本发明涉及一种管桩施工装置及其施工方法，涉及土木工程施工技术领域的一种用于填海筑岛能排水的多功能管桩的施工装置及施工方法，可针对不同的工程状况，达到加速土体固结并提，填筑基础承载力，抗拔，抗侧等的效果并可有效控制填筑土层的不均匀沉降。
背景技术：
目前随着我国经济建设的高速发展，东部发达沿海地区土地资源有限，同时人民对于居住环境的需求日益增长，填海筑岛工程例如滨海新城区，大型港口，新机场，高速铁路等工程建设进入了高速发展阶段。目前，环渤海湾经济带，长江三角洲，珠江三角洲等处于软弱土环境的区域呈现出对于填海筑岛的极大的需求。填海筑岛中将对近海区域的填筑和填筑土层的排水固结完成，使得填筑的人工岛具有一定的承载力同时可以快速高效进行后续施工建设。目前填海筑岛的施工方法主要由吹砂填海，挖山填海，吹砂与挖山填海混合型三种类型。其中挖山填海具有以下特点：(1)填筑基础结构疏松，(2)对自然环境破坏大，污染较高；吹砂填海具有以下特点：(1)承载力较低，(2)自重固结时间长，(3)填筑费用高。现常用的桩基复合地基来加固填筑土层特点如下：(1)土层的承载力有一定的提升，(2)自重固结时间长，一般约为2-3年，可能产生较大的沉降，不适合工程建设快速开发的需求，(4)由于近海大陆架土层性质不一，极易产生填筑后的不均匀沉降，不利于后续例如高层建筑，大型机场的施工，会产生差异沉降引起房屋开裂，机场飞机起降的影响；排水固结法采用塑料排水板作为竖向排水体，再采用堆载预压、真空预压或二者结合的方法对土层进行排水固结具有以下特点：(1)可以做到对土体的排水固结，但无法大幅提升土体的承载力，(2)无法伴随土体填筑的过程同步完成，工期较长，(3)排水固结具有均一性，无法完成调节局部地区的差异沉降。填海筑岛的工程状况较为复杂，目前的地基处理方法的改善目的都较为单一，无法同时满足承载力，抗拔，抗侧等多种需求。
因此开发一种能够批量生产且同时具有快速完成土体排水固结与同时满足提高填筑土体承载力，抗拔，抗侧等需求的多功能预制管桩及其施工方法具有重要的意义。
技术实现要素：
本发明的目的是提供了一种用于填海筑岛能排水的多功能管桩的施工装置及施工方法，能快速完成土体排水固结，同时能满足提高填筑土体承载力，抗拔，抗侧等需求，从而能够实现有效提高桩基承载力以及施工效率的目的。
本发明采用的技术方案是：
一、一种用于填海筑岛能排水的多功能管桩的施工装置：
施工装置包括预制管桩和注浆机，预制管桩桩身侧面开孔，外侧包裹土工织物用于排水，通过注浆机向预制管桩进行压力注浆。
所述的注浆机包括主管、上活塞、下活塞、导柱和铰联组件，下活塞固定在主管顶端，上活塞布置在下活塞上方，在上活塞的中心开通孔，通孔连接液压设备，上活塞和下活塞之间连接液压内胆；液压内胆为可膨胀收缩结构，通过液压内胆的膨胀和收缩带动上活塞沿导柱上下升降移动，进而带动铰联组件弯折运动。
上活塞和下活塞之间设置有多根导柱和多个铰联组件，导柱和铰联组件的数量相同，铰联组件装于导柱上；铰联组件包括上球铰、下球铰、上联动管、下联动管和中球铰，上联动管顶端经上球铰与上活塞边缘铰接，上联动管底端经中球铰与下联动管形成铰接，下联动管经下球铰与下活塞边缘铰接；上球铰、上联动管和中球铰均为中空结构且相通，上球铰设有注浆口，中球铰设有喷嘴，浆料经注浆口进入上球铰内部，再经上联动管后进入中球铰内部，最后从喷嘴喷出。
所述的注浆机置于用于填海筑岛的预制管桩中。
多根导柱和多个铰联组件均沿周向均布布置在上活塞和下活塞之间。
多根所述导柱底端固定到主管顶端上，并位于上活塞和下活塞的外围。
所述导柱上开有竖直的条形槽，上球铰与条形槽相嵌连接，使得上球铰沿条形槽移动。
所述的喷嘴结构为可调节喷头，主要通过螺纹球连接通用喷头或者实心锥形喷头构成，螺纹球球铰接于螺栓支座。
二、一种用于填海筑岛的能排水的多功能预制管桩的施工方法，采用如下步骤：
第一步：将预制管桩部分植入海底土体中，保证其稳定性，预制管桩部分植入海底土体的深度能维持预制管桩稳定即可；
第二步：在预制管桩外侧以材性较好的砂性土与材性较差的软土分层交替方式进行分层填筑排水，由一层砂性土置于下层和一层软土置于上层后形成的单元在海底土体上向上重复填筑排水，每个单元中，上部软土17具有厚度且渗透系数较低，保证下层砂性土在负压下进行排水；
第三步：待第二步的填筑土层排水后并且固结完成后，通过注浆机完成预制管桩的注浆，注浆液从桩侧壁孔向外注浆的角度不同分别对应不同的功能：
当喷嘴的喷头采用通用锥形喷头并且设置斜向上部注浆角度45°时，形成向上根状的加固区，能够提高地基承载力，控制基础沉降；
当喷嘴的喷头采用通用锥形喷头并且设置斜向下部注浆角度135°时，形成向下根状的加固区，能够提高桩基的抗拔力，抵抗存在水位上涨等地基受上拔力；
当喷嘴的喷头采用实心锥形喷头时，水平注浆形成锥形加固区，锥形加固区与桩侧孔嵌套，能够避免锥点处过于薄弱，能够提高桩周土的承载力，增强抗侧能力，抵抗存在海浪潮汐等侧向冲击力。
第四步：回填至设计标高。
由此，本发明施工前可先确定注浆范围，控制注浆压力可以控制加固区影响范围，形成外部结构提高管桩承载力，抗拔力或是抗侧能力，管桩承载力足够，或是无需抗拔，抗侧的情况下可以不向外注浆。
所述第二步中，每填筑一个由一层砂性土置于下层和一层软土置于上层后形成的单元后，通过真空泵使得预制管桩内部构成负压环境，预制管桩桩周土中的水通过桩侧包裹的土工织物由预制管桩的桩侧壁孔渗透进入桩内部进行排水，排水后再向上填筑下一个单元并再排水，以此不断重复操作完成分层填筑排水。
所述第三步中，通过注浆机完成预制管桩的注浆，具体为：
步1：将所述注浆机放入沉桩完毕的预制管桩内孔中心位置，升降移动调节主管到最底部正对预制管桩最底部的桩侧壁孔以进行注浆；
步2：控制液压设备使得液压内胆呈负压状态收缩，下活塞固定不动，上活塞向下运动，带动上下活塞之间相距距离缩短使得上下活塞靠拢，带动上、下联动管之间的喷嘴沿径向向外运动；喷嘴的喷嘴伸出预制管桩的桩侧壁孔外刺破管桩外套的土工织物；
步3：浆料从上球铰的注浆口进入，从喷嘴的喷嘴喷出进行压力注浆，在各注浆口依据不同工程概况的需求，调整可调节喷嘴的喷射角度，进行不同角度下的压力注浆；
步4：注浆完毕后控制液压设备增加液压内胆内压力，下活塞固定不动，上活塞向上运动，带动上下活塞之间相距距离增加使得上下活塞分离；
步5：移动主管上升，重复上述步2～4对预制管桩最底部上面各个高度处的桩侧壁孔进行注浆，直至全部桩侧壁孔完成注浆。
步6：将注浆机从预制管桩中取出回收，回填已处理过的预制管桩至桩顶。
本发明的注浆材料为水泥土与混凝土浆。
本发明的填筑与排水均为分层进行，填土为一层砂性土，一层软土，减少了砂土的用量，节约了填筑费用，同时软土可从近海区域取得，更经济环保。排水可与填筑同时分层进行，大大减少了固结时间，可将常用方法的固结时间由2-3年缩短至一半，满足快速筑岛的要求，也满足了工程建设快速开发投入使用的需求。通过对真空泵的负压压强大小及抽真空的速率控制，可以实现对不同区域沉降量的精准控制，减少由于海底软土性质不均匀带来的差异沉降，有利于后续房屋建筑与大型设施的开发和控制由差异沉降造成的建筑物开裂。
作为软弱土地基处理复合地基的现有桩基，一般以摩擦桩为主，单桩承载力以桩侧摩阻力为主。本发明提出的用于填海筑岛的能排水的预制管桩，注浆液通过预制管桩外侧开孔溢出后形成外部加固区，提高了桩侧的表面积，增加了桩侧摩阻力，同时注浆液溢出后加固了桩周土，提高了桩基的整体承载力。
注浆液通过桩侧开孔完成注浆时的角度不同会使得预制管桩在填海筑岛时有不同的功能，当向上部注浆时，形成向上根状的加固区，可以提升桩基的整体承载力；向下部注浆，形成向下根状的加固区，可以提高桩基的抗拔力；环绕注浆时，形成锥形加固区，可以提高桩周土的承载力，抗侧能力增强。
此外，采用本发明在施工过程中将预制管桩预先包裹特制的土工织物以减少桩周摩擦阻力使得其可以采取较小的压桩力将管桩植入土中，通过预制管桩外侧的开孔连接真空泵，可以同时完成地基的分步填筑和分步排水，在全部填筑土体完成排水固结后，从管桩内部将桩外侧包裹的土工织物刺破，进行不同角度的压力注浆，使得桩基满足不同的工程状况。本发明可以加快完成对填筑土体的排水固结，可以同时完成填土与对已填土体的排水固结，针对不同工程需要，实现提高地基承载力，抗拔，抗侧等多种功能。
综上所述，本发明具有如下优点及功效：
本发明用低压桩力施工进行桩基植入；填筑与排水均为分层进行，填土为一层砂性土，一层软土，减少了砂土的用量，节约了填筑费用，同时软土可从近海区域取得，更经济环保。
本发明预制管桩外侧的开孔连接真空泵，可以同时完成填土与对已填土体的排水固结，提高施工效率，大大减少了固结时间，可将常用方法的固结时间由2-3年缩短至一半，满足快速筑岛的要求，也满足了工程建设快速开发投入使用的需求。
本发明通过对真空泵的负压压强大小及抽真空的速率控制，可以实现对不同区域沉降量的精准控制，减少由于海底软土性质不均匀带来的差异沉降，有利于后续房屋建筑与大型设施的开发和控制由差异沉降造成的建筑物开裂。
本发明在对预制管桩进行压力注浆后注浆液通过预制管桩外侧开孔溢出后形成外部加固区，提高了桩侧的表面积，增加了桩侧摩阻力，注浆液从开孔向外注浆的角度不同分别对应不同的功能：当向下部注浆时，形成向下根状的加固区，可以提升桩基的整体承载力；向上部注浆，形成向上根状的加固区，可以提高桩基的抗拔力；采用实心锥形喷嘴注浆时，形成锥形加固区，可以提高桩周土的承载力，抗侧能力增强。
本发明的注浆机可以实现循环利用，高效且经济环保；施工速度快周期短，有利于后续施工及开发的快速展开，适合快速填海筑岛工程。
附图说明
图1是预制管桩内注浆机收缩状态的竖剖图；
图2是预制管桩内注浆机收缩状态的俯视图；
图3是预制管桩内注浆机扩张状态的竖剖图；
图4是预制管桩内注浆机扩张状态的俯视图；
图5是预制管桩内注浆机扩张状态1-1的俯视图；
图6a是普通喷头向上45°喷射的示意图；
图6b是普通喷头向下135°喷射的示意图；
图7是实心锥形喷头进行喷射的示意图；
图8是预制管桩在填筑过程中排水过程示意图；
图9是预制管桩外侧包裹的土工织物刺破后进行压力注浆的示意图；
图10是注浆回填完成后管桩开孔外侧形成的向上加固区；
图11是注浆回填完成后管桩开孔外侧形成的向下加固区；
图12是注浆回填完成后管桩开孔外侧形成的锥形加固区；
图13a是竖向荷载下普通桩3d模型；
图13b是竖向荷载下普通桩沉降值云图；
图14a是竖向荷载下本发明桩3d模型；
图14b是竖向荷载下本发明桩沉降值云图；
图15a是上拔力下普通桩3d模型；
图15b是上拔力下普通桩沉降值云图；
图16a是上拔力下本发明桩3d模型；
图16b是上拔力下本发明桩沉降值云图；
图17a是侧向力下普通桩3d模型；
图17b是侧向力下普通桩水平位移云图；
图18a是侧向力下本发明桩3d模型；
图18b是侧向力下本发明桩水平位移云图；
图19a是施工一个月时填土高度；
图19b是施工八个月后经排水固结后填土高度；
图20a是常用地基处理方法处理后基础存在明显不均匀沉降效果图；
图20b是打入本发明桩后基础不均匀沉降明显控制效果图。
图中：1：注浆口；2：液压设备；3:上活塞；4：液压内胆；5：上球铰(中空)；6：上联动杆:7：中球铰；8：下联动杆；9：下球铰(普通球铰)；10：下活塞；11：主管；12：导柱；13：预制管桩；14：土工织物；15：桩侧壁孔；16：螺栓支座；17：螺纹球；18：普通喷头；19：实心锥形喷头；20：砂性土；21：软土；22：排水；23：真空泵；24：注浆；25注浆机；26：向上加固区；27：向下加固区；28：锥形加固区；29：施工一个月时的填土高度；30：施工八个月后的填土高度。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明
如图1所示，本发明具体实施包括预制管桩13和注浆机，预制管桩13桩身侧面开孔，外侧包裹土工织物14用于排水，通过注浆机在预制管桩13排水完成后向预制管桩13进行压力注浆，注浆液从开孔向外注浆的角度不同分别对应不同的功能。预制管桩13为开有桩侧壁孔15的管桩，并且在管桩外套装有土工织物14。
如图1～图5所示，注浆机25包括主管11、上活塞3、下活塞10、导柱12和铰联组件，下活塞10固定在主管11顶端，上活塞3布置在下活塞10上方，在上活塞3的中心开通孔，通孔连接液压设备2，上活塞3和下活塞10之间连接液压内胆4；液压内胆4为可膨胀收缩结构，由于下活塞10固定在主管11上，通过液压内胆4的膨胀和收缩带动上活塞3沿导柱上下升降移动，进而带动铰联组件弯折运动。
如图1和图3所示，上活塞3和下活塞10之间设置有多根导柱12和多个铰联组件，导柱12和铰联组件的数量相同，铰联组件装于导柱12上；铰联组件包括上球铰5、下球铰9、上联动管6、下联动管8和中球铰7，上联动管6顶端经上球铰5与上活塞3边缘铰接，上联动管6底端经中球铰7与下联动管8形成铰接，下联动管8经下球铰9与下活塞10边缘铰接；上球铰5、上联动管6和中球铰7均为中空结构且相通，上球铰5设有注浆口1，中球铰7设有喷嘴，浆料经注浆口1进入上球铰5内部，再经上联动管6后进入中球铰7内部，最后从喷嘴喷出。
注浆机在收缩状态时，外接液压设备未工作，上下活塞3,10相距较远，上下联动管6,8呈收拢状态，中球铰靠近中间；注浆机在扩张状态时，外接液压设备减压，上下活塞3,10相距较近，上下联动管6,8呈扩张状态，中球铰7上的喷嘴伸出预制管桩13上的桩侧壁孔15刺破管桩外套土工织物14进行压力注浆。
如图2、图4和图5所示，多根导柱12和多个铰联组件均沿周向均布布置在上活塞3和下活塞10之间。多根导柱12底端固定到主管11顶端上，并位于上活塞3和下活塞10的外围。导柱12上开有竖直的条形槽，上球铰5与条形槽相嵌连接，使得上球铰5沿条形槽移动。主管11由外部设备带动进行上下升降垂直运动，主管11可定位在任一高度固定不动。
如图6a、图6b和图7所示，所述的喷嘴结构为可调节喷头，主要通过螺纹球17连接通用喷头18或者实心锥形喷头19构成，螺纹球17球铰接于螺栓支座16里，可360°转动。螺纹球17转动带动连接于其上的喷头，可以根据不同的需求提前调节好螺纹球17方向或者进行不同类型喷头的安装，进而控制喷头喷射方向和喷射范围。
喷嘴铰接于上、下联动管之间，相邻预制管桩13分别与阴阳电极相连，采用电渗法进行注浆。
本发明的实施例及其实施过程如下：
第一步：先制成如图1所示的预制管桩，桩侧表面开孔若干，将如图1所示的预制管桩外侧包裹特制土工织物14，土工织物14可采用无纺土工布，部分植入海底土体中，保证其稳定性，预制管桩部分植入海底土体的深度能维持预制管桩稳定即可；
第二步：在预制管桩13外侧以材性较好的砂性土20与材性较差的软土21分层交替方式进行分层填筑排水，由一层砂性土20置于下层和一层软土21置于上层后形成的单元在海底土体上向上重复填筑排水，每个单元中，上部软土21具有厚度且渗透系数较低，保证下层砂性土20在负压下进行排水22；
第三步：每填筑一个由一层砂性土20置于下层和一层软土21置于上层后形成的单元后，，每个单元中，上部软土21具有厚度且渗透系数较低，保证下层砂性土在负压下进行排水通过真空泵23向预制管桩13抽真空使得预制管桩13内部构成负压环境，预制管桩13桩周土中的水通过桩侧包裹的土工织物14由预制管桩13的桩侧壁孔15渗透进入桩内部进行排水22，如图8所示，桩周土中的孔隙水通过排水路径被真空泵23抽出，排水后再向上填筑下一个单元并再排水，以此不断重复操作完成分层填筑排水。
第四步：待第二步的填筑土层排水后并且固结完成后，通过注浆机25完成预制管桩13的注浆，通过注浆机25完成预制管桩13的注浆24，具体为：
步1：将收缩状态的注浆机25放入沉桩完毕的预制管桩13内孔中心位置，升降移动调节主管11到最底部正对预制管桩13最底部的桩侧壁孔15以进行注浆；
步2：控制液压设备2使得液压内胆4呈负压状态收缩，下活塞10固定不动，上活塞3向下运动，带动上下活塞3,10之间相距距离缩短使得上下活塞3,10靠拢，带动上、下联动管6,8之间的喷嘴7沿径向向外运动；喷嘴7的喷嘴7伸出预制管桩13的桩侧壁孔15外刺破管桩外套的土工织物14；
步3：浆料从上球铰5的注浆口1进入，从喷嘴7的喷嘴7喷出进行压力注浆，在各注浆口依据不同工程概况的需求，调整球型喷嘴的喷射角度，进行不同角度下的压力注浆；
步4：注浆完毕后控制液压设备2增加液压内胆4内压力，下活塞10固定不动，上活塞3向上运动，带动上下活塞3,10之间相距距离增加使得上下活塞3,10分离；
步5：移动主管11上升，重复上述步2～4对预制管桩13最底部上面各个高度处的桩侧壁孔15进行注浆，直至全部桩侧壁孔15完成注浆。
步6：将注浆机从预制管桩13中取出回收，回填已处理过的预制管桩13至桩顶。
其中的注浆液从桩侧壁孔15向外注浆的角度不同分别对应不同的功能：
当采用通用喷嘴18设置斜向上部注浆角度45°时，如图10，形成向上根状的加固区26，能够提高地基承载力，控制基础沉降；
当采用通用喷嘴18设置斜向下部注浆角度135°时，如图11，形成向下根状的加固区27，能够提高桩基的抗拔力，抵抗存在水位上涨等地基受上拔力；
当采用实心锥形喷嘴19进行注浆时，如图12，形成锥形加固区28，能够提高桩周土的承载力，增强抗侧能力，抵抗存在海浪潮汐等侧向冲击力。
第五步：回填至设计标高。
如图19a所示，当填筑完成一个月后29，地表土层高度较高，固结尚未完成，经过排水加速固结，在排水完成后，对管桩进行注浆，形成加固区例如向上加固区26，向下加固区27与锥形加固区28，在八个月后可以看出如图19b所示，地表填土高度有大幅度下降，证明土层固结基本完成，完成注浆后的管桩使得地基整体承载力提升。可以看出本发明可以加快填筑地基排水固结的速度，使得地基快速固结，同时也提高了地基承载力或抗拔，抗侧能力。
本发明可以通过控制地表的差异沉降，如图20a所示，采用目前的地基处理方式如堆载预压，真空预压，对于土层的处理较为均一，当填筑土层或海底土层的性质不均一时，容易产生不均匀沉降，使用本发明桩，可以通过控制管桩的排水真空泵的功率来使得不同区域沉降控制效果不同，实现控住差异沉降，地表沉降均一的效果，如图20b所示。从此可以看出本发明桩可以对填筑后的基础差异沉降具有很好的控制效果。
东海某海岛填筑算例：
项目位于东海某近海海岛，将对四个已有的小岛进行外侧填筑，扩填筑区域主要为已有岛屿外侧的浅滩，填筑深度一般在15-30米，但海底软土土质非均质，在整体填筑后极易造成不均匀沉降，同时填筑的基础受海水涨潮及海浪波动的影响，需要基础有一定抗侧及抗拔力。项目需要快速成岛，填筑土层快速完成固结，使沉降达到稳定来继续推动后续工程的规划与建设，同时由于较多高层住宅与商业建筑将建成，需要对填筑的差异沉降严格控制。
算例为此海岛例，采用plaxis软件建立三维模型验证本发明对应不同筑岛工况的用法优点：
1、计算参数设置
计算水位：设计高水位(±0.00米)；
地层参数：参考中国东部海域典型地层参数：软土：c’＝5kn/m2，φ’＝25°；砂质土：c’＝3kn/m2，φ’＝34°。
2、工况设置
(1)外部竖向荷载下：普通桩基单桩(3d模型见图13a)打入前后土层沉降值云图(见图13b)；本发明桩基单桩(3d模型见图14a)打入前后土层沉降值云图(见图14b)，图13和图14对比图13b中使用普通管桩的情况下的最大竖向沉降位移为596.0mm，图14b中使用本发明桩的情况下，最大竖向沉降位移减小为508.6mm，其中最大竖向沉降位移减小约20％。本发明改良后的桩使得地基的沉降降低，可以明显提高地基承载力。
(2)上浮力作用下：普通桩基单桩(3d模型见图15a)打入前后土层沉降值云图(见图15b)；本发明桩基单桩(3d模型见图16a)打入前后土层沉降值云图(见图16b)，图15和图16对比可见图15b中使用普通管桩的情况下的桩顶的最大沉降为102.5mm，图16b中使用本发明桩的情况下，桩顶的最大沉降为130.5mm，其中桩受到负摩阻力产生向上的距离缩短约30％。本发明改良后的桩使得桩基向上拔起的距离降低，可以明显提高地基抗拔力。
(3)侧向力作用下：普通桩基单桩(3d模型见图17a)打入前后土层水平位移云图(见图17b)；本发明桩基单桩(3d模型见图18a)打入前后土层水平位移云图(见图18b)，图17和图18对比可见图17b中使用普通管桩的情况下的最大侧向位移为110.0mm，图14b中使用本发明桩的情况下，最大侧向位移减小为76.7mm，其中最大水平位移减小约35％。本发明改良后的桩使得地基的侧向位移明显降低，可以显著提高地基抗侧向力的能力。
通过plaxis数值模拟的结果，我们可以认为本发明的桩可以通过桩侧的开孔进行土层的快速排水固结，同时可以通过控制排水的速率来调整基础整体的不均匀沉降，有利于后续住宅与商业建筑的建设。在三种工况下的数值模拟结果说明，不同注浆角度形成的桩可以针对不同的情况分别提高桩基的承载力，抗拔力和抗侧能力，十分适合不同区域的海岛填筑项目中多海岛，复杂情况的实施。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。