一种含气土层灌注桩施工的沉管装置及其施工方法与流程

本发明属于土木工程施工技术领域，具体涉及一种含气土层灌注桩施工的沉管装置及其施工方法。

背景技术：

含气土层以分布在沼泽湿地、河口、三角洲以及湖泊和海床中的含气沉积物最为常见。一般从地表以下20m到1500m的各类地层均有分布，而这个区域会涉及大量的工程建设。为了防范浅层气地质灾害对建设工程的影响，有必要制定出合理、可靠的专项施工方案。目前，桩基是含气土区域经常采用的基础形式，而灌注桩已被工程实践证明具有极强的灵活性，但传统的方法无法在含气土区域施工。所以迫切需要一种既能够在含气土层施工，又可以提高含气土层承载力的灌注桩施工装置和方法，最好还能兼顾清洁能源的再利用。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷与不足，提供一种安全可靠、成本可控、灵活操作、符合含气土层特性的含气土层灌注桩施工的沉管装置及其施工方法，既可以防止含气土层气体喷发引起的工程灾害，又可以保证桩身成桩质量，增强含气土层范围内桩端和桩侧土体承载能力，降低基桩的沉降变形。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种含气土层灌注桩施工的沉管装置，包括空心管体，所述空心管体内部上下两端分别可拆卸的连接有排气装置和进气装置，所述空心管体设有进气装置的一端底部连接桩尖活瓣，所述进气装置设置在桩尖活瓣和空心管体内壁的卡块之间，所述进气装置包括由上至下依次连接的透气层、轻质材料层和过滤层，所述轻质材料层上分布有多个进气孔，所述进气孔内设有活塞，所述活塞与透气层之间通过弹簧连接。

本发明所述排气装置包括钢板密封层和设置在贯穿钢板密封层的排气管上的排气阀，所述钢板密封层与空心管体之间通过螺纹或卡扣密封连接，所述排气阀设置在空心管体的顶部以下。

本发明所述进气装置与空心管体之间还设有弹片，所述弹片设置在桩尖活瓣与卡块之间。

本发明所述透气层上分布有多个透气孔，所述轻质材料层上对称分布有四个进气孔，所述进气孔内设有与其形状相匹配的活塞，且每个活塞与透气层之间均设有三个均匀分布的弹簧。

本发明所述活塞为上宽下窄的倒梯形圆柱活塞，所述轻质材料层为不透水的轻质材料，所述弹簧为可调节弹簧。

一种含气土层灌注桩施工的沉管装置的施工方法，包括步骤如下：

1)在空心管体设有桩尖活瓣的一端内部预先安装进气装置，预设弹簧的压力，排气装置通过螺纹或卡扣密封安装到空心管体的另一端内部，并确保排气阀低于空心管体的顶面设置；

2)采用静压或动力沉管法对空心管体进行施工；

3)当桩尖活瓣进入含气土层后，桩尖活瓣自动打开，气体经进气装置进入进气装置和排气装置之间的储气缓冲区，当储气缓冲区的气体量或压力较大时，缓冲区压力可反作用于弹簧，从而平衡活塞的位置，控制储气缓冲区的气体压力；

4)控制排气装置的排气阀，依据储气缓冲区的气体压力和流量进行排气，使桩端土体趋于密实，然后继续进行沉管施工；

5)当空心管体端部达到设计标高后，通过排气阀控制排气速度和流量，持续排气，当气体释放趋于稳定，压力或流量低于设计值、土体密实度达到预定要求时，关闭排气阀，卸除排气装置；

6)按照常规沉管灌注混凝土桩的施工方法，进行后续施工。

本发明所述步骤4)和步骤5)中排出的气体通过气液分离装置进行收集储存再利用。

采用上述技术方案后，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明的一种含气土层灌注桩施工的沉管装置，在空心管体前后设置进气装置和排气装置，管身设置储气缓冲空间，结构简单，安装方便，使得含气土层中气体通过进气装置进入储气缓冲空间，并通过排气装置排出，排气效果好，可防止含气土层中气体喷发引起的工程灾害，降低人员和财产损失，也可增强含气土层范围内桩端和桩侧土体承载能力，降低基桩的沉降变形，适用于陆地和近海区域桩基施工；

(2)本发明的一种含气土层灌注桩施工的沉管装置，其排气装置和进气装置均可拆卸的设置在空心管体内部，结构巧妙灵活，施工效率高；

(3)本发明的进气装置，其过滤层能够过滤含气土层中的杂质，轻质材料层能够防止水进入管体，轻质材料层的进气孔中的活塞与透气层之间通过弹簧连接，能够在储气缓冲区气体压力较大时，平衡进气活塞位置，控制储气缓冲区气体压力；

(4)本发明的排气装置，其通过排气阀控制排气，可防止气体喷发引发的地基失稳、桩架坍塌、灌注桩施工失效和火灾爆炸，同时可对气体(ch4)进行收集再利用，同时通过排气阀实现有序排气，可以依据实际气体压力和排出流量，选择是否卸除排气装置，可保证基桩施工的可靠性和安全性；

(5)本发明的一种含气土层灌注桩施工的沉管装置的施工方法，其施工操作方便简单，作用机理符合含气土层桩基施工的灾变规律，设计中充分考虑了含气土的工程特性；施工效率高，布置灵活，适用于各种含气土层的灌注桩施工，整个装置在含气土层的沉管灌注桩施工过程中既保证了施工作业的安全，又可增加土体承载力，减少工后变形，并形成清洁能源的再利用。

附图说明

图1为本发明一种含气土层灌注桩施工的沉管装置的结构示意图；

图2为本发明一种含气土层灌注桩施工的沉管装置的部分结构示意图；

图3为本发明中进气装置的剖视图；

图4为本发明中进气装置的俯视图；

图5为本发明中排气装置的剖视图；

图6为本发明沉管装置进入含气土层前的状态图；

图7为本发明沉管装置进入含气土层的状态图；

图8为本发明沉管装置进入含气土层桩尖活瓣打开的状态图；

图9为本发明后续灌注混凝土的工作示意图。

其中：空心管体1、排气装置2、进气装置3、桩尖活瓣4、卡块5、透气层6、轻质材料层7、过滤层8、活塞9、弹簧10、钢板密封层11、排气阀12、弹片13、透气孔14、进气孔15。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明一种含气土层灌注桩施工的沉管装置，包括空心管体1，空心管体1为圆柱型空心管体，且空心管体1内部上下两端分别可拆卸的连接有排气装置2和进气装置3，排气装置2和进气装置3之间形成储气缓冲区，空心管体1设有进气装置3的一端底部连接桩尖活瓣4，具体的，如图2所示，进气装置3设置在桩尖活瓣4和空心管体1内壁的卡块5之间，进气装置3与空心管体1之间还设有弹片13，弹片13设置在桩尖活瓣4与卡块5之间，通过弹片13和卡块5的联合作用实现对进气装置3的安装定位，具体的，如图3-4所示，进气装置3包括由上至下依次连接的透气层6、轻质材料层7和过滤层8，透气层6上分布有多个透气孔14，轻质材料层7上分布有多个进气孔15，进一步的，轻质材料层7上对称分布有四个进气孔15，进气孔15内设有活塞9，活塞9与透气层6之间通过弹簧10连接，进一步的，每个活塞9与透气层6之间均设有三个均匀分布的弹簧10，且活塞9为上宽下窄的倒梯形圆柱活塞，轻质材料层7为不透水的轻质材料，弹簧10为可调节弹簧。

如图5所示，排气装置2包括钢板密封层11和设置在贯穿钢板密封层11的排气管上的排气阀12，钢板密封层11与空心管体1之间通过螺纹或卡扣密封连接，排气阀12设置在空心管体1的顶部以下，排气阀12连接气液分离收集装置，气液分离装置为现有技术，在此不再赘述。

本发明的一种含气土层灌注桩施工的沉管装置的施工方法，包括步骤如下：

1)在空心管体1设有桩尖活瓣4的一端内部预先安装进气装置3，预设弹簧10的压力，排气装置2通过螺纹或卡扣密封安装到空心管体1的另一端内部，并确保排气阀12低于空心管体1的顶面设置；

2)采用静压或动力沉管法对空心管体1进行施工；

3)当桩尖活瓣4进入含气土层后，桩尖活瓣4自动打开，气体经进气装置3进入进气装置3和排气装置2之间的储气缓冲区，当储气缓冲区的气体量或压力较大时，缓冲区压力可反作用于弹簧10，从而平衡活塞9的位置，控制储气缓冲区的气体压力；

4)控制排气装置2的排气阀12，依据储气缓冲区的气体压力和流量进行排气，使桩端土体趋于密实，然后继续进行沉管施工，可以边压桩边进行排气作业，气体通过进气装置3进入管身储气缓冲区域，由排气装置2排气，通过排气阀12控压或控流量进行排气；

5)当空心管体1端部达到设计标高后，通过排气阀12控制排气速度和流量，持续排气，当气体释放趋于稳定，压力或流量低于设计值、土体密实度达到预定要求时，关闭排气阀12，卸除排气装置2；

6)按照常规沉管灌注混凝土桩的施工方法，进行后续施工。

上述步骤4)和步骤5)中排出的气体通过气液分离装置进行收集储存再利用。

上述步骤6)中后续施工中，放置钢筋笼、灌注混凝土，拔管施工等与一般沉管灌注桩施工相同，需要说明的是，在灌注混凝土时，进气装置3由灌注混凝土压入土层中，不可再次使用。

具体施工过程如图5所示，当桩尖进入含气土层之前，可按照普通土层中沉管施工工艺控制施工过程；如图6，当桩尖进入含气土层，桩身会出现突然下沉，这时开始控制排气，使桩端土体趋于密实，然后再继续压桩施工，排出的气体可进行收集储存再利用；如图7，当桩端进入含气土层设计标高后，可持续控制排气，提高桩端土体承载力；如图8，当土体达到预期承载能力，气体压力和流量低于设计值时，关闭排气阀，卸除排气装置2，按照常规沉管灌注混凝土桩的施工方法，进行后续施工。

本发明提供的一种含气土层灌注桩施工的沉管装置及其施工方法，通过空心管体前后设置进气装置和排气装置，管身设置储气缓冲空间，使得含气土层中气体通过进气装置进入储气缓冲空间，并通过排气装置排出，做到有序排气且排气效果好，可防止含气土层中气体喷发引起的工程灾害，降低人员和财产损失，也可增强含气土层范围内桩端和桩侧土体承载能力，降低基桩的沉降变形，适用于浅海和陆地中浅层气分布区域，并可形成清洁能源的再利用，其工程应用前景广阔。

本发明的一种含气土层灌注桩施工的沉管装置的施工方法，作用机理符合含气土层桩基施工的灾变规律，设计中充分考虑了含气土的工程特性；施工效率高，布置灵活，适用于各种含气土层的灌注桩施工，整个装置在含气土层的沉管灌注桩施工过程中既保证了施工作业的安全，又可增加土体承载力，减少工后变形，并为浅层气的搜集再利用提供了一条途径。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。