一种软土地基处理装置及方法与流程

本发明涉及软土地基处理技术领域，尤其涉及一种软土地基处理装置及方法。

背景技术：

随着社会发展的需要，越来越多的软土将作为建筑物地基。软土作为地基或其他用途时，需要对其进行加固处理，由于软土具有高含水量、高孔隙比和高流塑性等性质，目前针对此类工程，排水固结法是一种常用的地基处理办法，其原理是通过设置砂井或塑料排水板等竖向排水体,使土层中的孔隙水主要从水平方向通过竖向排水体排出，从而增加土层的排水途径，缩短排水距离,在荷载作用下，加速土体排水固结，使土体在短时间内发生较大沉降，从而达到提高土体强度，减少工后沉降的目的，但这种传统的地基处理方式，只设置排水板作为竖向排水体，以上面的砂垫层为水平排水体，而地下软土中没有增加水平排水通道，因而排水效率不高，其具有工期长、造价高、施工作业复杂的局限性。

为了能在地下软土中没有增加水平排水通道，进而加快地基排水速度，提高地基处理效率，申请号为cn201611224965.4(授权公告号为cn106677156b)，公开了《一种应用气溶胶对软土地基进行扰动处理的方法》，设置排水体、垫层和排水沟、护筒或冲孔通道后，将喷射管穿过护筒或者冲孔通道，将气溶胶发生器中的液体或者固体气溶胶原料进行雾化，形成气溶胶，并以施以高压喷射入土体内部，喷射的气溶胶在土体中形成微小厚度的水平切割面，形成了水平排水通道，缩短了排水距离，达成快速排水的效果。

但在实际操作时，上述专利中的软土地基处理方式还存在有一定的不足，首先，这种喷射气溶胶在软土中形成的水平排水通道只为临时排水层，其主要靠添加在其中的一定量的无机高阳离子材料与相应的两亲性高分子聚合物材料对相接触的淤泥进行改性而形成微表排水体系，这种微表排水体系的水平排水通道的厚度很小，水平排水通道容易因软土层局部区域的不均匀沉降而阻塞，造成一定水平范围内的排水不均匀，影响整体的排水效率；其次，软土地基处理方式仍需要间隔设置较多的竖向排水体，造成了资源的浪费，此外添加有功能材料的气溶胶成本也相对较高，这增加了软土地基处理的成本。因而如何提供一种能在软土中形成稳定的水平排水层进而保证排水效率的地基处理方式成为了本技术领域人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的第一个技术问题是针对现有技术的现状，提供一种能在软土中形成稳定的水平排水层进而保证排水效率的软土地基处理装置。

本发明所要解决的第二个技术问题是针对现有技术的现状，提供一种能在软土中形成稳定的水平排水层进而保证排水效率的软土地基处理方法。

本发明解决第一个技术问题所采用的技术方案为：一种软土地基处理装置，包括：

气砂混合输送装置，包括用于将砂料进行流化形成气砂混合流体的混合室以及向混合室提供气体动力的气体产生装置，所述混合室具有砂料进口、空气进口以及出料口，所述气体产生装置连接所述混合室的空气进口，所述出料口连接有用于输送气砂混合流体的输料管；

气砂喷射装置，包括用于向下插入软土层中钻杆组件，该钻杆组件与所述输料管相连通，所述钻杆组件上具有用将气砂混合流体向外喷出的第一喷射孔；

动力装置，用于驱动所述钻杆组件上下移动以及带动钻杆组件绕自身轴线转动。

为了将气砂混合流体能够稳定地向一侧喷出形成水平排水层，所述钻杆组件包括空心钻杆以及设于所述空心钻杆中的导料管，所述导料管的上端与所述输料管相连通，所述导料管的下部的侧壁上还连接有延伸至所述空心钻杆的外壁上的喷射管，所述喷射管的端口形成所述的第一喷射孔。

为了进一步增大水平排水层的铺设范围，所述喷射管为能沿所述空心钻杆的径向方向向外延伸的伸缩管，该所述伸缩管能向内缩回而收容在所述空心钻杆与所述导料管之间形成的空腔内。当空心钻杆向下钻进或向上提升时，喷射管能够收容在所述空心钻杆与所述导料管之间形成的空腔内，避免对空心钻杆的上下移动造成干涉。

作为改进，所述喷射管为一级伸缩管、两级伸缩管或者多级伸缩管中的其中一种。可以根据实际作业需求将喷射管设计为一级伸缩管、两级伸缩管或者多级伸缩管。

为了保证伸缩管能够稳定地伸出并缩回，所述喷射管为二级伸缩管，包括沿长度方向依次连接的第一管件、第二管件和第三管件，所述第一管件连接在所述空心钻杆与所述导料管之间，所述第一管件的壁上设有与第一管件同轴设置的第一环形槽液腔，该第一环形槽液腔与外部液压管路相通，所述第二管件沿轴向活动地设于所述第一环形槽液腔中并能在液压作用下向外伸出，所述第二管件的壁上设有与第二管件同轴设置的第二环形槽液腔，该第二环形槽液腔与第一环形槽液腔相通，所述第三管件沿轴向活动地设于所述第二环形槽液腔中并能在液压作用下向外伸出，所述的第一喷射孔位于所述第三管件的外端部。当需要将喷射管伸出空心钻杆外时，可通过相应的液压控制系统，将液体注入第一环形槽液腔及第二环形槽液腔中，驱动第三管件及第二管件相对第一管件向外伸出；当需要将喷射管缩回空心钻杆内时，通过相应的液压控制系统，使第一环形槽液腔及第二环形槽液腔中液体泄压回流，驱动第二管件及第三管件相对第一管件向内缩回。其中，液压控制系统的液力介质可以为水也可以为油液等液体，为了方便密封、润滑以及避免管件生锈，优选为采用油液；液压系统若采用不锈钢材料，宜优先采用水液。

为了提高水平排水层的铺设速度，所述喷射管沿所述导料管的长度方向对应设有多组，每组喷射管包括三个喷射管，该三个喷射管沿所述导料管的圆周方向均匀间隔设置。

为了能在钻杆组件向上提升过程中形成与上述的水平排水砂层相接合的竖向排水砂井，所述导料管的下端连接在所述空心钻杆的底部，导料管的下端具有供气砂混合流体向下喷射出的第二喷射孔，所述第二喷射孔上设有能封闭或打开的第二喷射孔的第二活门，所述第一喷射孔上也设有能封闭或打开的第一喷射孔的第一活门。钻杆组件在一次钻进及钻出软土层的过程中，能够一次形成水平排水砂层及竖向排水砂井，这有效提高了地基处理的速度，且避免了额外铺设其他的竖向排水体，节省了成本。

作为改进，所述气体产生装置为空压机。

本发明解决第二个技术问题所采用的技术方案为：软土地基处理方法包括以下步骤：

步骤1、铺设垫层，在待处理的软土地基表面铺设垫层；

步骤2、设置气砂混合输送装置及钻杆组件，通过动力装置驱动钻杆组件穿过垫层打入软土中，并将气体产生装置与混合室的进气口连接，将输料管与混合室的出口及钻杆组件连接；

步骤3、喷射形成水平排水砂层，通过砂料进口向混合室中加入砂料，开启气体产生装置向混合室中输入气体，使气砂在混合室中充分混合后形成气砂混合流体，然后经输料管送至钻杆组件中，同时动力装置驱动钻杆组件旋转，使气砂混合流体经钻杆组件的第一喷射孔向侧部喷出形成水平排水砂层；

步骤4、喷射形成竖向排水砂井，在水平排水砂层喷射完成后，通过动力装置提升钻杆组件，同时开启对应设于在钻杆组件的下端部的第二喷射孔，使气砂混合流体经第二喷射孔向下喷出，以在钻杆组件向上提升过程中形成与上述的水平排水砂层相接合的竖向排水砂井；

步骤5、构建纵横立体排水网，在其余设定位置，依次重复步骤2-步骤4，形成稳定的纵横立体排水网，其中，在相邻的设定位置喷射形成的水平排水砂层在水平方向上连续相接合。

作为改进，所述钻杆组件包括空心钻杆以及设于所述空心钻杆中的导料管，所述导料管的上端与所述输料管相连通，所述导料管的下部的侧壁上还连接有延伸至所述空心钻杆的外壁上的喷射管，所述喷射管的端口形成所述的第一喷射孔，所述喷射管为能沿所述空心钻杆的径向方向向外伸出并可向内缩回而收容在所述空心钻杆与所述导料管之间的空腔内的伸缩管；

在步骤3中，结合竖向管体直径、材料性能及伸缩管的多级性，所述的喷射管可向外伸出0.2-1.0m，宜为0.3-0.6m，当然，也可根据实际需要，选择更长的伸缩管；首先喷射管向外伸出后在外围铺设第一环形水平排水砂层，然后依次向内缩回至设定距离后，继续喷射形成第二环形水平排水砂层，依次循环往复，并使相邻的两个环形水平排水砂层连续结合，最终铺设形成圆形的水平排水砂层。

与现有技术相比，本发明的优点：本发明中的软土地基处理装置：首先该软土地基处理装置能够将气砂充分混合形成气砂混合流体然后经气砂喷射装置的钻杆组件喷射在软土层中形成透水良好的水平排水砂层；其次在气力作用下铺设形成的水平排水砂层具有一定的强度及厚度，相当于在软土加了软筋，不容易发生变形而使排水通道阻塞，即使软土发生少量差异沉降，由于砂层的可弯曲形变性，也能协调软土差异沉降，提高了排水的均匀性及排水效率；再次由于水平砂层的存在，增加了土体中的附加应力，相当于软土中增加了堆载，加速软土排水，水平排水砂层的填充，可减少施工期地表沉降量；最后水平砂层切割软土径向厚度并与钻杆体形成的竖向砂井，组成立体排水网，大大缩短软土排水固结时间，软土经排水完成后而形成的固结土体的强度更高，避免了工后沉降问题。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例的结构示意图(喷射管处于伸出空心钻杆外的状态)；

图3为本发明实施例结构示意图(钻杆组件处于向上提升状态)；

图4为本发明实施例的软土地基铺设水平排水砂层以及竖向排水砂井后的结构示意图；

图5为本发明实施例的软土地基铺设水平排水砂层以及竖向排水砂井后的结构示意图(俯视角度)；

图6为本发明实施例中铺设一个水平排水砂层的示意图；

图7为本发明实施例的钻杆组件的结构示意图；

图8为本发明实施例的钻杆组件的结构示意图(喷射管处于伸出状态)；

图9为本发明实施例的喷射管的立体结构示意图(处于收缩状态)；

图10为本发明实施例的喷射管为一级伸缩管的立体结构示意图(处于伸出状态)；

图11为本发明实施例的喷射管为二级伸缩管的立体结构示意图(处于伸出状态)；

图12为本发明实施例的喷射管为二级伸缩管的轴向剖视图(处于收缩状态)；

图13为本发明实施例的喷射管为二级伸缩管的轴向剖视图(处于伸出状态)；

图14为图12中a处的放大图；

图15为图13中a处的放大图；

图16为图13中b处的放大图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

参见图1-图16，一种软土地基处理装置，包括气砂混合输送装置、气砂喷射装置以及动力装置，其中，气砂混合输送装置用于将砂料充分流化形成气砂混合流体，然后送入插设在软土层中的气砂喷射装置中，通过气砂喷射装置向软土中进行喷射形成水平排水砂层52。

参见图1-图3，气砂混合输送装置包括气体产生装置以及混合室10，混合室10包括砂料进口、空气进口以及出料口，其中，砂料进口设于混合室10的上部，用于盛放砂料的送料装置14连接混合室10的砂料进口，砂料可以从砂料进口送入混合室10中，砂料进口位置还设有用于控制砂料流量的控制阀门13。空气进口位于混合室10的下部位置，本实施例中的气体产生装置为空压机12，空压机12与混合室10的空气进口连接，进一步地，混合室10中可设置有相应的流化板(未示出)，从而使砂料进入混合室10后能够充分流化形成气砂混合流体，混合室10的出料口连接有输料管11，气砂混合流体可经该输料管11送至气砂喷射装置中。本实施例中的气砂混合输送装置可以采用现有技术的用于使气固充分混合然后进行气力输送的气力输送系统，其结构及工作过程均为公知技术，在此不赘述，如申请号为cn201310461111.8(公开号为cn104512728a)公开的《一种面粉的气力输送的气固混合室》。

参见图1-图7，气砂喷射装置包括向下插入软土层中的钻杆组件20，具体地，钻杆组件20包括空心钻杆21以及空心钻杆21中的导料管22，导料管22与空心钻杆21同轴设置，其中，导料管22的下端与空心钻杆21的下端连接，导料管22的上端与空心钻杆21的上端连接，两者形成一个整体且能够在动力装置的驱动下一起转动，本实施例中的动力装置可以采用电机驱动或者液压驱动等方式，只要能够带动钻杆组件20上下移动以及带动钻杆组件20绕自身轴线转动即可，其中，用于带动相应钻杆动作的动力装置，其结构及传动过程均为现有技术，在此不赘述。

继续参见图1-图7，钻杆组件20的导料管22的上端与输料管11相连通，导料管22的下部的侧壁上还连接有喷射管40，具体地，喷射管40自导料管22的侧壁位置沿导料管22的径向方向向外延伸至空心钻杆21的外壁上，即喷射管40的第一端(内端)连接在导料管22的侧壁上并与导料管22相通，喷射管40的第二端连接在空心钻杆21的壁上，喷射管40的第二端的端口形成第一喷射孔31，气砂混合流体可通过该第一喷射孔31向软土中喷射形成水平排水砂层52，本实施例中，第一喷射孔31的直径为0.2-20cm，优选为2-5cm，当然也可根据需要，增大伸缩管直径，从而加大喷射孔31的直径。

参见图7，为了提高水平排水砂层52的铺设速度，喷射管40沿导料管22的长度方向对应设有多组，相邻两组喷射管40的高度距离为20-200cm，宜为30-80cm，也可根据软土厚度、喷射孔31直径要求对上述高度距离进行调整。本实施例中的每组喷射管包括三个喷射管40，该三个喷射管40沿导料管22的圆周方向均匀间隔设置。在进行铺设水平排水砂层52时，钻杆组件20在动力装置的驱动下，旋转120度的范围便可完成一个圆形范围的水平排水砂层52的铺设。

参见图3及图7，导料管22的下端连接在空心钻杆21的底部，导料管22的下端具有供气砂混合流体向下喷射出的第二喷射孔32，本实施例中第二喷射孔32的直径宜为1-20cm，宜为5-10cm，也可加大钻杆20直径，从而加大第二喷射孔32直径。第二喷射孔32上设有能封闭或打开的第二喷射孔32的第二活门33，第一喷射孔31上也设有能封闭或打开的第一喷射孔31的第一活门34。当进行水平排水砂层52可关闭第二活门33将导料管22的下端的第二喷射孔32封堵住，而只通过第一喷射孔31喷射气砂混合流体，而当水平排水砂层52铺设完成后，将钻杆组件20向上提升过程中，可关闭第一活门34将第一喷射孔31封堵住，只通过第二喷射孔32向下喷射气砂混合流体，形成与上述的水平排水砂层52相接合的竖向排水砂井53。上述第一活门34及第二活门33可以现有技术中通过电控开启或关闭的活门结构，第一活门34及第二活门33的设置可以有效避免软土层的泥浆堵住第一喷射孔31及第二喷射孔32，起到包括作用。本实施例中的钻杆组件20在一次钻进及钻出软土的过程中，能够一次形成水平排水砂层52及竖向排水砂井53，这有效提高了地基处理的速度，而不用再额外铺设其他的竖向排水体，节省了成本。

参见图7及图8，本实施例中的喷射管40为能沿空心钻杆21的径向方向向外延伸的伸缩管，该伸缩管能向内缩回而收容在空心钻杆21与导料管22之间形成的空腔200内。具体地，当空心钻杆21向下钻进或向上提升时，喷射管40能够收容在空心钻杆21与导料管22之间形成的空腔内，避免对空心钻杆21的上下移动造成干涉。

为了进一步增大水平排水层的铺设范围，本实施例中的喷射管40可以根据实际作业需求设计为一级伸缩管、两级伸缩管或者多级伸缩管。如图10示出的喷射管40为一级伸缩管；如图11-图13示出的喷射管40为二级伸缩管。

参见图11-图13，本实施例的喷射管40以二级伸缩管为例对喷射管40的伸缩过程进行说明。喷射管40为二级伸缩管，包括沿长度方向依次连接的第一管件41、第二管件42和第三管件43，第一管件41连接在空心钻杆21与导料管22之间，第一管件41的壁上设有与第一管件41同轴设置的第一环形槽液腔410，第一管件的壁上设有连通所述第一环形槽液腔410的第一液孔44，该第一环形槽液腔410通过第一液孔44与外部液压管路(未示出)相通，第二管件42沿轴向活动地设于第一环形槽液腔410中并能在液压作用下向外伸出，第二管件42的壁上设有与第二管件42同轴设置的第二环形槽液腔420，第二管件42的内端的端壁上设有第二液孔45，该第二环形槽液腔420通过第二液孔45与第一环形槽液腔410相通，第三管件43沿轴向活动地设于第二环形槽液腔420中并能在液压作用下向外伸出，第一喷射孔31位于第三管件43的外端部。当需要将喷射管40伸出空心钻杆21外时，可通过相应的液压控制系统，将液体打入第一环形槽液腔410及第二环形槽液腔420中，驱动第三管件43及第二管件42相对第一管件41依次向外伸出；当需要将喷射管40缩回空心钻杆21内时，通过相应的液压控制系统，使第一环形槽液腔410及第二环形槽液腔420中液压回流，带动第二管件42及第三管件43相对第一管件41向内缩回。

参见图14-图16，为了保证第二管件42、第三管件43相对第一管件41移动时的稳定性及密封性，第二管件42的内端的外壁上套设有第一密封件61，以实现第一管件41的第一环形槽液腔410的壁面与第二管件42的外壁之间的密封性。第二管件42的内端的内壁上嵌设有第二密封件62，以实现第一管件41的第一环形槽液腔410的壁面与第二管件42的内壁之间的密封性。第三管件43的内端的外壁上套设有第三密封件63，以实现第三管件43的第二环形槽液腔420的壁面与第三管件43的外壁之间的密封性。第三管件43的内端的内壁上嵌设有第四密封件64，以实现第三管件43的第二环形槽液腔420的壁面与第三管件43的内壁之间的密封性。当然，为了对第二管件42及第三管件43在轴向上进行限位，第一管件41的外端口位置设有用于对第二管件42进行轴向限位的第一挡肩71，对应地，第二管件42的内端的外壁面上设有能与第一挡肩71相抵的第一台阶部73，第二管件42的外端口位置设有用于对第三管件43进行轴向限位的第二挡肩72，第三管件43的内端的外壁面上设有能与第二挡肩72相抵的第二台阶部74。

本实施例中软土地基处理方法包括以下步骤：

步骤1、铺设垫层，在待处理的软土地基表面铺设垫层51。

步骤2、设置气砂混合输送装置及钻杆组件20，通过动力装置在相应的设定位置驱动钻杆组件20穿过垫层51打入软土50中，并将空压机12的出气端与混合室10的进气口连接，将输料管11与混合室10的出口及钻杆组件20连接。为了方便钻杆组件20钻入软土中，钻杆组件20的空心钻杆21的下端可以设置成锥型。

步骤3、喷射形成水平排水砂层52，开启控制阀门13，通过砂料进口向混合室10中加入砂料，开启空压机12向混合室10中输入气体，使气砂在混合室10中充分混合后形成气砂混合流体，然后经输料管11送至钻杆组件20的导料管22中，同时通过动力装置驱动钻杆组件20旋转，使气砂混合流体经钻杆组件20的喷射管40上的第一喷射孔31向侧部喷出形成水平排水砂层52，在本实施例中，钻杆组件20的转速为10-100r/min，宜为20-50r/min，形成的水平排水砂层52的厚度为2-50cm，通常为5-20cm厚。

步骤4、喷射形成竖向排水砂井53，在水平排水砂层52喷射完成后，通过动力装置提升钻杆组件20，同时开启对应设于在钻杆组件20的下端部的第二喷射孔32，使气砂混合流体经第二喷射孔32向下喷出，以在钻杆组件20向上提升过程中形成与上述的水平排水砂层52相接合的竖向排水砂井53，本实施例中竖向排水砂井53的直径基本与钻杆20直径相同，为30-100cm，宜为40-60cm，也可加大钻杆20直径增加竖向排水砂井53的直径，详见图3。

步骤5、构建纵横立体排水网，在其余设定位置，依次重复步骤2-步骤4，形成稳定的纵横立体排水网，其中，在相邻的设定位置喷射形成的水平排水砂层52在水平方向上连续相接合，详见图4及图5。

在上述步骤3中，喷射管40可向外伸出0.2-1.0m，宜为0.3-0.6m，具体地，首先通过液压控制系统驱动喷射管40伸出到最外端时，启动气砂混合输送装置及气砂喷射装置，向软土50喷射气砂，在外围铺设第一环形水平排水砂层52a，第一环形水平排水砂层52a铺设完成后，通过液压控制系统驱动喷射管40向内缩回至设定距离后，继续旋转喷射形成第二环形水平排水砂层52b，依次循环往复，并使相邻的两个环形水平排水砂层52连续结合，最终喷射管40会完全缩回而收容在空心钻杆21与导料管22之间形成的空腔200内，继续旋转喷射，最终铺设形成圆形的水平排水砂层52，详见图6。

在喷射管40不伸出时，喷射形成的水平排水砂层52的半径范围可以达到0.5-2.0m(具体可通过控制操作压力来实现)，而在喷射管40伸出时，喷射形成的水平排水砂层52的半径范围可以达到0.7-3.0m，这有效增大了水平排水砂层52的铺设范围，提高了软土地基的有效处理面积。

本实施例中的软土地基处理装置具有多个优点：

(1)、该软土地基处理装置能够将气砂充分混合形成气砂混合流体然后经气砂喷射装置的钻杆组件20喷射在软土层中形成透水良好的水平排水砂层52；其中，在气力作用下铺设形成的水平排水砂层52具有一定的强度及厚度，相当于在软土加了软筋，不容易发生变形而使排水通道阻塞，即使软土发生少量差异沉降，由于砂层的可弯曲形变性，也能协调软土差异沉降，提高了排水的均匀性及排水效率；并且，由于水平排水砂层52的存在，增加了土体中的附加应力，相当于软土中增加了堆载，加速软土排水；最后水平排水砂层52的填充，可减少地表沉降量。

(2)水平砂层切割软土径向软土厚度并与钻杆组件20提升过程中形成的竖向砂井组成了稳定的纵横立体排水网，大大缩短软土排水固结时间，软土经排水完成后而形成的固结土体的强度更高，避免了工后沉降问题。

(3)该软土地基处理装置中的可伸缩的喷射管40能够有效增大水平排水砂层52的铺设面积，提高了软土地基的有效处理面积。

(4)钻杆组件20在一次钻进及钻出软土的过程中，能够一次形成水平排水砂层52及竖向排水砂井53，这有效提高了地基处理的速度，而不用再额外铺设其他的竖向排水体，节省了成本。