CN116289866B - 深层振动密实加固吹填土地基的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种深层振动密实加固吹填土地基的装置及方法，包括空气压缩机、抽水泵、振动锤、振动杆和导向架；所述振动杆包括杆体和翼边，所述翼边等角度的围绕杆体固定，所述杆体的内部设置有长度方向延伸且底部封闭的通孔，所述杆体的外表面均匀的设置有与所述通孔贯通的穿孔，所述通孔的顶端分别通过软管连通抽水泵和空气压缩机，以使所述穿孔可切换的作为抽水孔和注气孔，通过留振共振、喷气和抽水彼此结合的形式，解决吹填土地基密实过程中的排水问题，加速排水固结过程，提升密实效果和效率。
Description
技术领域
本发明涉及吹填土地基处理技术领域，具体的说，涉及了一种深层振动密实加固吹填土地基的装置及方法。
背景技术
吹填造陆是解决沿海沿江城市土地资源短缺的重要措施。传统吹填法是指用挖泥船将水底的泥沙、砂砾和珊瑚礁石等挖出并加工成泥浆，通过管线排放到近海或沿江洼地形成吹填土地基。吹填土具有天然含水量高、孔隙比大、压缩性高、强度低等特性，作为天然地基使用时难以满足地基承载力要求，需要土体排出部分孔隙水以后达到预定工程特性方可使用。
然而吹填土通常包含粉质黏土、黏土以及淤泥等细颗粒土，由于细颗粒土的渗透性差，固结缓慢，自然静置脱水耗时较长，延缓了施工进度，必须对其进行加固处理以满足后续建设需要。
常用的吹填土地基处理方法有真空预压法和强夯法，这些方法都有其各自的适用范围和优势，以及一定的局限性。真空预压法主要采用塑料排水板联合真空预压达到排水目的，但是排水板的弯折不仅导致加固后期固结缓慢，加固处理时间长，而且影响真空度向深部土层传递，深部土层加固效果不佳，另外排水板弯折后同一水平面真空度分布不均匀，易使地基产生不均匀沉降。强夯法施工产生的振动和噪音对周边环境和建筑物造成影响，容易使饱和软土产生弹簧土，而且对于深层厚层的淤泥质黏土和粉质黏土地基处理效果不佳。
由于工法特点和吹填土特性，上述方法存在步骤复杂、造价高昂和工期漫长等缺点，此外还面临施工机械设备和材料运输困难的问题，导致吹填土地基处理效率低下。现阶段吹填土地基处理方法还有换土垫层法和化学加固法，换土垫层法只适用在淤泥和淤泥质土等浅层吹填土地基、建筑物上部荷载较小的情况，且费时费力。化学加固法大量使用固化材料，施工成本高昂，而且固化材料容易污染地下水。
因此一种工艺简单、施工便捷、经济效益好且加固效果良好，能适用于超软弱和深层吹填土地基的加固方法有待提出。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种适用于超软弱和深层吹填土地基、加固效果好、施工便捷的深层振动密实加固吹填土地基的装置及方法。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种深层振动密实加固吹填土地基的装置，包括空气压缩机、抽水泵、振动锤、振动杆和导向架；
所述振动杆包括杆体和翼边，所述翼边等角度的围绕杆体固定，所述杆体的内部设置有长度方向延伸且底部封闭的通孔，所述杆体的外表面均匀的设置有与所述通孔贯通的穿孔，所述通孔的顶端分别通过软管连通抽水泵和空气压缩机，以使所述穿孔可切换的作为抽水孔和注气孔；
所述振动锤连接振动杆以驱动振动杆的振动；
所述导向架用于控制振动杆的工作方位。
基上所述，所述穿孔处安装有滤网。
基上所述，所述翼边的数量为四个，所述振动杆的横截面形状为不规则的X形或十字形。
基上所述，还包括行走装置，所述空气压缩机、抽水泵、振动锤、振动杆和导向架均集成于所述行走装置上，所述导向架安装于行走装置上，所述振动锤为液压振动锤，所述行走装置上相应配置有液压站，所述振动锤通过提吊钢绳悬垂于导向架上，所述振动杆安装于振动锤的下端。
基上所述，所述行走装置为履带吊车或迈步式液压车或工程车。
基上所述，所述导向架的下方安装有用于调整振动杆垂直度的液压千斤顶。
一种深层振动密实加固吹填土地基的方法，包括以下步骤：
步骤1)放线，确定振点位置并标定，控制行走装置携带振动杆到达指定位置，调整导向架的位置和提吊钢绳，使振动杆对准待加工孔位并保持垂直度；
步骤2)振动下沉：启动振动锤，释放提吊钢绳，调节振动锤的振动频率，使振动杆在30Hz-50Hz的高频竖向振动作用下，沿导向架沉入土层，直到设计深度；
步骤3)底部留振：待振动杆下沉至设计深度时，调整振动锤的振动频率至振动杆-土系统的共振频率，与此同时，打开空气压缩机向振动杆的通孔中注入高压气体，高压气体从振动杆外表面均匀分布的穿孔处向土层喷射高压气体，使土层产生裂隙，同时形成吹填土共振密实区，保持设定时间后停止振动和喷气，打开抽水泵通过振动杆的通孔和所述穿孔将土中的水排出，加快由振动产生的超孔隙水压力的消散；运行设定次此循环操作至留振结束；
步骤4)振动提升：留振结束后停止抽水和喷气，调节振动锤的振动频率，提升提吊钢绳，使振动杆在30Hz-50Hz的高频竖向振动作用下逐渐提升至地面；
步骤5)按照步骤2)-步骤4)的工序依次对振点进行施工，直到所有振点处理完毕，在相邻振点间形成共振密实叠加区；
步骤6)待全部振点处理完毕后，静置设定时长，通过振动形成的振孔对场地进行抽水处理，用振动压路机对现场表层土进行压实整平，对地面凹陷严重的区域就近取土振动碾压密实至与地面平行。
基上所述，步骤3)中，所述的振动杆-土系统的共振频率通过以下两个公式其中之一计算得到：
公式一：
公式二：
其中，减振横梁质量mib、振杆和激振器质量mdyn、提吊钢绳刚度kl、减振弹簧刚度ki、土体刚度ks、提吊钢绳阻尼dl、减振弹簧阻尼di、土体阻尼ds。
基上所述，步骤3)中，留振时间不少于10min，步骤4)中，所述提升速度小于等于4m/min。
基上所述，所述空气压缩机提供的喷气压力为0Mpa-2Mpa。
本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，本发明具有以下优点：
1.通过高频振动的方式将振动杆快速沉入土体的设定深度后，将液压振动锤的振动频率调节至振动杆-土系统共振频率进行留振，此时由于振动杆和土体之间位移差减小，与土体同步振动，振动杆和土体之间的摩擦力增大，两者同步共振的振动被放大，然后利用沿振动杆轴柱状向外传播的垂直剪切波将振动能量最佳的传递至周围吹填土，土体在振动能量的输入下发生液化，土粒重新排列、固结密实，同时振动杆也产生水平压缩波挤压密实周围土体，形成吹填土共振密实区。
2.由于细粒土的低渗透性会阻碍振动过程中孔隙水的排出，从而影响深层共振密实加固效果。为解决该问题，在振动杆上设置通孔和穿孔，并连接外部的空气压缩机和抽水泵。在共振过程中，采用一边振动一边向土层喷射高压气体方式，相对于普通喷气方式此方法可利用振动能量增大土层裂隙形成的水平向排水通道的宽度及长度，加快振动引起的超静孔隙水压力消散；然后利用抽水泵从振动杆空心通孔与喷气形成的土层裂隙组成的水平和竖向排水通道抽出土中水。此外，振动杆形成的振孔也可以作为竖向排水通道，加速挤压和振动作用产生的超孔隙水压力消散。
3.本发明在振杆密实过程中，吹填土地基会发生复杂的应力条件改变。首先振动杆会产生沿杆长柱状向外传播的剪切波，导致土层垂直应力条件发生变化，引起土颗粒竖直方向的循环剪切变形和位移；同时振动杆与土的摩擦作用会产生水平压缩波并向周围传播，使土层水平应力增加进而挤压密实；高压喷气所产生的循环剪切和渗流作用破坏土体结构进而挤压土体，循环剪切显著增加土层水平应力从而提高土体密实度，也能增大土体振动响应来促进土颗粒重新排列；同时气体在与土体内部压力差作用下向土体内部发生渗流并形成裂隙，提供水平方向的排水通道。本发明结合两者的作用原理选择采用振动和喷气相结合的方式较单一振动条件能够显著增加土体水平应力及土颗粒振动速度，促进土体密实及超孔隙水压力消散。
4.本发明采用的排水方式可利用抽水泵使振动杆空心通孔内形成低压区，促使周围土体的孔隙水经土层裂隙流向振动杆空心通孔，同时也可利用振动杆空心通孔上的穿孔对不同深度土层进行排水固结。有效的解决了真空预压等吹填土地基传统排水方法由于真空度或上覆预压力随深度增加而衰减引起的深层排水效果不佳问题，且适合大面积吹填土地基排水固结，成本低、效率高、施工工艺简单。
5.该深层振动密实加固吹填土地基的装置及方法，充分利用振动杆的通孔作用，使振动杆通孔既可以向土层喷射高压气体，又能及时抽出土中水，有效避免了传统方法处理深层吹填土地基需要布设排水板以及排水板弯折影响加固效果等问题，简化了施工程序，节约施工成本。
总之，本发明针对吹填土的密实作业具有较强的针对性，能够显著提升吹填土密实作业的效果和效率，且施工工序简便，具有较好的经济优势和推广前景。
附图说明
图1是本发明中深层振动密实加固吹填土地基的装置的结构示意图。
图2是本发明中加固深层吹填土地基中共振密实区、相邻振点间共振密实叠加区、土层裂隙分布图。
图中：1.抽水泵；2.空气压缩机；3.排水软管；4.输气软管；5.注气口；6.抽水口；7.吊臂；8.导向架；9.振动锤；10.振动杆；11.通孔；12.穿孔；13.液压千斤顶；14.提吊钢绳；15.可伸缩横撑；16.伸缩钢绳；17.液压站；18.共振密实区；19.土层裂隙；20.共振密实叠加区；21.振孔。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
如图1所示，一种深层振动密实加固吹填土地基的装置，包括履带吊车、空气压缩机2、抽水泵1、振动锤9、液压站17、振动杆10和导向架8。
所述振动杆10包括杆体和翼边，振动杆是具有特殊截面的实体锰钢结构，所述翼边等角度的围绕杆体固定，所述翼边的数量为四个，所述振动杆的横截面形状为不规则的X形或十字形。
所述杆体的内部设置有长度方向延伸且底部封闭的通孔11，所述杆体的外表面均匀的设置有与所述通孔11贯通的穿孔12，所述通孔11的顶端分别通过软管连通抽水泵1和空气压缩机2，以使所述穿孔12可切换的作为抽水孔和注气孔。
其中，空气压缩机能够提供0-2Mpa的喷气压力。
所述振动锤9通过提吊钢绳14悬垂于导向架8上，所述振动杆10安装于振动锤9的下端，提吊钢绳14的另一端安装在履带吊车上并由履带吊车上进行提拉控制，振动锤9通过车载液压站17实现频率的可变调节，能够覆盖工作所需要的高频(30Hz-50Hz)和共振频率(15Hz-20Hz)，达到沉拔杆效率和共振密实效果的最优化。
所述导向架8用于控制振动杆10的工作方位，导向架8竖向布置，并通过吊臂7和车头前的可伸缩横撑15与履带吊车连接，吊臂7可沿导向架8滑动，并通过可伸缩钢绳16实现旋转，联合可伸缩横撑15调节导向架8与吊车的远近，导向架8的下方安装用于调整振动杆垂直度的液压千斤顶13。
其中，履带吊车可以根据实际工况环境替换为迈步式液压车或工程车。
如图2所示，通过以下步骤对吹填土的地基进行密实作业：
首先，在施工前，需做施工准备工作，对场地进行平整，清除较为突出的障碍物，然后开始施工。
步骤1)根据设计图纸在平整好的施工场地放出点位，并用竹签或木桩标定，控制履带吊车携带振动杆10到达指定位置，先伸缩可伸缩横撑15，然后通过控制伸缩钢绳16、旋转吊臂7并使其沿导向架8滑动，调整导向架8与履带车的距离，使振动杆10精确对准待加固孔位，调整液压千斤顶13，确保振动杆10的垂直度。
步骤2)振动下沉：启动振动锤，释放提吊钢绳14，调节振动锤9的振动频率，工作的高频振动范围为30Hz-50Hz，本实施例中采用40Hz，使振动杆10在高频竖向振动作用下，沿导向架8沉入土层，直到设计深度。
步骤3)底部留振：待振动杆10下沉至设计深度以后，调整振动锤的振动频率至振动杆-土系统的共振频率，计算所得的共振频率范围为15Hz-20Hz，本实施例中采用16Hz，振动杆留振时间设定为10min，其中，振动过程中的单次喷气和抽水的时间分别为2min，共计实现5次循环，获得共振密实区18。
其中，振动杆-土系统的共振频率通过以下两个公式之一计算得到：
公式一：
公式二：
其中，减振横梁质量mib、振杆和激振器质量mdyn、提吊钢绳刚度kl、减振弹簧刚度ki、土体刚度ks、提吊钢绳阻尼dl、减振弹簧阻尼di、土体阻尼ds。
一般情况下，公式一为精度更高的计算公式，用于设计人员在高精度需求下使用；公式二为简化公式，方便施工人员在施工过程中运算。
喷气和抽水的过程包括：打开空气压缩机2，通过输气软管4和注气口5向振动杆10的通孔11中注入高压气体，高压气体从振动杆外表面均匀分布的穿孔12处向土层喷射0Mpa-2Mpa的高压气体，本实施例中采用0.8Mpa，使土层产生土层裂隙19，保持2min后停止振动和喷气，打开抽水泵1，通过排水软管3和抽水口6连通振动杆10的通孔11，从带有滤网的穿孔12处将土中的水抽走，加快由振动产生的超孔隙水压力的消散；运行5次此循环操作至留振结束。
步骤4)振动提升：留振结束后停止抽水和喷气，调节振动锤9的振动频率，提升提吊钢绳14，使振动杆10在30Hz-50Hz的高频竖向振动作用下，以小于等于4m/min的速度提升，本实施例中，提升速度设置为3.8m/min，逐渐提升至地面。
步骤5)按照步骤2)-步骤4)的工序依次对各个振点进行施工，直到所有振点处理完毕，在相邻振点间形成共振密实叠加区20，本实施例中，相邻振点的间距设置为1.8m。
步骤6)待全部振点处理完毕后，静置24h，通过振动形成的振孔21对场地进行抽水处理，用振动压路机对现场表层土进行压实整平，对地面凹陷严重的区域就近取土振动碾压密实至与地面平行。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (9)
1.一种深层振动密实加固吹填土地基的方法，其特征在于：通过以下步骤执行：
步骤1)放线，确定振点位置并标定，控制行走装置携带振动杆到达指定位置，调整导向架的位置和提吊钢绳，使振动杆对准待加工孔位并保持垂直度；
步骤2)振动下沉：启动振动锤，释放提吊钢绳，调节振动锤的振动频率，使振动杆在30Hz-50Hz的高频竖向振动作用下，沿导向架沉入土层，直到设计深度；
步骤3)底部留振：待振动杆下沉至设计深度时，调整振动锤的振动频率至振动杆-土系统的共振频率，与此同时，打开空气压缩机向振动杆的通孔中注入高压气体，高压气体从振动杆外表面均匀分布的穿孔处向土层喷射高压气体，使土层产生裂隙，同时形成吹填土共振密实区，保持设定时间后停止振动和喷气，打开抽水泵通过振动杆的通孔和所述穿孔将土中的水排出，加快由振动产生的超孔隙水压力的消散；运行设定次此循环操作至留振结束；
振动杆-土系统的共振频率通过以下公式计算得到：
其中，振杆和激振器质量mdyn、提吊钢绳刚度kl、土体刚度ks、提吊钢绳阻尼dl、土体阻尼ds；
步骤4)振动提升：留振结束后停止抽水和喷气，调节振动锤的振动频率，提升提吊钢绳，使振动杆在30Hz-50Hz的高频竖向振动作用下逐渐提升至地面；
步骤5)按照步骤2)-步骤4)的工序依次对振点进行施工，直到所有振点处理完毕，在相邻振点间形成共振密实叠加区；
步骤6)待全部振点处理完毕后，静置设定时长，通过振动形成的振孔对场地进行抽水处理，用振动压路机对现场表层土进行压实整平，对地面凹陷严重的区域就近取土振动碾压密实至与地面平行。
2.根据权利要求1所述的深层振动密实加固吹填土地基的方法，其特征在于：步骤3)中，所述的振动杆-土系统的共振频率通过以下公式计算得到：
其中，减振横梁质量mib、振杆和激振器质量mdyn、提吊钢绳刚度kl、减振弹簧刚度ki、土体刚度ks、提吊钢绳阻尼dl、减振弹簧阻尼di、土体阻尼ds。
3.根据权利要求1或2所述的深层振动密实加固吹填土地基的方法，其特征在于：步骤3)中，留振时间不少于10min，步骤4)中，所述提升速度小于等于4m/min，所述空气压缩机提供的喷气压力为0Mpa-2Mpa，所述的振动杆-土系统的共振频率为15Hz-20Hz。
4.一种深层振动密实加固吹填土地基的装置，其特征在于：用于实施权利要求1-3任一项所述的深层振动密实加固吹填土地基的方法，包括空气压缩机、抽水泵、振动锤、振动杆和导向架；
所述振动杆包括杆体和翼边，所述翼边等角度的围绕杆体固定，所述杆体的内部设置有长度方向延伸且底部封闭的通孔，所述杆体的外表面均匀的设置有与所述通孔贯通的穿孔，所述通孔的顶端分别通过软管连通抽水泵和空气压缩机，以使所述穿孔可切换的作为抽水孔和注气孔；
所述振动锤连接振动杆以驱动振动杆的振动；
所述导向架用于控制振动杆的工作方位。
5.根据权利要求4所述的深层振动密实加固吹填土地基的装置，其特征在于：所述穿孔处安装有滤网。
6.根据权利要求5所述的深层振动密实加固吹填土地基的装置，其特征在于：所述翼边的数量为四个，所述振动杆的横截面形状为不规则的X形或十字形。
7.根据权利要求4或5或6所述的深层振动密实加固吹填土地基的装置，其特征在于：还包括行走装置，所述空气压缩机、抽水泵、振动锤、振动杆和导向架均集成于所述行走装置上，所述导向架安装于行走装置上，所述振动锤为液压振动锤，所述行走装置上相应配置有液压站，所述振动锤通过提吊钢绳悬垂于导向架上，所述振动杆安装于振动锤的下端。
8.根据权利要求7所述的深层振动密实加固吹填土地基的装置，其特征在于：所述行走装置为履带吊车或迈步式液压车或工程车。
9.根据权利要求8所述的深层振动密实加固吹填土地基的装置，其特征在于：所述导向架的下方安装有用于调整振动杆垂直度的液压千斤顶。
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