CN118318090A - 一种可拆卸流化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于垂直设置的管状桩基（43）的可拆卸流化装置（1），该桩基具有桩轴（40），该可拆卸流化装置包含中心元件（3）和径向延伸的固定部（2）。所述径向延伸的固定部（2）具有：在使用时使中心元件径向固定在管状桩基的内部的第一位置，以及允许可拆卸流化装置沿管状桩基的轴的长度方向移动的第二位置。所述中心元件（3）在其下端具有旋转下端，所述旋转下端具有水平延伸的转臂（8），每个转臂上都设有高压注水喷嘴（8a）和从转臂沿旋转方向延伸的机械切割元件。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于垂直设置的管状桩基的可拆卸流化装置，所述可拆卸流化装置包括中心元件和径向延伸的固定部。该径向延伸的固定部具有：在使用时使中心元件径向固定在管状桩基的内部的第一位置，以及允许流化装置沿管状桩基的轴的长度方向移动的第二位置。
背景技术
专利WO2020/207903中描述了类似的设备。一种用于管状桩基的可拆卸的流化装置，所述可拆卸的流化装置包含连接到径向延伸和长度可变的致动器的中心元件。该致动器在其径向端与压紧元件连接，该压紧元件配有夹具，该夹具适用于将自身压到管状桩基的下端。压紧元件用于将流体从管状壳体的下端排出，排出方向具有向下和向上的方向组件。该装置还设有将流体排放到管状桩基的管状壳体的内部空间的部件，并且该压紧元件还设置有旋转的偏心质量块作为振动部。
专利FR2418301描述了一种通过外部固定在桩上的振动平台将桩钻入土壤的方法。当桩抵达阻力更强的层时，螺旋钻式钻头被降低到桩中。土壤开始从桩中清除。
专利WO03/085208描述了一种用于安装相邻管状元件的可伸缩钻头。管状元件可以连接形成所谓的深壁。钻头设有旋转开挖部件，其直径大于管状桩。进入管内的土壤可以使用压力略高于周围水的水流冲走。
专利NL2006722描述了一种用于将空心桩打入地下的钻孔和振动系统。该振动系统安装在桩的上端。该钻头在空心桩中心的地面上钻洞。旋转移动钻头通过向下延伸到钻头的钻柱从桩的上端驱动。
公知地，振动锤可以在水下基床中打入桩基，正如专利WO03/100178所述。在本方法中，所谓单桩的管状桩基使用夹在桩基上端的振动装置来进入海床。该振动装置可能重达40-50吨，可以是专利US5653556中描述的一种。振动锤的一个缺点是会对海洋生物产生过多的噪音，且金属桩基可能会因振动锤的应力而损坏。
现有技术的设备的一个缺点在于渗透速度不够高，尤其是当要渗透更密集的水下基床和/或当桩基的直径大于（例如）1米时，例如用于风力涡轮机的地基。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于垂直设置的管状桩基的可拆卸流化装置，该装置不存在现有技术设计的缺陷。
所述目的是通过以下的可拆卸流化装置实现的。该可拆卸流化装置用于垂直设置的管状桩基，该桩基具有桩轴，该可拆卸流化装置包含中心元件和径向延伸的固定部，
其中所述径向延伸的固定部具有：在使用时使中心元件径向固定在管状桩基的内部的第一位置，以及允许流化装置沿管状桩基的轴的长度方向移动的第二位置，
其中当可拆卸流化装置处于其使用朝向时，所述中心元件在其下端具有旋转下端，所述旋转下端在使用中可以沿桩轴在旋转方向上旋转，并且，
其中所述旋转下端具有水平延伸的转臂，每个转臂上都设有高压注水喷嘴和从转臂沿旋转方向延伸的机械切割元件。
申请人发现，通过提供具有多于一个的机械切割元件和高压注水喷嘴的旋转下端，提供了能够与振动锤结合使用的喷射枪，与单独使用振动锤相比，其应力可减少70%。这也是一种降噪的措施。
下面将更详细地描述本发明。水平、垂直、上和下仅用于描述本发明的正常使用，但是并不意味着限制本发明于特定方向上。
所述高压注水喷嘴优选为旋转喷嘴。所述高压注水喷嘴优选为旋转喷嘴。所述旋转喷嘴优选地设置为与垂直方向形成0°至90°之间的角度，更优选地，形成30°至60°之间的角度。
所述高压注水喷嘴优选地沿着从中心元件延伸出的转臂单排设置。
优选地，从中心元件延伸出两个转臂。
优选地，所述机械切割元件为位于所述转臂一侧的切割齿。所述切割齿设置在所述转臂在旋转方向的一侧，使得其随着所述转臂旋转而切割土壤
所述径向延伸的固定部可以如前文提到的专利WO2020/207903所述。优选地，所述支臂通过液压系统从第一位置移动至第二位置。所述固定部可以设有滚轮，以在管状桩基中轴向地以及垂直向上地引导所述可拆卸流化装置。
所述高压注水喷嘴通过高压水管与泵适当地连接。这些泵优选设置在桩基的外部，例如在浮船上。因此，高压水管的长度至少为桩基的长度至桩基长度的两倍或者三倍。
所述旋转喷嘴优选地包括非旋转的固定部分和存在于喷嘴头腔室内的旋转喷嘴头，
其中，所述旋转喷嘴头具有上端和下端；
其中，所述喷嘴头腔室具有形成该腔室的壁和位于其下端的开口，所述开口具有侧面，且所述喷嘴头腔室的壁具有一个或多个用于将水射流排放到所述喷嘴头腔室的开孔；
其中，所述旋转喷嘴头的下端存在于所述喷嘴头腔室的开口中，使得旋转喷嘴头和喷嘴头腔室的开口的侧面之间留有套筒开口；
其中该非旋转部分设有加压水入口和用于将加压水通到加压水入口的管道，该管道位于旋转喷嘴头的上端，所述加压水入口流体连接一个或多个喷嘴出口，该喷嘴出口位于旋转喷嘴头的下端，在使用中射流从中射出；并且
其中，所述旋转喷嘴头还设置有水平的水轮，该水轮的上端有垂直的旋转轴，该水轮与所述一个或多个用于将水射流排放到所述喷嘴头腔室的开孔在功能上一致，使得所述旋转喷嘴头旋转。
喷射到喷嘴头腔室中的一个或多个水射流的加压水和供给非旋转部分的加压水可适当地来自同一源头。优选地，在所述转臂中设有用于加压水的共有或者单独的歧管。水管将一个或多个歧管与喷嘴头腔室的侧壁上的一个或多个开孔、以及所述非旋转部分的加压水入口进行流体连接。旋转喷嘴头与喷嘴头腔室的开口的侧面之间的套筒开口可以让供给喷嘴头腔室的水从喷嘴头腔室排出。水流防止土壤积聚在所述旋转喷嘴头上，并为喷嘴头腔室内的旋转喷嘴头提供水润滑。
本发明还针对上述旋转喷嘴（单独地或者作为移土装置的一部分），以及其在移土中的应用。
本发明特别针对一种振动锤和根据本发明的可拆卸流化装置的组合，其中所述振动锤通过长度可变的电缆与所述可拆卸流化装置连接。
优选的组合还包括连接到所述振动锤的框架，并设有用于高压水管的导向部和用于长度可变的电缆的绞盘。
本发明还针对以下用于在水下基床上放置垂直设置的桩基的方法，
其中，使用本发明所述的组合；
其中，所述振动锤位于所述桩基的顶端，所述可拆卸流化装置降低至所述桩基的底端，在该底端处，所述可拆卸流化装置径向固定在桩基的内壁上；
其中，所述振动锤振动所述桩基；
其中，高压水供给所述可拆卸流化装置，旋转下端旋转并从注水喷嘴中喷射出水射流，以使水下基床的土壤被机械切割元件切割。所述旋转下端由液压马达或者电机驱动旋转。
优选地，供给注水喷嘴的水压至少为5 bar，更优选地在20 bar – 500 bar之间。
优选地，旋转下端以每分钟1-120转（rpm）的速度旋转，更优选地转速为5 rpm -60 rpm之间。
该方法尤其适用于放置内径为1 m – 20 m之间的桩基。
该方法适用于包含一层沙子、淤泥、软质粘土、超硬质粘土或球粘土（Boom clay）或上述组分的任何组合的水下基床。
具体实施方式
本发明将结合附图来说明。
图1示出了根据本发明所述的可拆卸流化装置1。径向延伸的固定部2与中心元件3连接。固定部为梁4，该梁4设有滚轮5，滚轮5通过支臂6连接到中心元件3。图示为第一位置，在使用时，中心元件3径向固定在管状桩基的内部。中心元件3具有旋转下端7，其能够绕中心轴7a旋转。旋转下端7具有两个转臂8。在任一转臂8上具有从转臂8朝旋转方向10延伸的切割齿9。
图2以从下方的角度更详细地示出了图1所示的转臂8。每个转臂8的七个旋转高压注水喷嘴8a成排设置。此外，附图示出了旋转下端7以及连接到梁4的支臂6的部分以及梁4的下端
图3示出了图2所示的其中一个转臂8的径向延伸端11，以从下方的角度示出了七个旋转高压注水喷嘴8a中的三个，其沿着转臂8排成一排。顶部的盖板12和底板13形成了转臂8的内部空间14。
图4示出了没有盖板12的两个转臂8，便于以从上方的角度展示转臂8的内部空间14。可以看到每个高压注水喷嘴8a有一个非旋转的固定部分15，以及用于向各个高压注水喷嘴8a提供加压水的各个管道16。管道16与供给管道17流体连接，供给管道17在中心元件3的旋转下端7向上延伸。
图5示出了图3所示的第二个高压注水喷嘴8a的三维横截面图。此视图展示了转臂8的内部空间14。从中心轴7a向径向延伸端11延伸的结构元件18设有通道17，该通道17用于向管道16提供加压水。该通道17流体连接图4所示的供给管道16以及独立旋转的高压注水喷嘴8a。高压注水喷嘴8a包括设于喷嘴头腔室20中的非旋转固定部分15以及旋转喷嘴头19。非旋转固定部分15固定至内部空间14的转臂8。旋转喷嘴头19具有上端21和下端22。喷嘴头腔室20具有形成该喷嘴头腔室20的壁23以及位于腔室下端的开口24。图示了两个用于加压水的歧管通道25a、25b。如图6、图7所示，通过这些通道，水被注入喷嘴头腔室20。通过管道16将加压水供应至非旋转固定部分15。水沿着作为加压水通过的管道的轴向通道26向下流至销27，销27具有与旋转喷嘴头19的上端21流体连接的出口。销27位于旋转喷嘴头19的上端21的销开口中，使得旋转喷嘴头19能够绕销27旋转。
非旋转部分设有加压水入口（未示出）并流体连接到在旋转喷嘴头的上端所设置的加压水入口。所述加压水入口流体连接到两个喷嘴出口28，喷嘴出口28位于旋转喷嘴头19的下端22，在使用中水射流从中射出。
由于旋转喷嘴头19的上端21的直径大于开口24，旋转喷嘴头19进一步包含在喷嘴头腔室20内。旋转喷嘴头19的下端22设于喷嘴头腔室的开口中，使得旋转喷嘴头和喷嘴头腔室的开口24的侧面之间留有套筒开口。通过该套筒开口，水能够从喷嘴头腔室20中流出。用于排出水射流的两个喷嘴出口28与垂直方向形成45°，因此在使用过程中，水射流与垂直方向形成45°。该角度优选地在30°至60°之间。
图6示出了从转臂8的径向延伸端11一边计数的第一个喷嘴8a的横截面图。该横截面图根据图7的 AA’处制得。喷嘴头腔室20的内部存在具有垂直旋转轴的水平水轮29，其作为旋转喷嘴头19的一部分。喷嘴头腔室20的侧壁30有用于将水射流排入喷嘴头腔室20中的两个开孔31。如图7所示，这些水射流的方向与水轮29相切。供给这两个开孔31的水由歧管通道25a、25b供应。
图7示出了图6中BB’处的水平横截面。水平水轮29被示为位于喷嘴头腔室20中，并且在使用过程中水射流在相对于水轮29形成的切线方向上从两个开孔31射出。以这种方式，水轮29与用于将水射流排放到所述喷嘴头腔室的一个或多个开口在功能上一致，使得旋转喷嘴头19旋转。
图8示出了振动锤42与图1中可拆卸流化装置1的组合41，其位于具有桩轴40的桩基43上以及该桩基43中，该桩基43放置在具有砂层45和粘土层46的水下基床44中。振动锤42通过长度可变的电缆47与可拆卸流化装置1连接。振动锤42位于桩基43的顶端48，且可拆卸流化装置1被放低到桩基43的底端49。在该底端49，可拆卸流化装置1径向固定在桩基43的内侧壁。振动锤振动桩基43。加压水被供至可拆卸流化装置1，致使旋转下端7旋转并从注水喷嘴8a中射出水射流，导致水下基床的土壤45被切割齿9所切割。
图9更详细地示出了没有所述桩基的组合41。组合41具有连接振动锤42的框架50，并设有用于高压水管52的导向部51和用于长度可变的电缆47的绞盘53。
本发明已针对内径为2m的桩基（如图3所示）进行测试。结果发现，与仅使用振动锤相比，使用本组合时，平均渗透速度（average penetration speed）（如图10）和平均拒锤深度（average refusal depth）（如图11）显著增加，平均应力（average strain）（如图12）减少，且所需的能耗更少（如图13）。
Claims (19)
1.一种用于垂直设置的管状桩基的可拆卸流化装置，该桩基具有桩轴，该可拆卸流化装置包含中心元件和径向延伸的固定部，
其中所述径向延伸的固定部具有：在使用时使中心元件径向固定在管状桩基的内部的第一位置，以及允许可拆卸流化装置沿管状桩基的轴的长度方向移动的第二位置；
其中当可拆卸流化装置处于其使用朝向时，所述中心元件在其下端具有旋转下端，所述旋转下端在使用中能够沿桩轴在旋转方向上旋转；并且
其中所述旋转下端具有水平延伸的转臂，每个转臂上都设有高压注水喷嘴和从转臂沿旋转方向延伸的机械切割元件。
2.根据权利要求1所述的可拆卸流化装置，其中所述高压注水喷嘴为旋转喷嘴。
3.根据权利要求2所述的可拆卸流化装置，其中所述高压注水喷嘴为旋转喷嘴且该喷嘴与垂直方向形成30°至60°之间的角度。
4.根据权利要求1-3任一项所述的可拆卸流化装置，其中所述高压注水喷嘴沿从中心元件延伸出的转臂单排设置。
5.根据权利要求2-4任一项所述的可拆卸流化装置，其中所述旋转喷嘴包括非旋转的固定部分和存在于喷嘴头腔室内的旋转喷嘴头，
其中所述旋转喷嘴头具有上端和下端；
其中所述喷嘴头腔室具有形成该腔室的壁和位于其下端的开口，所述开口具有侧面，且喷嘴头腔室的壁具有用于将水射流排放到所述喷嘴头腔室的一个或多个开孔；
其中旋转喷嘴头的下端位于所述喷嘴头腔室的开口中，使得旋转喷嘴头和喷嘴头腔室的开口的侧面之间留有套筒开口；
其中非旋转的固定部分设有加压水入口和用于将加压水通到加压水入口的管道，该管道位于旋转喷嘴头的上端，所述加压水入口流体连接一个或多个喷嘴出口，该喷嘴出口位于旋转喷嘴头的下端，在使用中射流从中射出；并且
其中所述旋转喷嘴头还设置有水平的水轮，该水轮的上端有垂直的旋转轴，该水轮与所述用于将水射流排放到所述喷嘴头腔室的一个或多个开孔在功能上一致，使得所述旋转喷嘴头旋转。
6.根据权利要求1-5任一项所述的可拆卸流化装置，其中所述旋转下端具有两个转臂。
7.根据权利要求1-6任一项所述的可拆卸流化装置，其中所述机械切割元件为位于所述转臂在旋转方向一侧的切割齿。
8.根据权利要求1-7任一项所述的可拆卸流化装置，其中所述径向延伸的固定部通过液压从第一位置移动到第二位置。
9.根据权利要求1-8任一项所述的可拆卸流化装置，其中所述高压注水喷嘴通过高压水管与泵连接。
10.一种成套部件，包括振动锤以及根据权利要求1-9任一项所述的可拆卸流化装置。
11.一种包括振动锤和根据权利要求1-9任一项所述的可拆卸流化装置的组合，其特征在于，所述振动锤通过长度可变的电缆与所述可拆卸流化装置连接。
12.根据权利要求11所述的组合，其特征在于，还包括连接到所述振动锤的框架，并设有用于高压水管的导向部和用于长度可变的电缆的绞盘。
13.一种在水下基床放置管状桩基的方法，其特征在于，使用根据权利要求12所述的组合，其中所述振动锤位于管状桩基的顶端，所述可拆卸流化装置被放低至管状桩基的底端，在该底端处，所述可拆卸流化装置径向固定在管状桩基的内壁上；所述振动锤振动桩基；高压水被供应至所述可拆卸流化装置，使旋转下端旋转并从注水喷嘴中喷射出水射流，以使水下基床的土壤被机械切割元件切割。
14. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，供给注水喷嘴的水压至少为5 bar，优选地在20 bar至500 bar之间。
15. 根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，旋转下端以每分钟1-120转（rpm）的速度旋转，更优选地在5 rpm至60 rpm之间。
16.据权利要求13-15任一项所述的方法，其特征在于，所述管状桩基的内径为1m至20m。
17. 据权利要求13-16任一项所述的方法，其特征在于，所述水下基床包括一层沙子、淤泥、软质粘土、超硬质粘土或球粘土（Boom clay）或上述组分的任何组合。
18.旋转喷嘴，包括非旋转的固定部分和存在于喷嘴头腔室内的旋转喷嘴头，
其中所述旋转喷嘴头具有上端和下端；
其中所述喷嘴头腔室具有形成该腔室的壁和位于其下端的开口，所述开口具有侧面，且喷嘴头腔室的壁具有用于将水射流排放到所述喷嘴头腔室的一个或多个开孔；
其中旋转喷嘴头的下端位于所述喷嘴头腔室的开口中，使得旋转喷嘴头和喷嘴头腔室的开口的侧面之间留有套筒开口；
其中非旋转的固定部分设有加压水入口和用于将加压水通到加压水入口的管道，该管道位于旋转喷嘴头的上端，所述加压水入口流体连接一个或多个喷嘴出口，该喷嘴出口位于旋转喷嘴头的下端，在使用中射流从中射出；并且
其中所述旋转喷嘴头还设置有水平的水轮，该水轮的上端设有垂直的旋转轴，该水轮与用于将水射流排放到所述喷嘴头腔室的所述一个或多个开孔在功能上一致，使得所述旋转喷嘴头旋转。
19.根据权利要求18所述的旋转喷嘴在移土中的应用。
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