CN85100357B - 压缩气流沉桩法 - Google Patents

Abstract

本发明为水下基础桩施工法，适用于在沉积层很厚的江河下游或大陆架海域经济地、较快地构筑各种水下基础工程；其主要特征是，本发明的新型预制钢筋混凝土桩段，利用从桩尖处喷出的压缩气流和因此而形成的上浮的泥浆来克服桩尖阻力和侧摩阻力，顺着预先设置的导向管，逐步垂直沉埋到持力层或基岩，最后向桩底灌注水泥砂浆，使桩与基岩或持力层结合成一体。

Description

压缩气流沉桩法

本发明涉及一种新的沉桩工艺，及与之相应的一种新型预制钢筋混凝土桩，用于在沉积层很厚的江河下游或大陆架海域构筑各种水下基础工程。

在江河下游构筑水下基础，有的采用各种打桩机打桩，或钻孔成桩，以及采用钢板围堰或水密沉箱进行水下基础施工。也有的在平整和处理好基床后，沉放整体式混凝土沉箱作为水下基础。

在大陆架海域构筑水下基础，除了上述的重力式混凝土沉箱基础外，也可采用桩基础，即由大型打桩船将数十米长的钢管通过导管架打入海底地层。

在软土地区构筑桥梁、码头等的基础桩，还有如JP昭57-40024特许公开所提出的“桩的浇筑施工方法”。该法通过很多根送水管喷出的高压水使土层液化，液化了的土粒经排土管上的小孔进入排土管内，和进入排水管内，并被抽汲到地面，在桩位下面形成空穴，现场捣制的混凝土桩因而逐段沉降。但地层的情况常常是复杂的，如土层中夹杂有较多的砂砾，卵石等，则小孔和排水管可能被堵塞，使桩不能沉降;又如地层中有不易液化的硬土层或孤石等障碍，也将影响桩的沉降，故该法仅适用于较理想的软土地区。此外，该法的管系比较复杂，实施有困难。

不同于上述的水下基础施工方法，本发明的原理是：利用从桩尖处释放的压缩空气来克服桩尖阻力和侧摩阻力。使本发明的新型预制混凝土桩依靠自重沉埋到持力层或基岩，然后向桩底压注水泥砂浆，使桩尖附近的风化岩层固结，并与桩结合成一体，以提高桩的稳定性和承载能力。

本发明的目的在于，为在江河下游或沿海建筑桥梁，码头等提供一种桩段沉降速度较快，施工机具较为简单，能适应更为广泛地层的水下桩基础施工方法：

本发明的目的还在于，为在大陆架海域构筑一种造价较低、强度大、耐腐蚀的预制钢筋混凝土桩基础工作平台。

按照本发明的压缩气流沉桩法采用了导向管、提升管、预制钢筋混凝土桩、贮浆罐和空气压缩机。导向管内部套装有提升管，一起垂直通过河底或海底沉积层，直达基岩或持力层，预制桩沿着导向管沉降，贮浆罐和空气压缩机均安放在基础位置附近的工作母船上。

本发明适合于在地质情况比较复杂、沉积层比较厚的地区，如江河下游，沿海大陆架等地区，进行各种水下基础施工。

可预先将各基础位置的导向管全部安装好，然后将若干预制桩拖运到各基础位置，同时开始沉埋，由于每一根桩的沉埋速度较快，故总的施工进度也较快。

因为各节桩段都是在工场内预制，不受施工现场天气、设备和场地的限制，故混凝土的捣筑和养护均较好，还可以通过压注水泥砂浆使有裂隙的基岩固结，提高其强度，故桩基础的施工质量可以得到保证。

沉埋大型预制桩或墩，只需要一艘安装有工程钻机或小型打桩机、空气压缩机、贮浆罐和小水泵的工作船，配备几名潜水员和操作，管理人员，故施工现场所需的设备和人员较少。

下面结合附图对本发明作出进一步的说明。

图1是按照本发明的新型预制钢筋混凝土桩的构造图;

图2是本发明的钢制导向管和钢制提升管构造图;

图3是管系的装配图;

图4是本发明的预制桩沉埋到位的示意图;

图5是法兰盘连接图;

图6是压力罐浆的示意图。

本发明的新型预制钢筋混凝土桩如图1所示。预制桩一般为圆柱形，如基础位置处的沉积层较厚，则整个桩基础由多节横截面相同的桩段组成，每节桩段的构造与图1所示的类似，不同之处是其底面为平面且没有防气蚀钢板，其压力管下端没有排气孔而有法兰。

在图1中，桩段的底面为圆锥面，并覆盖有防气蚀钢板4，桩段的中心固定着钢制压力管3，因压力管较长，为加工便利，压力管由两节焊成，上面一节均匀地开有若干纵向槽2，下面一节向外开有若干其轴线与桩的锥形底面平行的圆锥形排气孔5，排气孔和纵向槽对接。压力管3的顶端有法兰盘1，用来与输气管或上面桩段的压力管连接。

导向管和提升管的构造如图2所示，导向管7的外径等于压力管3的内径，提升管8的外径略小于导向管7的内径，7和8套装在一起，它们的长度

L≥A+H……（1）

式中：A-桩位处沉积层厚度。

H-节预制桩段高度。

导向管7的下端用螺纹连接有硬质合金制成的管尖或钻头11，11的下半部应贯入基岩，其上端均匀地开有数个截面如图所示的罐浆口10，10的外侧装有板状阀9。

本发明的沉桩过程如下：

在天气良好时，在基础位置的上方锚定钻机船或打桩船，在沉积层较薄时用打桩法，在沉积层很厚时，或夹有卵石、砂砾层时用旋入法，将由导向管7和提升管8组成的双层钢管垂直地穿过沉积层，直达基岩。双层钢管穿过沉积层时，泥砂和岩屑会塞满提升管8，然后将8抽出来，泥砂和岩屑一起被提出，导向管11的内部通畅了。

当管尖或钻头11到达基岩时，遇到的阻力骤然增大，此时要控制和测定11贯入基岩的深度，应使罐浆口10靠近基岩，但不允许埋入基岩，以防被堵死。

在下导向管时，应保证其垂直度。如沉积层中有大的孤石或大树根等障碍物，不仅会使导向管弯曲。倾斜，预制桩也沉不下去，则应另择地点沉桩。若桩基础位置不能挪动，则可采用爆破法，将孤石等破碎和排开，具体作法是：

用管尖或钻头11在孤石上形成一个圆孔，然后将提升管8抽出，通过导向管内部将粉状或胶状炸药罐入圆孔内，最后将导向管连同管尖或钻头提起，引爆炸药，使孤石破碎并形成一个直径较桩段直径大的坑，就可继续下导向管。

另一种会影响沉桩的情况是：导向管从孤石旁边擦过，故虽然导向管放置顺利，但预制桩肯定会被孤石挡住，不能到位而造成报废。为了避免出现这种情况，在工程地质资料比较缺乏的地区采用本发明构筑水下基础时，应在放置好导向管和抽出了提升管后，将超声波探测仪放入导向管内，探测导向管附近地层内是否有影响预制桩沉降的障碍物。

在下好导向管并了解了导向管附近地层的情况，认为适合沉桩后，将较小型的本发明的预制桩用船运到现场，用起重设备吊放入水中;大型的桩或墩，可在其两边固定两个浮筒，拖运到现场后，让水注入浮筒，使桩段-浮筒的比重增加到1，然后由潜水员使桩的压力管套在导向管外，并使桩段沿着导向管沉至水底。解开浮筒后，预制桩就垂直地座沉水底，在重力作用下，桩尖稍稍插入沉积层中。然后如图3所示，拧紧导向管的密封盖6，将压力管3和钢制连接管15用法兰连接，15的上端通过螺纹接头14与气密内套管13连接。13可在钢制输气管12内滑动，12通向空压机。如桩位处沉积层不很厚，水也较浅，沉桩所需的气压不太大，则压力管直接与内径稍大于导向管外径的耐压软管连接就可以了。

在预制钢筋混凝土桩段座沉水底并装配好管系后，即可开始沉桩。

土层中总是存在着很多微小的孔隙，起动空压机后，压缩空气经连接管15，压力管的纵向槽2，从排气孔5冲出来，压缩空气一方面以高压气泡的形式渗入土层中的微孔隙中，并且急速膨胀，破坏了桩尖附近土层的孔隙结构，使该土层变得疏松，又由于排气孔的方向是向着斜上方的，故只会向斜上方喷出的压缩空气，挟带着变得疏松的土粒，沿着预制桩的锥形底面，喷出到水底表面。另一方面，由于压缩空气的扰动，海水或河水会与桩尖和桩壁附近的土粒混合形成比重较大的泥浆，喷出的压缩空气进入泥浆中，形成无数小气泡，使泥浆的比重减小，并且越靠近桩尖处，因压缩空气尚未扩散，气泡密度越大，泥浆的比重就越小，因而上浮，即在浮力的作用下，泥浆挟带着桩尖附近的土粒，升到水底表面。所以，在定向的压缩气流的冲击力和浮力的共同作用下，桩尖附近的土粒被排到水底表面，使桩尖阻力得到克服。

在压缩空气喷出和泥浆上浮的过程中，因为沉积层和桩侧壁接触处有空隙，故大部分高压气泡会沿着桩壁喷出，泥浆也会沿着桩壁上浮，使侧摩阻力大大减小。由于桩尖阻力和侧摩阻力都大大减小了，故本发明的预制桩在重力和喷出气流的反作用力的共同作用下，沿着导向管7逐渐沉降，而离桩壁较远的土层，没有受到压缩空气喷出和泥浆上浮的影响，粘聚力没有减小，抗剪强度未变，因此不会向桩壁挤压过来以至影响预制桩的沉降。

如桩基础由多段桩段组成，则当第一段桩被埋进了约三分之二以后，由潜水员松开法兰盘，使连接管15与其压力管分离，然后同样使第二段桩的压力管套在导向管外，并将第二段桩的下节压力管与第一段桩的上节压力管用法兰盘连接，为使上、下桩段的纵向槽对齐，可预先为上、下桩段的法兰连接螺孔编号，当编号对应时，纵向槽口就上下对齐了。接着将上、下桩段的配筋焊接好，并在桩段连接处围上钢模板，并注入水泥砂浆，待水泥砂浆凝固后，将管系重新连接好，并用一个小水泵将连接管和压力管内的水抽出，又可按上述方式继续使桩埋进。

由于本发明的预制桩是随着压缩空气的排出而不断下沉的，故沉埋速度较快。预制桩一直沉埋到基岩或持力层附近，被外径较大的管尖或钻头11挡住为止，此时桩就沉埋到位了，如图4所示。

最后向桩底压注水泥砂浆，最上一段预制桩的压力管与连接管15连接的法兰如图5所示。预制桩沉埋到位后，松开螺栓，拧下导向管7的密封盖6，并将法兰转一角度，再将螺栓拧紧，压力管的纵向槽2就被堵死了。然后将导向管内的水抽干，再将较大压力的压缩空气输入，高压空气经导向管7将板状阀9推开，从灌浆口10喷出，根据上述原理，将仍覆盖在基岩上的少量沉积物清除，形成一个空穴，如图4所示，再进行灌浆。

用进气阀16和砂浆阀20将钢制输气管12与贮浆罐19连接，贮浆罐是一个圆筒形的压力容器，如图6所示，就可向桩底压注水泥砂砂浆，其步骤是：

1.关闭阀16和阀20，打开排气阀18和顶盖17，将水泥砂浆倒入贮浆罐19内;

2.关闭阀18和顶盖17，打开阀16和阀20，在重力作用下，水泥砂浆通过导向管内和灌浆口10，填入桩尖处的空穴;

3.若一罐砂浆不够，可再关闭阀16和阀20，然后打开阀18和顶盖，倒入水泥砂浆，如上述步骤再压注。

在桩尖附近的空穴全部被水泥砂浆填满后，应在砂浆凝固前，及时将导向管旋转提出，以便回收。水泥砂浆凝固后，基岩被加固并与预制桩结合成一体，至此，本发明的钢筋混凝土桩基础即构筑完毕，本发明构筑的桩是端承桩。

若预制桩的截面积较大，需排出大量压缩空气，才能将桩尖附近的沉积物清除，和大大减小侧摩阻力，使桩顺利沉降。可用小容量空压机将压缩空气贮存在贮浆罐19中，沉桩时，打开阀20，大量压缩空气就从排气孔5快速喷出，使桩沉降，然后又关闭阀20，重新将压缩空气压入贮浆罐19中，以便继续使桩沉降，这样可用小容量空压机代替大容量空压机，减少了设备投资。

空压机的排气压强

P＝r₁h₁+r₂h₂+△P……（2）

式中：r₁-水比重

r₂-土容量

h₁-基础位置处水深

h₂-预制桩桩尖沉埋深度

△P-作功压强，与基础处土的种类有关，对于不同类型的土有不同的临界值，一般为5～7公斤/厘米²

由上式可知，桩基础处的水越深，沉积层越厚，要求空压机的排气压强越大。

下面举例说明本发明的实施。

设基础位置处水深50米，基岩埋设深度约100米，根据对该基础的垂直承载力和水平承载力的要求，需要将横截面积为10米²的预制钢筋混凝土桩设置于基岩上。

首先在该基础位置用工程钻机下导向管到基岩，测得该处基岩埋置深度为104.5米。又根据提升管提取的沉积物分析，沉积层从上至下由淤泥夹粘土透镜体层、砂土夹粘土层、砂砾层组成，基岩为风化较严重的石灰岩。测得沉积层的平均容重为2.3。通过从导向管内放下去的超声波探测仪测知，各层中均没有孤石等障碍物，适合沉桩施工。

将上述数据代入式（2）中，△P取7公斤/厘米²，得P＝36.04公斤/厘米²，故应选取排气压强大于36.04公斤的空压机，如5L-16/50型空压机，该型机的排压为50公斤/厘米²，排气量为16米³/分，因排气量较小，而待沉埋的桩的横截面较大，故可能要用贮浆罐暂时贮存压缩空气，以便沉桩时大量排出。

制作如图1所示的，横截面积为10米²。每段长约6～8米的圆柱形预制钢筋混凝土桩段，因预制桩段较大，故采用浮运法拖运到基础位置，即可按本发明所述的步骤，开始沉桩，并在预制桩沉埋到位后，压注水泥砂浆以加固风化较严重的基岩，使桩基础获得预期的承载力。

Claims (5)

1、一种水下基础桩施工法，首先在桩位采用工程钻机或小型打桩机，将钢制导向管穿过沉积层，垂直地设置于基岩上或持力层中，该导向管端部附近设有灌浆口，在导向管内壁套装有提升管;将预制钢筋混凝土桩段利用空气压缩机释放的压缩空气和桩段本身重力逐一沿着上述预先设置的导向管垂直沉埋到基岩或持力层，所述预制钢筋混凝土桩段中心部分固定着一根贯通全长的、内壁开有若干纵向槽且内径等于导向管外径的钢制压力管，这样所述压缩空气便从该纵向槽通过，向外面释放;利用所述导向管内的提升管清除导向管内的泥砂;通过导向管向桩底灌注水泥砂浆，砂浆从所述灌浆口流出填入空穴，使桩与基岩或持力层结合成一体。

2、根据权利要求1所述的水下基础桩施工法，其特征在于最下面一节预制钢筋混凝土桩段的底面为圆锥形，并包覆有薄钢板。

3、根据权利要求1、2所述的水下基础桩施工法，其特征在于预制钢筋混凝土桩段之间用法兰盘连接，最下面一段压力管向外开有若干圆锥形小孔。

4、根据权利要求1所述的水下基础桩施工法，其特征在于导向管底端用螺纹连接有硬质合金制成的桩尖或钻头;

5、根据权利要求1所述的水下基础桩施工法，其特征在于采用贮浆罐向导向管内注浆，同时兼作贮存压缩空气的贮气罐用。

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