基、基坑中软土加固处理效果。
Description
技术领域
本发明涉及软弱地基的处理，具体涉及到一种循环加泄压降水联合注浆的地基处理系统及其施工方法。
背景技术
在我国沿海地区广泛分布着软弱地基土，尤其是淤泥和淤泥质软土。该土具有含水率高，渗透性差，强度低的特点，在利用该地基之前需要对其进行地基处理。目前常采用排水固结、振密挤密、加筋土体等加固处理方法，各种常用地基处理方案单一使用，存在一些不足，比如石灰桩、旋喷桩、管桩法等造价较高、质量相对较难控制；真空预压法、堆载预压法工期相对较长，地基固结缓慢，存在额外设置竖向排水通道，负压沿着塑料排水板向深层地基土传递过程中沿程损失较快等问题。
在软弱地基土中进行深基坑开挖，引起坑内隆起、坑外地表沉降变形，而这些变形又有可能对周围环境产生不利影响和危害，工程中常采用压浆、旋喷注浆、搅拌桩或其他方法对地基掺入一定量的固化剂或使土体固结，但这些方法存在加固强度不足或施工工期相对较长等问题。
综上，在软土、填土等软弱地基中进行地基、基坑等加固处理，亟需提出一种施工快、效果好的地基处理方法。
发明内容
本发明旨在提出一种循环加泄压降水联合注浆的地基处理系统及其施工方法，通过增压充气压水和真空吸气排水，并在排水结构底部段开孔，控制地下水不低于开孔区域形成超级真空，提高降水效果；同时，排水结构兼做增压充气和真空吸气排水通道、并用于注浆形成加筋体，节约材料，明显改善地基处理效果。本发明具备地基处理效果好、施工周期短的特点，有利于在确保质量和工期的前提下实现投资效益优化。为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种循环加泄压降水系统，所述降水系统包含有若干排水结构，所述排水结构底部穿过地层至地下水位以下，所述降水系统包含有增压装置、负压装置和控制系统，增压装置、负压装置均与控制系统相连；
各所述排水结构的内部为中空且底部设有透水孔与所述地下水位相通，所述若干排水结构分为增压排水结构和负压排水结构；
所述增压装置通过增压管路与各所述增压排水结构相连，所述负压装置通过负压管路与各所述负压排水结构相连；
增压装置在各所述增压排水结构内充气形成正压促使地下水向周围的负压排水结构流动，负压装置在所述负压排水结构内形成负压使得外部地下水进入所述负压排水结构内部并抽出。
进一步的，所述增压排水结构和所述负压排水结构交错分布于地层。
进一步的，所述排水结构为复合结构的管桩，从内至外依次为内管材、透水材料、过滤材料，在所述内管材底部侧壁均匀开设有若干所述透水孔；
所述内管材的底端开口由底盖密封，在所述排水结构顶部设有密封结构，所述密封结构套置在内管材顶端外径上并与所述透水材料、所述过滤材料的上端面密封连接。
进一步的，所述内管材顶端通过变径接头与所述增压管路或者负压管路相连。
进一步的，所述降水系统还包括：
增压阀门，设置在增压装置和增压管路之间；
负压阀门，设置在负压装置和负压管路之间；
水位传感器，至少安装在所述负压排水结构的内部，用于监测地下水位高度；其中，
增压阀门、负压阀门、所述水位传感器均与控制系统相连，所述控制系统根据水位传感器监测的地下水位高度来控制增压装置及其增压阀门通过增压管路在增压排水结构内形成正压排水，和/或，控制负压装置及其负压阀门通过负压管路在负压排水结构内形成负压抽水。
一种基于上述系统降水联合注浆的地基处理系统，所述地基处理系统包括有注浆装置，所述注浆装置通过增压管路、负压管路分别与增压排水结构、负压排水结构相连，且注浆装置与增压管路、负压管路之间均设置有一注浆阀门，注浆装置、注浆阀门均与所述控制系统相连；
增压阀门或者负压阀门在开启状态下，两个所述注浆阀门均为保持关闭状态。
一种基于上述地基处理系统的施工方法，包括如下步骤：
S1：将若干增压排水结构和负压排水结构穿过地层至地下水位以下；
S2：同时开启增压装置及其增压阀门，并且同时开启负压装置及其负压阀门，增压装置在各所述增压排水结构内充气形成正压促使地下水向周围的负压排水结构流动，负压装置在所述负压排水结构内形成负压使得外部地下水进入所述负压排水结构内部并抽出；
S3：关闭负压装置及其负压阀门，停止在所述负压排水结构内形成负压，并继续保持所述增压排水结构内形成正压促使地下水向周围的负压排水结构流动，直至降水水位达到设计要求；
S4：保持增压装置及其增压阀门、负压装置及其负压阀门均为关闭状态，开启注浆装置及其注浆阀门对所述增压排水结构和所述负压排水结构内进行注浆作业；
其中，当负压排水结构内地下水位降低至临界水位时，进行步骤S3，当负压排水结构内地下水位恢复超过临界水位时，进行步骤S2。
进一步的，重复进行步骤S2～S3若干次至降水水位达到设计要求后，停止充气和抽水作业。
进一步的，步骤S4完成注浆作业后，继续进行如下步骤：
S5、在增压排水结构和负压排水结构顶部现浇或安放预制桩帽，待养护至规定龄期后铺设褥垫层并浇筑地坪。
本发明的技术优点如下：
1)将增压排水结构和负压排水结构穿过软弱地基，通过循环充气增压和吸气负压提高排水固结效率，结合超级真空，即竖向排水系统深部开孔，利用地下水形成天然密封段，解决随深度真空度衰减问题；
2)真空降水结合注浆、加筋强化地基土的承载能力，降低土体压缩性，进一步提高地基、基坑中软土加固处理效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种循环加泄压降水联合注浆的地基处理系统的连接示意图；
图2为单个排水结构的示意图；
图3-9为本发明施工方法的过程图，其中
图3为将排水结构增压排水结构+负压排水结构穿过地层至地下水位以下的截面图；
图4为一实施例中，增压排水结构和负压排水结构分布的俯视图；
图5为将排水结构通过管网和增压装置、负压装置、注浆装置连接后的示意图；
图6为充吸气联合降水的原理图；
图7为充气水位恢复的原理图；
图8为注浆作业的示意图；
图9为养护成桩的示意图。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
参照图1所示，本发明提供了一种循环加泄压降水系统，该降水系统包含有若干排水结构1，排水结构1底部穿过地层至地下水位以下，地基处理系统包含有增压装置3、负压装置4和控制系统5，增压装置3、负压装置4均与控制系统5相连。增压排水结构1-1和负压排水结构1-2的内部为中空且底部设有透水孔9与地下水位相通，若干排水结构分为增压排水结构1-1和负压排水结构1-2。其中，增压装置3通过增压管路2-2与各增压排水结构1-1相连，负压装置4通过负压管路2-1与各负压排水结构1-2相连。
在施工时，由控制系统5来控制增压装置3和负压装置4：利用增压装置3在各增压排水结构1-1内充气形成正压促使地下水从增压排水结构内1-1流出，并利用负压装置4在负压排水结构1-2内形成负压使得外部地下水进入负压排水结构内部并抽出，通过循环充气增压和吸气负压提高排水固结效率，结合超级真空，即竖向排水系统深部开孔，利用地下水形成天然密封段，解决随深度真空度衰减问题。
在实际应用中，增压排水结构1-1和负压排水结构1-2的排列方式有多种方式，例如交错分布、矩阵分布、圆周分布等。图4所示为本发明在一实施例中，增压排水结构1-1和负压排水结构1-2呈矩阵式交错分布于地层，任意一排/列相邻的两个增压排水结构1-1之间设有两个负压排水结构1-2，以保证降水过程中更加均匀。
在本发明一可选的实施例中，排水结构1为复合结构的管桩，从内至外依次为内管材13、透水材料14、过滤材料15，在内管材13底部侧壁均匀开设有若干透水孔9；排水结构的底端开口由底盖16密封，在排水结构顶部设有密封结构8，密封结构8套置在内管材13外径上并与透水材料14、过滤材料15的上端面密封接触。在一具体实施例中，内管材13为内壁有加强筋的高强PVC、钢材等材料构成的高强管，透水管材14为具有一定厚度及透水能力的塑料盲沟管、无砂管井。在透水管材14顶部设置密封结构8(橡胶密封圈)，防止管中气体通过端口与大气沟通。内管材13的底部管壁根据需加固地层在桩端以上0.5～4.5m范围内均匀开设透水孔9，透水孔9的直径为5～15mm，呈梅花形布置，间距0.3～0.6m。过滤材料15可以为包裹透水管材14外围和端部的土工编织布，可允许水和浆液通过，但防止土颗粒逆向进入厚壁透水管材14。在内管材13底部开口由底盖16(PVC材料)密封，使得外部水位只能通过过滤材料15、透水管材14进入内管材13内。
在增压管路2-2、负压管路2-1上分别设有若干三通，增压管路2-2上的三通分别与各增压排水结构1-1相连，负压管路2-1上的三通分别与各负压排水结构1-2相连。增压装置3与增压管路2-2之间设有增压阀门12-2，负压装置4与负压管路2-1之间设有负压阀门12-1。增压阀门12-2与负压阀门12-1均由控制系统5相连，并且增压阀门12-2与增压装置3同步开启和关闭，负压阀门12-1与负压装置4同步开启和关闭。
优选的，排水结构的内管材13顶部安装有一加强变径接头7，通过该加强变径接头7与在增压管路2-2、负压管路2-1相连，该加强变径接头7需要能同时满足充气压力、吸气负压、注浆压力要求，实现降水注浆共用。
在本发明一可选的实施例中，降水系统还包括有水位传感器10和控制系统5。水位传感器10安装在内管材13内壁上，用于监测地下水位的液位高度，优选的，水位传感器10置于负压排水结构1-2的内管材13内，采用有线/无线的方式将信号传输给控制系统5，控制系统5根据水位传感器10监测的地下水位高度来动态调节增压装置3及其增压阀门12-2、负压装置4及其负压阀门12-1的工作状态。
此外，本发明还提供了一种基于上述降水系统的地基处理系统，该地基处理系统包括有注浆装置6，注浆装置6通过增压管路2-2、负压管路2-1分别与增压排水结构1-1、负压排水结构1-2相连，且注浆装置6与增压管路2-2、负压管路2-1之间均设置有一注浆阀门11，注浆装置6、注浆阀门11均与控制系统5相连。当降水系统完成降水作业后，同时关闭增压装置3及其增压阀门12-2，负压装置4及其负压阀门12-1，随后开启注浆阀门11和注浆装置6，利用增压管路2-2、负压管路2-1对排水结构1(即所有的增压排水结构1-1+所有的负压排水结构1-2)内进行灌浆作业。需要说明的是，在两个注浆阀门11均保持关闭状态下方能开启增压阀门12-2或者负压阀门12-1。本发明在真空降水结合注浆、加筋强化地基土的承载能力，降低土体压缩性，进一步提高地基、基坑中软土加固处理效果。
下面对上述地基处理系统的施工方法进行进一步的说明。
准备工作，具体包括如下步骤：
S11、施工排水结构：将预制的若干增压排水结构1-1和负压排水结构1-2穿过软弱地基至地下水位以下，如图3-4所示。增压排水结构1-1和负压排水结构1-2可竖向或斜向设置，采用成孔、振动或静压等方式沉桩施工。为了简述方便，增压排水结构1-1和负压排水结构1-2下文统称为排水结构1。需要说明的是，当采用振动或静压方式沉桩时，在预制排水结构1外设外套钢管，端部设封板，当沉桩至设计标高后，拔出回收套管钢套管，重复排水结构的施工。
S12、装置连接：通过加强变径接头7、三通将增压排水结构1-1与增压管路2-2相连，以及将负压排水结构1-2与负压管路2-1相连。增压管路2-2与增压装置3相连，负压管路2-1与负压装置4相连，并且增压管路2-2、负压管路2-1分别通过注浆阀门11与注浆装置6相连。在连接增压装置3、负压装置4一侧的总管分别安装增压阀门12-2、负压阀门12-1。增压装置3、负压装置4、水位传感器10、注浆装置6及各个控制阀门(增压阀门12-2、负压阀门12-1、注浆阀门11)均接入控制系统5。如图5所示。
排水作业，具体包括如下步骤：
S2、充吸气联合降水：如图6所示，控制系统5关闭注浆阀门11，同时开启增压装置3及其增压阀门12-2，并且同时开启负压装置4及其负压阀门12-1，在确保增压和抽真空确保系统不漏气的前提下，随后保持增压装置3和负压装置4同时运行，增压装置3向增压排水结构1-1内充气促使地下水通过透水孔9排出向周围的负压排水结构1-2流动，在负压装置4吸气作用下在负压排水结构1-2内形成负压，在增压排水结构1-1内正压以及负压排水结构1-2内负压相结合的情况下促使地下水快速排出。
S3、充气水位恢复：当负压排水结构管内水位低于临界水位时，如图7所示，关闭负压装置4及其负压阀门12-1，停止在负压排水结构1-2内形成负压，并继续保持增压排水结构1-1内形成正压促使地下水从增压排水结构1-1内的透水孔9流出。
当负压排水结构1-2内地下水位降低至临界水位时，进行步骤S3，当负压排水结构1-2内地下水位恢复超过临界水位时，进行步骤S2。重复进行步骤S2～S3若干次至降水水位达到设计要求后，关闭增压装置3及其增压阀门12-2、负压装置4及其负压阀门12-1，以停止充气和抽水作业。
注浆作业，具体包括如下步骤：
S4、如图8所示，增压装置3及其增压阀门12-2、负压装置4及其负压阀门12-1均为关闭状态，打开注浆阀门11和注浆装置6，将水泥浆液注入增压排水结构1-1和负压排水结构1-2内，等泥浆充满各排水结构后，关闭注浆阀门11和注浆装置6。
养护成桩，具体包括如下步骤：
S6、如图9所示，注浆结束后可根据设计需要现浇或安放预制桩帽17、待养护至规定龄期后进行铺设褥垫层18浇筑地坪19等工艺。
以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (9)
1.一种循环加泄压降水系统，所述降水系统包含有若干排水结构(1)，所述排水结构(1)底部穿过地层至地下水位以下，其特征在于，所述降水系统包含有增压装置(3)、负压装置(4)和控制系统(5)，增压装置(3)、负压装置(4)均与控制系统(5)相连；
各所述排水结构(1)的内部为中空且底部设有透水孔(9)与所述地下水位相通，所述若干排水结构(1)分为增压排水结构(1-1)和负压排水结构(1-2)；
所述增压装置(3)通过增压管路(2-2)与各所述增压排水结构(1-1)相连，所述负压装置(4)通过负压管路(2-1)与各所述负压排水结构(1-2)相连；
增压装置(3)在各所述增压排水结构(1-1)内充气形成正压促使地下水向周围的负压排水结构(1-2)流动，负压装置(4)在所述负压排水结构(1-2)内形成负压使得外部地下水进入所述负压排水结构(1-2)内部并抽出。
2.如权利要求1所述的降水系统，其特征在于，所述增压排水结构(1-1)和所述负压排水结构(1-2)交错分布于地层。
3.如权利要求1所述的降水系统，其特征在于，所述排水结构为复合结构的管桩，从内至外依次为内管材(13)、透水材料(14)、过滤材料(15)，在所述内管材(13)底部侧壁均匀开设有若干所述透水孔(9)；
所述内管材(13)的底端开口由底盖(16)密封，在所述排水结构顶部设有密封结构(8)，所述密封结构(8)套置在内管材(13)顶端外径上并与所述透水材料(14)、所述过滤材料(15)的上端面密封连接。
4.如权利要求3所述的降水系统，其特征在于，所述内管材(13)顶端通过变径接头与所述增压管路(2-2)或者负压管路(2-1)相连。
5.如权利要求1所述的降水系统，其特征在于，所述降水系统还包括：
增压阀门(12-2)，设置在增压装置(3)和增压管路(2-2)之间；
负压阀门(12-1)，设置在负压装置(4)和负压管路(2-1)之间；
水位传感器(10)，至少安装在所述负压排水结构(1-2)的内部，用于监测地下水位高度；其中，
增压阀门(12-2)、负压阀门(12-1)、所述水位传感器(10)均与控制系统(5)相连，所述控制系统(5)根据水位传感器(10)监测的地下水位高度来控制增压装置(3)及其增压阀门(12-2)通过增压管路(2-2)在增压排水结构(1-1)内形成正压排水，和/或，控制负压装置(4)及其负压阀门(12-1)通过负压管路(2-1)在负压排水结构(1-2)内形成负压抽水。
6.一种基于权利要求5所述降水系统的地基处理系统，其特征在于，所述地基处理系统包括有注浆装置(6)，所述注浆装置(6)通过增压管路(2-2)、负压管路(2-1)分别与增压排水结构(1-1)、负压排水结构(1-2)相连，且注浆装置(6)与增压管路(2-2)、负压管路(2-1)之间均设置有一注浆阀门(11)，注浆装置(6)、注浆阀门(11)均与所述控制系统(5)相连；
增压阀门(12-2)或者负压阀门(12-1)在开启状态下，两个所述注浆阀门(11)均为保持关闭状态。
7.一种基于权利要求6所述地基处理系统的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将若干增压排水结构(1-1)和负压排水结构(1-2)穿过地层至地下水位以下；
S2：同时开启增压装置(3)及其增压阀门(12-2)，并且同时开启负压装置(4)及其负压阀门(12-1)，增压装置(3)在各所述增压排水结构(1-1)内充气形成正压促使地下水向周围的负压排水结构(1-2)流动，负压装置(4)在所述负压排水结构(1-2)内形成负压使得外部地下水进入所述负压排水结构(1-2)内部并抽出；
S3：关闭负压装置(4)及其负压阀门(12-1)，停止在所述负压排水结构(1-2)内形成负压，并继续保持所述增压排水结构(1-1)内形成正压促使地下水向周围的负压排水结构(1-2)流动，直至降水水位达到设计要求；
S4：保持增压装置(3)及其增压阀门(12-2)、负压装置(4)及其负压阀门(12-1)均为关闭状态，开启注浆装置(6)及其注浆阀门(11)对所述增压排水结构(1-1)和所述负压排水结构(1-2)内进行注浆作业；
其中，当负压排水结构(1-2)内地下水位降低至临界水位时，进行步骤S3，当负压排水结构(1-2)内地下水位恢复超过临界水位时，进行步骤S2。
8.如权利要求7所述的施工方法，其特征在于，重复进行步骤S2～S3若干次至降水水位达到设计要求后，停止充气和抽水作业。
9.如权利要求7所述的施工方法，其特征在于，步骤S4完成注浆作业后，继续进行如下步骤：
S5、在增压排水结构(1-1)和负压排水结构(1-2)顶部现浇或安放预制桩帽(17)，待养护至规定龄期后铺设褥垫层(18)并浇筑地坪(19)。
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