多功能振动空压管及应用其进行软土地基加固的施工方法与流程

本发明涉及一种多功能振动空压管及应用其进行软土地基加固的施工方法，主要应用于软土地基加固方法上，适用于软土地基快速加固处理，属地基处理技术领域。

背景技术：

目前，在大面积软土地基加固处理过程中，常采用了“降水强夯法”，通过对需加固的软土地基插入井点管或塑料排水板、开沟明排等工艺，在降低地下水位的条件下，采用多遍强夯达到软土地基加固的目的。

但是，在实际施工过程中，强夯对软土地基的夯击能因软土的物理力学指标不同得到的效果也不尽相同，夯击能很难控制。同时受强夯机械设备的限制，其夯击能无法提高，直接影响了加固深度，因此降水强夯工艺一般用于浅层加固，其有效加固深度6m范围。由于强夯对土体的最佳含水量要求较高，所以在淤泥土进行强夯，不仅达不到所需的加固效果，反而因淤泥土的渗透系数差而导致破坏土体结构，夯后淤泥土难以恢复。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种空压加固设备，可以利用现有的振动桩机，在振动桩机钢管上设置加压装置，配置空压泵，组成空压加固设备。辅以在两振压点中设置降水井点，形成降水空压加固网格，由所需深度自下而上对需加固软土深层进行加固处理，以达到所需加固层厚的有效处理。通过空压加固法，自下而上的分层加固工艺，其加固深度得到有效保证，施工质量得到可靠保证，而且大大提高了工效，不但施工速度快，且质量可控可预见，为保证软土地基加固处理质量奠定了可靠的方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种空压加固设备，它包括振动锤和振动空压管，振动空压管为无缝钢管，振动锤连接振动空压管的顶部，振动锤的振动锤中孔和振动空压管位于同一垂直线上，振动空压管的顶端为封闭活门，振动空压管的一侧设置注气口，注气口处设置注气口活门，振动空压管的下端设置有多片活瓣组成的锥形活门。

振动空压管上设置灌料口，灌料口相应处的振动空压管设置灌料口活门。

振动空压管上注水口，注水口相应处的振动空压管设置注水口活门。

活瓣的数量一般为4-6片。

注气口处通过高压管连接空气压缩机。

应用上述的空压加固设备进行软土地基加固施工方法的步骤为：

步骤一、组装空压加固设备

步骤二、振动空压施工方法

2.1、根据地质勘察报告结合设计所需的技术指标，确定空压加固点布置网格，空压加固点有效加固范围当土质为较好土质条件下为振动空压管直径的3~4倍，当土质为淤泥土的条件下，则空压加固点有效加固范围为振动空压管直径的4~5倍，如遇夹层土及复杂地基，则需根据试验后确定布点间距；

2.2、在施工过程中，通过将振动空压管插入土体所需深度，然后开启空气压缩机，使管内压缩气压达到60kpa后，逐渐提升，在提升振动空压管的过程中，根据气压表显示的气压，确定提升速度，控制标准为气压保持60kpa；

2.3、对杂填土层及粉质粘土等土质较好软土采用振动空压加固处理，则可利用间隙开启空气压缩机的方式，利用间隙气压形成对土体的冲击力，提高土体的压实度。

步骤三、辅助措施

3.1、布置降水井点：根据加固设计深度，确定采用降水方法；浅层6~8m加固深度采用真空井点降水或管井降水方式，或者采取简单的开沟强排方法；

3.1.1、降水井点设置在两个空压加固点中间，其主要目的除降低土体含水量外还达到快速消散空压加固后土体内的超静孔隙水压力，最终目的是为了快速固结土体；

3.1.2、根据土质条件确定空压点布置网格后，依据“降水井点设置在两个空压加固点中间”这一原则布置降水井点网格；

3.1.3、降水井点网格布置完成后，连接各降水井点，并通过主管连接至真空泵，当深层采用分层降水井点时，则需注意同一分层连接一台真空泵的原则，组成不同分层的真空泵连接回路，确保降水效果；

3.1.4、各降水井点连接完成后，检查密封良好后，即开泵降水，经3~5天降水后，在地下水位下降至2~4m的条件下，即进入空压加固设备进行振动空压加固；

3.1.5、在振动空压加固过程中，需保证降水正常运行，对因妨碍振动空压加固的井点可采取暂时停泵或停井点运行，但振动空压加固点或区完成后须立即连接管路，保证降水正常；

3.2、浅层加固：由于空压加固法主要是解决深层加固处理，浅层0~3m经空压加固后会产生虚土现象，对此浅层可采用振动碾压或满夯等措施，以达到表层密实的目的；

浅层加固可根据空压加固后地基土的现状，如能满足设备进入，则在空压加固后进入振动碾压或强夯机进行满夯；如不能满足设备进入，则可等土体稳定后，进入设备进行浅层加固处理；

3.3、交付检测。

作为一种优选，激振锤下部用法兰与振动空压管连接，振动空压管直径根据激振锤的功率选配。

作为一种优选，在灌料口对侧180度位置设置注气口，注气口焊接气压管连接管。

作为一种优选，振动空压管入土端焊接锥形活门，以减少振动空压入土阻力，当振动空压管入土时，采用人工将多片活瓣闭合后插入土体；当钢管上拔时，锥形活门自动打开。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

采用本发明的空压加固设备进行软土地基加固施工方法具有以下优点：

1、一管到底，双重压实，工艺先进可靠，

利用现有振动桩机，即可进行降水空压加固施工；同时配置空气压缩机，对管内形成60kpa的空气压力，对管下土体进行加载，随着空压管的提升管内加载力不变的条件下，对需加固深层土体=60kpa+下卧层厚（m)×16kpa的加载体，确保了下卧层土体承载力特征值满足设计所需的指标。也即是在土体自重荷载+上覆荷载60kpa的空气压力，对下卧层土体进行压载加固，随着振动所压管上拔，下卧层土体越厚的条件下，下卧层土体受自重压力越大，其加固效果越好，地基土的承载力特征值（fak）越高。

该工艺在实施过程中，振动空压管入土对土体产生挤压作用以及振动空压管上拔过程中，对土体产生双重挤压排水作用，因此辅以降水工艺，利用土体受振动空压管入土过程中对土体的挤压作用，软土中的自由水及结合水被强制驱赶至周边井点内，通过井点外部真空泵抽真空，使井点内的地下水被排出土体；同时在振动加压过程中对土体施加的60kpa气压，又将土体内大部分结合水通过气压驱赶至真空负压的井点内。达到了快速排水和加快土体压缩固结的目的。

2、接力降水，解决了深层降水难题

现有井点降水工艺采用真空泵抽水，真空度随着井管入土深度的延伸其真空度衰减，因此对下卧层土体真空负压作用并不明显，经多次试验过程的实测结果，采取真空降水对8m以下土体内其真空负压仅为0.1kpa，因此，对下卧层土体的降水作用不明显，或者说对下部土体根本无作用。本发明则采取空压管入土挤压排水结合空气压力对土体的压缩，使深层土体内的大部分自由水和结合水，在挤压和气压的双重压力下，形成上升流，随着空压管上拔，下卧层土体在上覆土层荷载作用下，产生的自重压力越大，土体内的水分子随压力的增大而上升，达到真空泵负压作用的范围内，被真空泵抽出土体。

也就是说，本发明的降水效果并不是依靠真空泵抽真空来达到的，而是通过接力降水的方式，即6~8m以下降水是通过挤压和压缩空气对土体的加载来实现下卧土体内的自由水和结合水随土体加载压力而上升，该上升水流达到真空泵有限真空负压的范围时，被真空泵抽出土体而排出。

3、双重压力加固软土，实施简单。

利用现有的振动桩机，通过外置空气压缩机，在拔管过程中保持管内气压力60kpa，利用该气压对土体加载，当振动空压管上升1m，则对1m以下的土体施加了60kpa+（空压管半径的平方×3.14×16kpa）以上的加载力，振动空压管提升越高，对下卧层土体施加的荷载越大，下卧层土体承载力特征值也越高。

由于对土体施加荷载采用气压，且在整个施工点的施工保持气压的条件下，对土体的压力可以看作是静压，因此，其对土体的扰动作用比强夯施工小，对土体结构破坏也相应减少，再加上真空负压对土体产生的压缩作用，使土体在空压后得到快速恢复，为加快软土地基处理奠定了基础。

4、适用范围广，适宜于不同的软土加固处理

本发明得用振动空压管入土加固，因此，振动空压管入土深度即为加固有效深度。由于空压管为无缝钢管，其入土深度可根据需要任意加长，当振动桩机机架限制高度时，还可采用静压桩机抱压的模式，进一步延伸对需加固深度的土体进行加固处理。

同时，本发明不仅依靠气压对下卧层土体进行加载处理，还可利用间隙控制气压对需加固土体产生60kpa以上的冲击压力，操作时，操作人员在拔管过程中只需根据空气压力表控制，通过加快提升或降低提升速度来达到不同土质的气压加载施工。

5、施工成本低，速度快，土体强度成倍提高：

本发明与现有“降水强夯”相比，对土体扰动小，加固深度深，加固处理完成后，其加固深度范围内的土体强度可提高至80~100kpa以上。有效加固深度是井点降水的三倍，其加固效果相应是井点降水强夯的三倍。

无论是单位面积工程造价、还是工期、质量，本工艺造价低，工期短的优势更加明显。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为布置降水井点的示意图。

其中：

振动锤中孔1、振动锤2、顶端3、灌料口活门4、灌料口5、注气口6、注气口活门7、注水口8、振动空压管9、活瓣10、空压加固点11、降水井点12。

具体实施方式

参见图1，本发明涉及的一种空压加固设备，它包括振动锤2和振动空压管9，振动空压管9为无缝钢管，振动锤2连接振动空压管9的顶部，振动锤2的振动锤中孔1和振动空压管9位于同一垂直线上，振动空压管9的顶端3为封闭活门，振动空压管9的一侧设置注气口6，注气口6处设置注气口活门7，注气口6处通过高压管连接空气压缩机，振动空压管9的下端设置有多片活瓣10组成的锥形活门，活瓣10的数量一般为4-6片。

为了充分扩大空压加固设备的使用范围，还可在振动空压管9上设置灌料口5和注水口8，但在设置灌料口5和注水口8时应在相应的位置增设灌料口活门4和注水口活门，确保振动空压管的密封。

上述的空压加固设备的组装步骤：

1、振动锤：振动锤即激振锤的功率根据土质条件及设计加固深度确定，一般采用中孔双电机激振锤，由于本技术主要用于软土地基处理，其功率为60kw~90kw即可。

2、激振锤下部用法兰与振动空压管连接，振动空压管直径根据激振锤的功率选配，因振动空压管直径决定了加固软土有效范围，因此宜选用600左右的无缝钢管。振动空压管长度为入土所需深度确定，须注意的是两节无缝管焊接时须保证密封，不漏水无漏气。

3、在振动空压管顶端设置封闭活门，活门采用铰链反弹式，当须利用中孔激振锤对管内设置其他用途时，则只须压下该活门，就可进行其他工艺施工。在振动空压加固施工时，该活门则须保证密封，也可直接用铁板封闭。

4、为了使本设备通用于其他设备，做到一机多用，因此在振动空压管外壁开孔上设置一灌料口，以便于用于填料施工，在灌料口内壁设置橡皮封闭活门，该活门在采用填料施工时，从灌料口注入的砂土料可轻易地将活门顶开，在不灌料时，则自动将灌料口封闭。

5、在灌料口对侧180度位置（即管对侧）设置注气口，并焊接气压管连接管。该连接管通过橡胶的高压管连接空气压缩机。空气压缩机可固定在操作工人一侧，由操作工人控制。

6、振动空压管入土端焊接锥形活门，以减少振动空压入土阻力。当振动空压管入土时，采用人工将多片活瓣闭合后插入土体；当钢管上拔时，锥形活门自动打开。

上述空压加固设备除可利用现有的振动桩机外，还可采用静压桩机抱压施工，或采用吊车施工。

采用空压加固设备进行软土地基加固施工方法的步骤为：

步骤一、组装空压加固设备

步骤二、振动空压施工方法

2.1、根据地质勘察报告结合设计所需的技术指标，确定空压加固点布置网格，空压加固点有效加固范围当土质为较好土质条件下为振动空压管直径的3~4倍，当土质为淤泥土的条件下，则空压加固点有效加固范围为振动空压管直径的4~5倍。如遇夹层土及复杂地基，则需根据试验后确定布点间距。

2.2、在施工过程中，通过将振动空压管插入土体所需深度，然后开启空气压缩机，使管内压缩气压达到60kpa后，逐渐提升，在提升振动空压管的过程中，根据气压表显示的气压，确定提升速度，控制标准为气压保持40~60kpa。

2.3、对杂填土层及粉质粘土等土质较好软土采用振动空压加固处理，则可利用间隙开启空气压缩机的方式，利用间隙气压形成对土体的冲击力，提高土体的压实度。

步骤三、辅助措施（参见图2）

3.1、布置降水井点12：根据加固设计深度，确定采用降水方法；浅层6~8m加固深度可采用真空井点降水或管井降水方式，还可采取简单的开沟强排方法。深层8m以下加固处理，则需设置分层真空井点降水或轻型井点结合塑料排水板井点方式。

3.1.1、降水井点设置在两个空压加固点11中间，其主要目的除降低土体含水量外还达到快速消散空压加固后土体内的超静孔隙水压力，最终目的是为了快速固结土体。

3.1.2、根据土质条件确定空压点布置网格后，依据“降水井点设置在两个空压加固点中间”这一原则布置降水井点网格。

3.1.3、降水井点网格布置完成后，连接各降水井点，并通过主管连接至真空泵，当深层采用分层降水井点时，则需注意同一分层连接一台真空泵的原则，组成不同分层的真空泵连接回路，确保降水效果。

3.1.4、各降水井点连接完成后，检查密封良好后，即可开泵降水，经3~5天降水后，在地下水位下降至2~4m的条件下，即可进入空压加固设备进行振动空压加固。

3.1.5、在振动空压加固过程中，需保证降水正常运行，对因妨碍振动空压加固的井点可采取暂时停泵或停井点运行，但振动空压加固点或区完成后须立即连接管路，保证降水正常。

3.2、浅层加固：由于空压加固法主要是解决深层加固处理，浅层0~3m经空压加固后会产生虚土现象，对此浅层可采用振动碾压或满夯等措施，以达到表层密实的目的。

浅层加固可根据空压加固后地基土的现状，如能满足设备进入，则可在空压加固后进入振动碾压或强夯机进行满夯；如不能满足设备进入，则可等土体稳定后（一般为30天），进入设备进行浅层加固处理。

3.3、交付检测：采用空压加固法加固后，需待土体稳定30天后，才能进行检测，在这稳定期内，应保持降水正常运行。交付检测前应进行浅层加固处理。