CN209538117U - 一种用于加固海底土体基础的振冲注浆设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于加固海底土体基础的振冲注浆设备，涉及海底土体基础加固技术领域，本实用新型考虑到海底高水压的环境下，土体高孔隙、较松软、易坍塌的特性，现在的振冲技术只是将松散土体置换成为填充料，再对填充料进行振冲成桩，无法起到加固松散土体的作用。本申请创造性地将振冲挤密法结合注浆工艺形成一种振冲注浆工法，利用振冲注浆设备和水泥浆制造孔内密闭环境，再利用振冲头上拔造成孔内负压，使海底松散土体垮塌，使水泥浆在振冲作用下与垮塌的土体充分混合形成复合地基，加固了桩基周围松散土体，极大地提高了海底基础的整体强度。

Description

一种用于加固海底土体基础的振冲注浆设备

技术领域

本实用新型涉及海底土体基础加固技术领域，特别是一种用于加固海底土体基础的振冲注浆设备。

背景技术

随着21世纪陆地资源的稀缺，我国开始加紧对海洋资源的开发与利用。在海浪的冲蚀下，海上桩基基础周围土体易受冲刷而造成结构损伤，而且海浪冲蚀还会造成岛基流失现象，因此有必要对海底土体基础进行加固处理。

对于海底土体基础加密作业，若采用传统的抛石加固维护方法，仅凭自身重量稳定的石块很容易被湍急的水流冲走；若采用围堰并抽干水后在基础四周注入混凝土，则施工成本较大、时间较长；若利用下料管和振冲器向振冲作业面倾倒填充料，填充料容易被水冲走，难以填入造孔中，且无法使填充料与土体基础进行充分混合形成复合地基。

申请号为201110405383.7的中国专利申请公布了一种具有底部出料装置的振冲设备及用于水下振冲的方法。该专利提供一种具有底部出料装置的振冲设备，其中的下料管为一长度可调节的伸缩式导管，其将下料管抵在水底，然后在下料管中设置填充料，再振冲造孔的步骤。该专利解决了深水中使用下料管不够长以及填充料飘走的问题，但该专利只是利用填料置换松散的土体，不能固化成桩，也不能加固周围土体，且需要使用下料管等装置，施工复杂。

申请号为201310542130.3的中国专利申请公布了一种振冲粉喷碎石桩的制桩工艺及其制桩振冲设备。该专利向桩孔中放入填充料和一种可以使得填充料固为一体的粉喷料固化, 振冲器在其上部振冲，使得碎石硬结具有整体性、水稳性和较高的强度。但是该专利若应用在海洋中，无法使填充料与海底土体充分混合而形成桩，并不能固化松散的海底土层。

申请号为201310688550.2的中国专利申请公布了一种高频振冲扩底注浆管桩的施工方法。该专利对管桩底部进行振冲,然后在管桩底部填料注浆，形成扩大头，增加单桩承载力，并不能把松散的水下土层固化形成一根桩，更不能加固桩基周围土体。

实用新型内容

本实用新型的目的是对海底松散土体进行挤压密实，并通过注浆使水泥浆与松散土体形成水泥桩柱并加固周围土体，加固松软海底土体，提高土体基础的整体强度，设计了一种用于加固海底土体基础的振冲注浆设备。

实现上述目的本实用新型的技术方案为，一种用于加固海底土体基础的振冲注浆设备，包括起吊装置，还包括振冲头，用于反复振冲海底土体，所述振冲头的底部设有喷射浆体的喷嘴；连接装置，设置于所述起吊装置的下方，用于连接所述起吊装置和振冲头，其内设有与所述喷嘴连接的注浆管，所述连接装置为可伸缩装置。

进一步的，所述振冲头的底端为倒置的圆锥，所述圆锥的一侧设有环形内弧槽。

进一步的，还包括单向阀，所述振冲头的喷嘴处设有单向阀。

进一步的，还包括套筒，所述套筒设置在所述连接装置的外侧，所述套筒的高度为振冲头高度的1.5～2倍，所述套筒的管径是振冲头2管径的1.1～1.3倍。

进一步的，所述连接装置内设有液压缸和偏心块。

再进一步的，所述连接装置内设有无级调速电动机，所述无级调速电动机的功率为30～ 180kw，频率为750～1500r/min。

本申请提供了一种用于加固海底土体基础的处理方法，包括以下步骤：

A、将振冲注浆设备移动到海底施工区域，完成准备工作；

B、振冲头产生高频振动，在振冲头振冲海底土体的同时，通过喷嘴喷射高压水泥浆；在振冲头的挤压下，水泥浆向四周扩散，在挤压海底土体的同时挤出海底土体内的孔隙水，海底土体内的砂土颗粒重新排列，变得更加密实；

C、当振冲头下降至预设深度，完成预设深度的振冲注浆；

D、在振冲头向上起拔过程中，注浆不停止，振冲头向上抽吸，形成孔内负压，孔隙周围松散的土体在负压作用下向里垮塌，水泥浆和海底土体充分混合形成水泥桩，水泥桩和原海底土体组成复合地基。

进一步的，所述水泥浆中包括质量分数为0.3-1.5％的矿渣和质量分数为0.1-10％的聚丙乙烯纤维。

进一步的，在振冲头下降过程中，连接装置控制振冲头以0.5～5m/min速度下降；当振冲头下沉到目标设计加固深度以上30～50cm时，减小喷嘴喷射高压水泥浆的流量，其后继续使振冲头下沉至设计加固深度以下50cm处，并在这一深度上留振30～60s。

进一步的，在振冲头向上起拔过程中，振冲头每上拔30～50cm就留振30～60s，连接装置内密实电流超过空振电流25～30A，然后继续上拔振冲头，直至振冲头脱离海底土体。

本申请对海底松散土体进行挤压注浆。海底土体与陆地土体的不同之处在于，海底土体长期受到高水压的作用，使海底土体具有高孔隙、较松软、易坍塌的特性，在振冲头以及高压水泥浆的挤压下，海底土体孔隙内的水被挤出，并且砂土颗粒重新排列，使土体固结和固化，形成孔内密闭环境。当振冲头向上起拔时，注浆不停，其底部向上抽吸，形成孔内负压，孔隙周围松散的砂土在负压作用下向里垮塌，水泥浆和土体在振冲作用下混合而形成桩身，极大地提高了海底土体基础的整体强度。

本实用新型的有益效果是：

(1)利用振冲注浆法振冲挤密海底松散土体，改变了砂土颗粒的排列方式，提高了海底基础的密实度，同时使水泥浆与土体充分混合，形成水泥桩，桩身与土体组成复合地基，极大地提高了海底土体基础的整体强度。

(2)海底土体基础相比陆地基础具有高孔隙、较松软、易坍塌的特性，易于实施振冲注浆技术，且不需要填充料，施工方便，易于控制，整桩质量较高，同时密实效果更好。

附图说明

图1为本实用新型振冲注浆设备就位状态图；

图2为本实用新型振冲头下沉注浆状态图；

图3为本实用新型振冲头下沉至预设深度状态图；

图4为本实用新型振冲头上拔注浆状态图；

图5为本实用新型形成桩柱状态图；

图6为本实用新型图1中A的局部放大图。

以上各图中，1、起吊装置；2、振冲头；21、喷嘴；3、连接装置；4、套筒；6、原海床； 7、现海床。

具体实施方式

为更进一步阐述本实用新型为达成预定实用新型目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本实用新型的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下：

本实用新型考虑到海底高水压的环境下，土体高孔隙、较松软、易坍塌的特性，现在的振冲技术只是将松散土体置换成为填充料，再对填充料进行振冲成桩，无法起到加固松散土体的作用。本申请创造性地将振冲挤密法结合注浆工艺形成一种振冲注浆工法，利用振冲注浆设备和水泥浆制造孔内密闭环境，再利用振冲头上拔造成孔内负压，使海底松散土体垮塌，使水泥浆在振冲作用下与垮塌的土体充分混合形成复合地基，加固了桩基周围松散土体，极大地提高了海底基础的整体强度。

一种用于加固海底土体基础的振冲注浆设备，如图1至图5所示，包括起吊装置1、振冲头2和连接装置3，其中，该起吊装置1用于安装和定位用。振冲头2用于反复振冲海底土体，在振冲头2的底部设有喷射浆体的喷嘴21，该喷嘴21设置在底端的一侧，避免振冲头2在振冲的过程中，将喷嘴堵死。本实施例中，如图6所示，振冲头2的底端为倒置的圆锥，圆锥的一侧设有环形内弧槽，该圆锥状的设计，能够便于将振冲头打入海底土层。在振冲头2打入海底土层时，环形内弧槽的设计，使得圆锥头在不停的进入海底土层中时，能够降低其外侧海底土层的挤压力，使得圆锥头更易进入更深的土层，当圆锥头刚提起来的时候，该环形内弧槽能够将部分土体带出，当其上升的一定的高度后，置于环形内弧槽内的土体能够掉落下来。另外，在振冲头2的喷嘴21处设有单向阀，使得浆液可向外喷出，但是外部的泥水不能向内进入振冲头2的内部腔道。

连接装置3设置在起吊装置1的下方，该连接装置3用于连接起吊装置1和振冲头2，在连接装置3的内部设有与喷嘴21连接的注浆管。连接装置3为可伸缩装，以实现振冲头2在连接装置3的作用下，上下对海底土体进行振冲，这里，在连接装置3内可以设置液压缸和偏心块，通过液压缸实现振冲头2的上下移动，在这基础上，通过偏心块实现对海底土体的进一步振冲，其中，偏心块与无级调速电动机连接，该无级调速电动机的功率为30～180kw，频率为750～1500r/min。

套筒4设置在连接装置的外侧，套筒4的高度为振冲头2高度的1.5～2倍，套筒4的管径是振冲头2管径的1.1～1.3倍。振冲头2和连接装置3连接，振冲头2在使用的过程中，使振冲注浆设备在下降时能充分挤压水泥浆，形成泥浆护壁，当振冲注浆设备上拔时，由于套筒4紧贴孔内护壁，有利于保持套筒4内密闭环境，在负压作用下使周围松散土体垮塌。

本申请提供了一种用于加固海底土体基础的处理方法，包括以下步骤：

A、如图1所示，将振冲注浆设备移动到海底施工区域，完成准备工作。

现场工艺试验：对将要进行振冲注浆的海底土体环境进行试验，得出海底土体的粒径、密实度等参数。根据海底土体的相关性质确定海底土体振密的可能性、桩位分布、振冲深度、振密电流值以及振后砂层的物理力学性质。

施工前准备：检査振冲器的性能，电流表、电压表的准确度，打开水源和电源，检査水压、水量、电压、密实电流和振冲器的空载电流是否正常。按照1:1水灰比例配置水泥浆，并在其中添加外加剂。启动起吊装置1，使其带动振冲头2下降至海底土体面，到达预设位置。

B、如图2所示，振冲头2产生高频振动，在振冲头2振冲海底土体的同时，通过喷嘴21喷射高压水泥浆；在振冲头2的挤压下，水泥浆向四周扩散，在挤压海底土体的同时挤出海底土体内的孔隙水，海底土体内的砂土颗粒重新排列，变得更加密实。

启动电机带动偏心块旋转，使振冲头2产生高频振动，同时启动水泵，通过注浆管，使喷嘴21喷射高压水泥浆，在振冲头2的挤压下，水泥浆向四周扩散，在挤压土体的同时挤出孔隙水，使砂土颗粒重新排列，以此达到土体固结和固化的效果。

C、如图3所示，当振冲头2下降至预设深度，完成预设深度的振冲注浆。

起吊装置1控制振冲头2以0.5～5m/min速度下降，下沉速度控制在电流最大值不得超过连接装置3的额定电流，当超过额定电流值时，必须减慢振冲头2下沉速度。当振冲头2 下沉到在设计加固深度以上30～50cm时，需减小冲浆，其后继续使振冲器下沉至设计加固深度以下50cm处，并在这一深度上留振30～60s。

D、如图4和图5所示，在振冲头2向上起拔过程中，注浆不停止，振冲头2向上抽吸，形成孔内负压，孔隙周围松散的土体在负压作用下向里垮塌，水泥浆和海底土体充分混合形成水泥桩，水泥桩和原海底土体组成复合地基。

当振冲头2下降至预设深度，完成预设深度的振冲注浆(电流趋于稳定，并达到规定密实电流值)。通过控制起吊装置1使其带动振冲头2以3～10m/min速度提升振冲器5，在振冲器5向上起拔过程中，注浆不停止，其底部向上抽吸，形成孔内负压，孔隙周围松散的土体在负压作用下向里垮塌，振冲头2每上拔30～50cm就留振30～60s，并使连接装置3内密实电流超过空振电流25～30A，使下面的土体与浆液充分挤密混合，然后继续上拔，直至振冲器5脱离海底土体，水泥浆和海底土体在振动作用下充分混合而形成强度大于周围土体的水泥桩体，同时桩柱和原地基土组成复合地基，从而提高地基整体强度。在这个过程中，原海床6降低，形成了新的现海床7，海底土体压实。

E、当振冲头2从海底土体拔出后，在起吊装置1控制下，转移至下一个预设桩位，重复上述步骤，最终形成水泥桩群，使桩柱与原地基形成复合地基，从而提高地基整体强度，防波抗浪。

振冲布桩间距可选择0.5～3m，荷载大或对粘性土宜采用较小的间距，荷载小或砂性土宜采用较大的间距，宜用等边三角形布置，振密深度控制在5～50m范围内。

本方法中可用海水搅拌浆液，为了适应海底高压强且具有腐蚀性的环境，需要在水泥浆液中加入一定量的外加剂。在水泥浆中加入水泥浆中包括质量分数为0.3-1.5％的矿渣，可以有效提高混凝土的抗渗、耐蚀、抗碳化、抗溶析能力，抑制了碱骨料反应。加入质量分数为 0.1-10％的聚丙乙烯纤维，有效提高所成注浆桩的抗拉、抗弯强度、抗裂性和耐久性。

本方法与陆地振冲挤密法最大的区别在于：在振冲的同时向振冲区域内注入高压水泥浆而不是注水，陆地的振冲技术只是将松散土体置换成为填充料，再对填充料进行振冲成桩，无法起到加固松散土体的作用。本方法在振冲注浆之后，振冲头2上拔而注浆不停，垮塌的软弱的海底土体与注入的水泥浆混合后形成水泥桩身，与被振密的周围海底土体形成复合地基，这种效果是陆地振冲法无法达到的。

以上参考了优选实施例对本实用新型进行了描述，但本实用新型的保护范围并不限制于此，在不脱离本实用新型的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来，且不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。因此，任何落入权利要求的范围内的所有技术方案均在本实用新型的保护范围内。

Claims (6)

1.一种用于加固海底土体基础的振冲注浆设备，包括起吊装置(1)，其特征在于，还包括：

振冲头(2)，用于反复振冲海底土体，所述振冲头(2)的底部设有喷射浆体的喷嘴(21)；

连接装置(3)，设置于所述起吊装置(1)的下方，用于连接所述起吊装置(1)和振冲头(2)，其内设有与所述喷嘴(21)连接的注浆管，所述连接装置(3)为可伸缩装置。

2.根据权利要求1所述的一种用于加固海底土体基础的振冲注浆设备，其特征在于，所述振冲头(2)的底端为倒置的圆锥，所述圆锥的一侧设有环形内弧槽。

3.根据权利要求1所述的一种用于加固海底土体基础的振冲注浆设备，其特征在于，还包括单向阀，所述振冲头(2)的喷嘴(21)处设有单向阀。

4.根据权利要求1所述的一种用于加固海底土体基础的振冲注浆设备，其特征在于，还包括套筒(4)，所述套筒(4)设置在所述连接装置的外侧，所述套筒(4)的高度为振冲头(2)高度的1.5～2倍，所述套筒(4)的管径是振冲头(2)管径的1.1～1.3倍。

5.根据权利要求1所述的一种用于加固海底土体基础的振冲注浆设备，其特征在于，所述连接装置(3)内设有液压缸和偏心块。

6.根据权利要求5所述的一种用于加固海底土体基础的振冲注浆设备，其特征在于，所述连接装置(3)内设有无级调速电动机，所述无级调速电动机的功率为30～180kw，频率为750～1500r/min。