CN113863307B - 一种用于海洋大直径管桩安装中位置可调式溜桩控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于海洋大直径管桩安装中位置可调式溜桩控制装置，包括位置固定及调节系统和限流速度控制系统，限流速度控制系统包括内钢环，内钢环的顶部设有齿条齿轮传动机构，内钢环底部设有限流底板，内钢环上装配有外钢环，外钢环与内钢环之间设有球轴承，外钢环的底部固定有限流顶板；限流顶板和底板上分别设有限流孔。位置固定及调节系统包括设置在限流顶板上的多个液压千斤顶，每个液压千斤顶的伸出端均设有弧形防滑片，弧形防滑片的外弧面的曲率半径与大直径管桩内壁的半径一致。本发明可通过调节透水量大小来解决海洋管桩溜桩问题，结构设计灵活，可重复利用，实现在安全速度下贯入，节省打桩能量，具有极大的经济性。

Description

一种用于海洋大直径管桩安装中位置可调式溜桩控制装置

技术领域

本发明属于海洋工程中的桩基工程领域，涉及一种位置可调式海上大直径管桩溜桩控制装置，可预防溜桩带来的工程灾害。

背景技术

随着海洋能源开发逐渐向深海发展，大直径超长管桩在海洋工程中得到广泛应用。在打桩过程中遇到软弱土层时经常会产生溜桩问题，溜桩是指大直径管桩进入软弱土层时，在很少的锤击数下或是仅在桩和桩锤的自重作用下加速贯入海床的现象。突然发生溜桩会导致以下问题：(1)使桩锤快速下沉，导致钢丝绳拉断而脱垂，甚至发生人员伤亡事故；(2)当桩体溜至坚硬岩土层时，溜桩瞬间停止，过大的下沉惯性使桩体产生较大的反弹，导致过大的桩身拉应力，造成桩基破损、甚至断桩；(3)较大的溜桩速度使桩体穿越设计的持力层，导致承载力显著减小。以上问题严重影响了工程安全、质量和施工进度，造成巨大的经济损失。因此急需提出一种防止溜桩或控制桩体贯入速度的装置。

对于溜桩问题，目前实际工程中仅在桩体贯入到预测的溜桩位置前，通过降低锤击能量，控制沉桩速度，并且通过调节系锤缆绳拉力以防止缆绳拉断而脱垂。但是对于溜桩的防止和控制目前尚无行之有效的措施和方法。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提出一种海洋大直径管桩安装施工发生溜桩时用于防止溜桩或控制溜桩速度的止溜装置。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种用于海洋大直径管桩安装中位置可调式溜桩控制装置，包括位置固定及调节系统和限流速度控制系统。所述限流速度控制系统包括内钢环，所述内钢环的孔为中心透水孔，所述内钢环的顶部固定有外齿圈，所述内钢环的底部设有限流底板，所述内钢环上装配有外钢环，所述外钢环与所述内钢环之间设有球轴承，所述外钢环的底部固定有限流顶板；所述外钢环顶部设有动力系统安装板，所述动力系统安装板上安装有驱动装置，所述驱动装置的输出端带动一齿条，所述齿条与所述外齿圈啮合；所述限流顶板与所述限流底板的外径一致、且小于大直径管桩的内径；所述限流顶板上设有N个上限流孔，所述限流底板上设有N个下限流孔，N个下限流孔和N个上限流孔的布局、形状和大小均相同。所述位置固定及调节系统包括设置在所述动力系统安装板上的液压泵和设置在所述限流顶板上的N个按照周向均布的液压千斤顶，所述液压千斤顶与所述限流顶板之间设有支撑肋；所有液压千斤顶在所述液压泵的驱动下同步运动，所有液压千斤顶的伸/缩方向是所述限流顶板的径向，每个液压千斤顶的伸出端均设有弧形防滑片，所述弧形防滑片的外弧面的曲率半径与所述大直径管桩内壁的半径一致。

进一步讲，本发明所述的用于海洋大直径管桩安装中位置可调式溜桩控制装置，其中：

所述限流顶板和所述限流底板的外径均为D1，所述大直径管桩的内径为D2，D2-D1＝2-4mm。

所有的上限流孔与所有的液压千斤顶、所有的下限流孔与所有的液压千斤顶均呈间隔布置。

在所述液压泵的驱动下，所有液压千斤顶的伸出端同步伸出后，所有的弧形防滑片与所述大直径管桩的内壁顶紧，从而将溜桩控制装置与所述大直径管桩固定。

驱动所述驱动装置，依次通过所述齿条、外齿圈、内钢环将动力传递给所述限流底板，所述限流底板绕所述内钢环的轴线旋转，使得上限流孔相对下限流孔交错，通过调整上限流孔相对下限流孔的位置，用于控制溜桩控制装置的透水孔面积。

所述的溜桩控制装置的透水孔面积为A，所述中心透水孔的面积为A1，由所述上限流孔和下限流孔形成的透水面积为A2，A＝A1+A2，其中，0≤A2≤上限流孔的横截面积。

所述的溜桩控制装置的透水孔面积根据大直径管桩允许的最大贯入速度设计。

所述动力系统安装板上设有多个拉环。

N＝3～8。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明提供了一种解决海洋大直径管桩溜桩的控制装置，且该控制装置具有结构设计简单灵活，具有极大的经济性。

(2)可实现沿管桩内壁上下调节工作位置，防止与海床接触导致管桩无法安装。通过液压系统与桩壁固定，具有可回收和重复利用的优点，节约工程成本。

(3)该装置通过调节通水量可控制管桩发生溜桩时的贯入速度，节省了打桩能量，具有经济环保的优点。

(4)该装置可控制管桩发生溜桩时的贯入速度，防止速度过大而穿越设计的持力层。

附图说明

图1是本发明大直径管桩溜桩控制装置的安装示意图；

图2是本发明溜桩控制装置的三维示意图；

图3是图2所示溜桩控制装置的俯视图；

图4是图3所述溜桩控制装置的侧视图；

图5是图3所述溜桩控制装置的I-I剖面图；

图6是图3所示溜桩控制装置的仰视图。

图中：

10-大直径管桩 20-溜桩控制装置 1-限流顶板 11-上限流孔

2-内钢环 3-限流底板 31-下限流孔 4-中心透水孔

5-动力系统安装板 61-驱动装置 62-齿条 63-外齿圈

64-支座 71-弧形防滑片 72-液压千斤顶 73-支撑肋

81-拉环 82-缆绳 9-外钢环 91-球轴承

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

如图1所示，本发明提出的一种用于海洋大直径管桩安装中位置可调式的溜桩控制装置20，包括限流速度控制系统和位置固定及调节系统。

如图2至图5所示，所述限流速度控制系统包括内钢环2，所述内钢环2的孔为中心透水孔4。所述内钢环2的顶部固定有外齿圈63，所述内钢环2的底部设有限流底板3，所述内钢环2上装配有外钢环9，所述外钢环9与所述内钢环2之间设有球轴承91，如图5所示，通过球轴承91的两层滚动体实现外钢环9与内钢环2转动独立性。所述外钢环9上在两层滚动体中间设有挡板，所述内钢环2上在上层滚动体上部有挡板，都用于保持竖向相对位置的固定。所述外钢环9的底部固定有限流顶板1；所述外钢环9顶部设有动力系统安装板5，所述动力系统安装板5上安装有驱动装置61，所述驱动装置61的输出端带动一齿条62，所述齿条62与所述外齿圈63啮合；所述限流顶板1与所述限流底板3的外径一致均为D1、且小于大直径管桩10的内径D2，为了保证位置可调、透水孔可调式溜桩控制装置20与大直径管桩10内壁之间有可滑动的间隙，根据大直径管桩10内径确定位置可调、透水孔可调式溜桩控制装置20的直径，要求溜桩控制装置20的外径与大直径管桩10内径之间间隙为2-4mm，即D2-D1＝2-4mm。所述限流顶板1上设有N个上限流孔11，所述限流底板3上设有N个下限流孔31，N个下限流孔31和N个上限流孔11的布局、形状和大小均相同。本发明实施例中，N＝6。

如图2至图5所示，所述位置固定及调节系统包括设置在所述动力系统安装板5上的液压泵和设置在所述限流顶板1上的N个按照周向均布的液压千斤顶72，所述液压千斤顶72与所述限流顶板1之间设有支撑肋73；所有液压千斤顶72在所述液压泵的驱动下同步运动，所有液压千斤顶72的伸/缩方向是所述限流顶板1的径向，每个液压千斤顶72的伸出端均设有弧形防滑片71，所述弧形防滑片71的外弧面的曲率半径与所述大直径管桩10内壁的半径一致。

本发明中，所有的上限流孔11与所有的液压千斤顶72、所有的下限流孔31与所有的液压千斤顶72均呈间隔布置，如图3所示。

本发明中，所述的位置固定及调节系统用于固定和调节溜桩控制装置20与大直径管桩10的相对位置。通过液压千斤顶72施加弧形防滑片71与大直径管桩10内壁之间作用力将溜桩控制装置20固定于大直径管桩10内壁。其操作是，在所述液压泵的驱动下，所有液压千斤顶72的伸出端同步伸出后，所有的弧形防滑片71与所述大直径管桩10的内壁顶紧，从而将溜桩控制装置20与所述大直径管桩10固定。还有，通过减小液压千斤顶72的轴力，使弧形防滑片71与大直径管桩10内壁产生相对滑动，从而实现溜桩控制装置20与大直径管桩10相对位置的调整。

本发明中，所述限流速度控制系统中内钢环2与限流底板3连接一体，外钢环9与限流顶板1连接一体，通过驱动装置61带动齿条齿轮传动机构(齿条62和外齿圈63)使内钢环2转动，由于外钢环9不动，使得内外钢环相对转动，实现限流底板3与限流顶板1相对转动，通过调节上下限流孔31和31的相对位置控制所形成的透水孔面积，以此来控制透水量，最终实现大直径管桩10贯入速度的控制。本发明实现限流的过程就是控制大直径管桩10的实际透水面积，驱动所述驱动装置61，依次通过所述齿条62、外齿圈63、内钢环2将动力传递给所述限流底板3，所述限流底板3绕所述内钢环2的轴线旋转，使得上限流孔11相对下限流孔31交错，如图6所示，通过调整上限流孔11相对下限流孔31的位置，用于控制溜桩控制装置20的透水孔面积A，所述中心透水孔4的面积为A1，由所述上限流孔11和下限流孔31形成的透水面积为A2，溜桩控制装置20的透水孔面积A＝A1+A2，其中，0≤A2≤上限流孔11的横截面积。

本发明溜桩控制装置20的安装过程如下：

1、根据大直径管桩10的内径D2确定溜桩控制装置20的直径(即D1)，要求D2-D1＝2-4mm，以保证溜桩控制装置20与大直径管桩10内壁之间有可滑动的间隙。

2、如图1和图2所示，为了吊装，在溜桩控制装置20的动力系统安装板5上设有2-3个拉环81，将缆绳82系在拉环81上，通过缆绳82吊装安装溜桩控制装置20在大直径管桩10内指定位置，通过液压千斤顶72施加轴力，使弧形防滑片71在轴力作用下与大直径管桩10内壁产生足够大的抗滑动摩擦力，实现溜桩控制装置20位置的固定。

3、如图2至图5所示，根据大直径管桩10贯入速度控制值确定溜桩控制装置20的透水面积(即溜桩控制装置20的透水孔面积A)，透水孔面积A的调节通过驱动装置61，驱使内钢环2上的外齿圈63转动，实现限流底板3相对限流顶板1转动，调节透水孔面积A达到要求控制值，如图6所示。

4、当大直径管桩10贯入到溜桩控制装置20与海床接触的位置时，减小液压千斤顶72轴力，使弧形防滑板71与大直径管桩10内壁相对滑动，利用缆绳82将溜桩控制装置20提升到规定的位置。

重复之前的步骤2-4，实现整个打桩过程中的溜桩控制。打桩完成后，拆卸、回收溜桩控制装置20，实现重复利用。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种用于海洋大直径管桩安装中位置可调式溜桩控制装置，其特征在于：包括位置固定及调节系统和限流速度控制系统；

所述限流速度控制系统包括内钢环(2)，所述内钢环(2)的孔为中心透水孔(4)，所述内钢环(2)的顶部固定有外齿圈(63)，所述内钢环(2)的底部设有限流底板(3)，所述内钢环(2)上装配有外钢环(9)，所述外钢环(9)与所述内钢环(2)之间设有球轴承(91)，所述外钢环(9)的底部固定有限流顶板(1)；所述外钢环(9)顶部设有动力系统安装板(5)，所述动力系统安装板(5)上安装有驱动装置(61)，所述驱动装置(61)的输出端带动一齿条(62)，所述齿条(62)与所述外齿圈(63)啮合；所述限流顶板(1)与所述限流底板(3)的外径一致、且小于大直径管桩(10)的内径；所述限流顶板(1)上设有N个上限流孔(11)，所述限流底板(3)上设有N个下限流孔(31)，N个下限流孔(31)和N个上限流孔(11)的布局、形状和大小均相同；

所述位置固定及调节系统包括设置在所述动力系统安装板(5)上的液压泵和设置在所述限流顶板(1)上的N个按照周向均布的液压千斤顶(72)，所述液压千斤顶(72)与所述限流顶板(1)之间设有支撑肋(73)；所有液压千斤顶(72)在所述液压泵的驱动下同步运动，所有液压千斤顶(72)的伸/缩方向是所述限流顶板(1)的径向，每个液压千斤顶(72)的伸出端均设有弧形防滑片(71)，所述弧形防滑片(71)的外弧面的曲率半径与所述大直径管桩(10)内壁的半径一致。

2.根据权利要求1所述的用于海洋大直径管桩安装中位置可调式溜桩控制装置，其特征在于，所述限流顶板(1)和所述限流底板(3)的外径均为D1，所述大直径管桩(10)的内径为D2，D2-D1＝2-4mm。

3.根据权利要求1所述的用于海洋大直径管桩安装中位置可调式溜桩控制装置，其特征在于，所有的上限流孔(11)与所有的液压千斤顶(72)、所有的下限流孔(31)与所有的液压千斤顶(72)均呈间隔布置。

4.根据权利要求1所述的用于海洋大直径管桩安装中位置可调式溜桩控制装置，其特征在于，在所述液压泵的驱动下，所有液压千斤顶(72)的伸出端同步伸出后，所有的弧形防滑片(71)与所述大直径管桩(10)的内壁顶紧，从而将溜桩控制装置(20)与所述大直径管桩(10)固定。

5.根据权利要求1所述的用于海洋大直径管桩安装中位置可调式溜桩控制装置，其特征在于，驱动所述驱动装置(61)，依次通过所述齿条(62)、外齿圈(63)、内钢环(2)将动力传递给所述限流底板(3)，所述限流底板(3)绕所述内钢环(2)的轴线旋转，使得上限流孔(11)相对下限流孔(31)交错，通过调整上限流孔(11)相对下限流孔(31)的位置，用于控制溜桩控制装置的透水孔面积。

6.根据权利要求5所述的用于海洋大直径管桩安装中位置可调式溜桩控制装置，其特征在于，所述的溜桩控制装置(20)的透水孔面积为A，所述中心透水孔(4)的面积为A1，由所述上限流孔(11)和下限流孔(31)形成的透水面积为A2，A＝A1+A2，其中，0≤A2≤上限流孔(11)的横截面积。

7.根据权利要求6所述的用于海洋大直径管桩安装中位置可调式溜桩控制装置，其特征在于，所述的溜桩控制装置(20)的透水孔面积根据大直径管桩(10)允许的最大贯入速度设计。

8.根据权利要求1所述的用于海洋大直径管桩安装中位置可调式溜桩控制装置，其特征在于，所述动力系统安装板(5)上设有多个拉环(81)。

9.根据权利要求1至8任一所述的用于海洋大直径管桩安装中位置可调式溜桩控制装置，其特征在于，N＝3～8。

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