CN210562188U - 一种主被动防护相结合的大直径桩基防冲刷抽注浆装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种主被动防护相结合的大直径桩基防冲刷抽注浆装置，该方法主要为：设置注浆装置，将注浆管以螺旋线形固定于桩身，在桩基防冲刷待加固区边缘设置抽浆装置，通过注浆装置进行压力注浆，同时通过抽浆装置进行抽浆，注浆基于MICP技术：先注入pH7‑8巴式芽孢杆菌菌液，再注入氯化钙溶液，最后注入尿素与氯化钙混合溶液，完成后，将注浆装置与抽浆装置角色互换，再次进行上述注浆抽浆过程，可反复多次；该方法可降低水流的冲击，减小马蹄形漩涡，削弱水流对海床的冲刷，同时可在海床表面形成硬壳层，大大增强海床的防冲刷能力。本实用新型具有对土体扰动小、施工方便、可重复利用、普遍适用性好等诸多优点，应用前景广阔。

Description

一种主被动防护相结合的大直径桩基防冲刷抽注浆装置

技术领域

本实用新型涉及大直径桩基防冲刷装置，尤其涉及一种主被动防护相结合的大直径桩基防冲刷抽注浆装置，属于生物技术固定建筑物领域。

背景技术

海上桩基的使用日渐增多，针对砂质海床中防冲刷问题，目前的桩基防冲刷措施主要有桩前牺牲桩法、护圈、护壳法、桩身开缝法、下游石板法、抛石法、扩大基础法、灌浆法等，但现有方法均有很大不足。桩前牺牲桩法以及下游石板法在水流方向发生变化时，起到的作用减小甚至减小为零；护圈、护壳法在海床面发生改变时其位置容易发生变动，且后期维护难度大；桩身开缝法中桩身缝隙易被异物堵塞，丧失削弱水流的功能；抛石法整体性较差，后期维护费用和工作量较大；扩大桩基法在海床面发生变化时很难发挥其防冲刷作用；灌浆法对环境影响较大，不利于海洋生物生存。

近年来，微生物土体加固技术发展迅速，具有施工方便快捷、灌浆压力低、加固效果好、产生扰动小、环境友好等诸多优点。该法的主要原理是利用微生物的矿化作用胶结散体土颗粒，大幅提高了散状土体的强度、刚度。当前胶结效果最好的微生物成矿作用是生成方解石型碳酸钙沉积，这种成矿作用称为微生物诱导方解石沉积(Microbiologicallyinduced calcite precipitation，简称MICP)，相关研究表明该法胶结效率高、土体强度大幅提升。目前最为成熟的为尿素水解MICP技术，主要过程为PH7-8巴式芽孢杆菌水解尿素产生碳酸根离子和铵根离子，之后碳酸根离子与注浆溶液中的钙离子结合形成具有胶结作用的碳酸钙晶体。

本实用新型将MICP技术应用到海洋桩基冲刷防护中，同时采用主被动防护相结合的方法，削弱水流对海床的冲刷，同时将砂质海床中一定范围内的土体进行固化处理，实用新型了一种对土体扰动小，施工便捷的注浆装置，保证了防冲刷效果，保护了环境，加快了施工进度，降低了成本。

实用新型内容

本实用新型针对砂质海床中大直径桩基冲刷问题，在现有桩基防冲刷技术存在诸多不足的情况下，提出了一种主被动相结合的大直径桩基防冲刷方法及装置；该方法将注浆管以螺旋形固定在桩身，可降低水流的冲击、减小马蹄形漩涡、削弱水流对海床的冲刷，同时利用微生物矿化作用胶结土颗粒从而在海床表面一定深度范围内形成硬壳层，加强表层土体整体性、提高其强度和刚度，保证了海上结构的安全性。本实用新型采用靠自重将新型抽(注)浆装置贯入土体的方式，加快了施工进度，减小了对土体的扰动。此外，该技术还具有扰流能力强、胶结效率高、环境友好，成本低，后期维护少等诸多优点，大大提高了砂质海床中桩基抗冲刷能力。

本实用新型采取以下技术方案：

一种主被动防护相结合的大直径桩基防冲刷方法，是设置注浆装置，将注浆管以螺旋线形固定于桩身，在桩基防冲刷待加固区边缘设置抽浆装置，通过注浆装置进行压力注浆，同时通过抽浆装置进行抽浆，注浆基于MICP技术：先注入pH7-8巴式芽孢杆菌菌液，再注入氯化钙溶液，最后注入尿素与氯化钙混合溶液，完成后，将注浆装置与抽浆装置注浆、抽浆角色互换，再次进行上述注浆抽浆过程，可反复多次。

一种基于主被动防护相结合的大直径桩基防冲刷抽注浆装置，包括注浆装置和抽浆装置，注浆装置包括注浆管、空心的注浆圆环，注浆管与注浆圆环相连通且注浆管螺旋盘绕固定于桩身，注浆管及注浆圆环上均开有注浆孔，抽浆装置设置于桩基防冲刷待加固区边缘。该注浆装置、抽浆装置可进行注浆、抽浆，也可进行抽浆、注浆使用。

优选的，所述的抽浆装置，包括多个抽浆单元，每个抽浆单元包括空心的钢圆台、分别固定于钢圆台上表面的多功能管、侧表面的两个连接管和下表面的抽浆腿，钢圆台、多功能管、连接管、抽浆腿相通；连接管端部具有螺纹，通过固定在连接管上的连接软管可以将多个抽浆单元连接起来；所述的抽浆腿为细长钢管，在管身上均匀开有若干抽浆孔；多功能管表面上具有螺纹，标准化混凝土压载板上对应开有连接孔，多功能管插入连接孔中并通过螺母将标准化混凝土压载板固定；多功能管顶部设有抽浆口；钢圆台侧壁设有用于施工的吊装孔。

优选的，所述的注浆装置中的注浆管以单、双、三螺旋线形固定在桩身(如以焊接或胶结方式固定)，以降低水流的冲击，减小马蹄形漩涡，削弱水流对海床的冲刷。

优选的，所述的注浆圆环上每个注浆孔、抽浆腿上每个抽浆孔内壁面和外壁面各设置有一层钢丝网，以防止泥沙堵塞注浆孔。孔径均为1cm。

优选的，所述的注浆圆环、抽浆腿上沿其轴向每5cm设置一排注浆、抽浆孔，每排沿径向均布8个。

优选的，所述的抽浆腿管底为圆锥状，易于贯入土体。

优选的，所述的多功能管及连接管可以通过螺纹连接的方式固定相应的盖子来封闭管口，可以使抽浆单元组成多种连接形式。

优选的，所述的抽浆装置还包括土体电阻率测试装，设置在抽浆腿上，用于动态监测土体注浆效果。

本实用新型的MICP注浆防冲刷技术主要包括以下四个方面：第一，本实用新型将注浆管以螺旋线形固定在桩身，削弱了海流对海床的冲刷，起到了主动防护的作用。第二，本技术利用相对成熟的尿素水解MICP反应，细菌为PH7-8巴式芽孢杆菌，胶结溶液为尿素溶液、氯化钙混合溶液。第三,采用分步注浆法，先向砂土中注入一定量PH7-8巴式芽孢杆菌菌液，之后缓慢注入较低浓度的氯化钙溶液，利用钙离子的絮凝作用将微生物固定在土颗粒表面，最后再低速注入尿素和氯化钙混合溶液，进行胶结。第四，本实用新型采用中间注浆边缘抽浆的方式，通过合理布置注(抽)浆装置的位置，在需要加固范围内的表层土体(0.5m深度左右)中形成稳定渗流场，通过注浆、抽浆的交替进行达到更好的加固效果。

采用本实用新型的主要优点:1、降低了水流对桩的冲击，减小了马蹄形漩涡，削弱了水流对海床的冲刷；2、胶结松散颗粒，提高了桩基底部海床土的抗冲刷性能；3、不改变原有地形、浅表层加固、不会形成边际冲刷效应；4、自重贯入的方式对土体扰动小，施工速度快，装置可重复利用；5、相对于传统的水泥化学浆液，本实用新型不污染环境，生态友好；6、本技术配备了土体电阻率测试系统，能够及时监控注浆过程，可以很好地控制注浆过程的质量。

附图说明

图1是单桩防冲刷加固区抽浆装置布置及流场示意图；

图2是注浆过程中桩周海床中流场竖向剖面示意图；

图3是施工过程中吊放抽浆单元示意图；

图4是本实用新型一种具体注浆装置三维结构正面简图；

图5是本实用新型的注浆装置三种螺旋形式三维结构正面简图；

图6是本实用新型一种具体注浆圆环结构示意图；

图7是本实用新型一种具体注浆圆环结构中A-A剖面图；

图8是本实用新型一种具体抽浆装置三维结构示意图；

图9是本实用新型一种具体抽浆单元三维结构示意图；

图10是本实用新型一种具体抽浆装置中混凝土压载板三维结构简图；

图11是本实用新型一种具体抽浆单元主视图；

图12是本实用新型一种具体抽浆腿结构示意图；

图13是本实用新型一种具体抽浆腿结构中B-B剖面图；

其中，1抽浆单元、2钢圆台、3多功能管、4连接管、5抽浆腿、

6注浆管、7注浆圆环、8注浆孔、9抽浆孔、10标准化混凝土压载板、11连接软管、12抽浆口、13吊装孔、14土体电阻率测试装置、15注浆软管、16抽浆软管。

具体实施方式

下面结合具体实例对本实用新型的技术方案进行进一步说明解释，该实例仅为本实用新型的一种具体实现方式，并非对本实用新型的限定。

一种主被动防护相结合的大直径桩基防冲刷抽注浆装置，包括注浆装置和抽浆装置，注浆装置主要包括注浆管6、注浆圆环7；抽浆装置由多个抽浆单元1组成，每个抽浆单元1包括空心的钢圆台2、多功能管3、连接管4、抽浆腿5、标准化混凝土压载板10、抽浆软管16、吊放链以及土体电阻率测试传感器14等；配合的施工设备主要有小型施工船(配有小型起吊机)、压力注浆机(小型)、抽水泵等。该注浆装置将注浆管6以螺旋线形固定在桩身，注浆管6与注浆圆环7通过焊接的方式连接在一起，注浆管6为空心钢管，外径尺寸为8cm，注浆圆环7为空心圆环，截面外径尺寸为10cm，沿圆环剖面轴向每间隔5cm设置一排注浆孔8，每排均布设8个注浆孔8，孔径为1cm。钢圆台2主体为半径(R)0.4m、厚度(d)10cm的空心圆柱，由钢板切割、焊接而成，所用钢板厚为2cm；钢圆台2底部采用焊接或螺纹连接的方式固定抽浆腿5，抽浆腿5主体为细长钢管，管外径尺寸为8cm，管底部为圆锥体易于贯入土体，管身沿径向等间距分布8个抽浆孔9，沿轴向间隔5cm设置一排抽浆孔9，孔径宜为1cm；为防止在注浆圆环7或抽浆腿5贯入海床过程中泥沙堵塞注浆孔8或抽浆孔9，在注浆孔8、抽浆孔9的内壁和外壁处均设置一层高强细目钢丝网，钢丝网与管身焊接；在钢圆台2侧壁设置连接管4，抽浆单元1之间通过固定在连接管4上的连接软管11连接在一起，使得整个抽浆装置内部相通；在顶板中部设置多功能管3，管外径6cm，管厚2cm，多功能管侧壁设有螺纹，用于固定标准化混凝土压载板10，混凝土压载板10为中间开孔的圆柱体，圆柱底面直径为40cm，厚10cm，重约0.25t，板内构造配筋，标准化混凝土压载板10用于海床条件较好时，抽浆腿5难以贯入到指定深度的情况；多功能管3端部设有抽浆口12，用于连接抽浆软管16，钢圆台2侧壁设有吊装孔13，可以通过高强锚链或钢绞线与吊钩相连，便于施工吊装。根据抽浆装置布置位置以及加固区形状，将土体电阻率测试传感器14布置于相应抽浆腿5上。注浆装置同时兼具抽浆功能，抽浆装置也兼具注浆功能，由于灌注的浆液粘度与水相近，故对灌浆压力要求低，稍大于水压力即可。具体施工过程：

1.在桩基的施工过程中根据现场水流情况选择螺距、螺旋形式以及注浆圆环7的位置，根据桩径大小确定桩基防冲刷加固区的尺寸以及抽浆装置布置；根据桩周土体的密实度确定每个抽浆单元1的混凝土压载板10数量，再用连接软管11通过连接管4将抽浆单元1组装为抽浆装置，同时根据需要布置土体电阻率测试传感器14。

2.将注浆管6以及注浆圆环7固定在桩身，注浆管6的另一端连接压力注浆机，注浆装置随桩基的贯入进入工作区。再使用小型起吊船依次将组装好的抽浆单元1吊放到海床的相应位置，抽浆单元1的多功能管3上固定有抽浆软管16，抽浆软管16的另一端与施工船上的抽水泵相连。在自重作用下，抽浆装置1的抽浆腿5逐渐贯入海床。

3.在固定于桩基上的注浆装置中进行压力注浆，在此同时打开连接在待加固区外围的抽浆装置上的抽水泵，在注浆装置和抽浆装置之间便会形成图1、2所示的稳定渗流场。在渗流场作用下，菌液和胶结溶液能够较均匀地通过加固区土体。

4.注浆工序：首先注入PH7-8巴式芽孢杆菌菌液，菌液从注浆管6进入到注(抽)浆装置的注浆圆环7内部，通过注浆圆环7上的注浆孔8渗入到海床土体中，在图2所示的渗流场作用下，经过土体渗出的残余溶液和海水通过抽浆孔9进入到抽浆腿5中，再流入钢圆台2，各钢圆台2中的液体通过连接软管11汇集到抽浆口12处，经过抽浆软管15回到施工船上的相应收集、处理装置中。之后以较低的速度注入较低浓度的氯化钙溶液，利用钙离子的絮凝作用将微生物固定在土颗粒表面。最后再低速注入尿素和氯化钙混合溶液(胶结溶液)。这样，便完成一次注浆作业。一次注浆作业完成后，将抽水泵与注浆机的位置互换，则注浆装置和抽浆装置的功能互换，原来的注浆装置变成抽浆装置，原来的抽浆装置变成注浆装置，使渗流场反向，再进行以上步骤。根据土体电阻率测试设备14的测试结果，可选择进行多次注浆作业。

5.完成注浆任务后，使用起吊船将抽(注)浆装置回收并进行清洗。

Claims (8)

1.一种主被动防护相结合的大直径桩基防冲刷抽注浆装置,其特征在于，包括注浆装置、抽浆装置，注浆装置包括注浆管(6)、空心的注浆圆环(7)，注浆管(6)与注浆圆环(7)相通且注浆管(6)螺旋盘绕于桩身，注浆管(6)及注浆圆环(7)表面开有若干注浆孔(8)，抽浆装置设置于桩基防冲刷待加固区边缘。

2.如权利要求1所述的主被动防护相结合的大直径桩基防冲刷抽注浆装置，其特征在于，所述的抽浆装置由多个抽浆单元(1)组成，每个抽浆单元(1)包括：空心的钢圆台(2)、分别固定于钢圆台(2)上表面的多功能管(3)、侧表面的两个连接管(4)和下表面的抽浆腿(5)，钢圆台(2)、多功能管(3)、连接管(4)、抽浆腿(5)相通；连接管(4)端部具有螺纹，通过固定在连接管(4)上的连接软管(11)可以将多个抽浆单元(1)连接起来；所述的抽浆腿(5)为细长钢管，在管身上均匀开有若干抽浆孔(9)；多功能管(3)表面上具有螺纹，标准化混凝土压载板(10)上对应开有连接孔，多功能管(3)插入连接孔中并通过螺母将标准化混凝土压载板(10)固定；多功能管(3)顶部设有抽浆口(12)；钢圆台(2)侧壁设有用于施工的吊装孔(13)。

3.根据权利要求1所述的主被动防护相结合的大直径桩基防冲刷抽注浆装置，其特征在于，所述的注浆装置中的注浆管(6)可以单、双、或三螺旋线形固定在桩身，固定方式为焊接或胶结。

4.根据权利要求1或2所述的主被动防护相结合的大直径桩基防冲刷抽注浆装置，其特征在于，所述的注浆圆环(7)上每个注浆孔(8)、抽浆腿(5)上每个抽浆孔(9)内壁面和外壁面各设置有一层钢丝网，孔径均为1cm。

5.根据权利要求1或2所述的主被动防护相结合的大直径桩基防冲刷抽注浆装置，其特征在于，所述的注浆圆环(7)、抽浆腿(5)上沿其轴向每5cm设置一排注、抽浆孔，每排沿径向均布8个。

6.根据权利要求2所述的主被动防护相结合的大直径桩基防冲刷抽注浆装置，其特征在于，所述的抽浆腿(5)管底为圆锥状。

7.根据权利要求2所述的主被动防护相结合的大直径桩基防冲刷抽注浆装置，其特征在于，所述的多功能管(3)以及连接管(4)可以通过螺纹连接的方式固定相应的盖子来封闭管口。

8.根据权利要求2所述的主被动防护相结合的大直径桩基防冲刷抽注浆装置，其特征在于，所述的抽浆装置还包括土体电阻率测试装置(14)，设置在抽浆腿(5)上。

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