一种使海底土层中土层降水固结的处理装置和处理方法与流程

本发明涉及海底土层固结技术领域，特别是一种使海底土层中土层降水固结的处理装置和处理方法。

背景技术：

土体是由土颗粒组成的，无数的土颗粒间相互排列共同组成了土体。土颗粒排列时颗粒之间存在孔隙，孔隙内存在水和空气，孔隙内的水称为孔隙水。所有孔隙被孔隙水充满的土体称为饱和土，反之称为非饱和土。海底土层由于长期淹没在水面以下，土颗粒间的孔隙充满了水，土颗粒之间的排列不紧密，土体的整体性和强度都不高。由于天然土体存在孔隙，当收到外部荷载的作用时，极易发生变形和破坏，所以在土木工程的实际施工中，不能直接用其作为建筑物的基础，而需要将地基土体预先进行处理。当前对各类含水量较高的土体的主要处理方法有：

1.复合地基法，如在软土地基中预制各类桩：旋喷桩、粉喷桩、碎石桩等，以达到加固地基的目的。

2.强夯法，利用重物对土体进行动力夯击,使土产生强制压密而减少其压缩性、提高强度。

3.预压排水法，通过各类方式对含水土体进行预压，减小土体中孔隙水压力，排出土体中水分以达到加强土体强度的目的。

上述的常见的地基土处理方法能够有效地解决土体易变形的问题，提高地基土体的强度，然而仅仅局限于陆上地基土的处理，不能应用于水下土层尤其是海底土层的加固处理:复合地基法是在地基土层中预制各类桩以达到加固地基的目的，显然在水下制桩较陆上难度更大且成本更高；在海洋的水下环境对强夯法的实施也存在诸多困难，对海底土体进行预压排水更是不切实际。近年来随着国家对海洋资源的大力开发及海上运输业的蓬勃发展，海洋工程建设也得到了迅速发展。与陆上建筑不同，海洋工程建筑的基础位于水下，多则数百米，施工难度远远超过陆上建筑。由于海底土层物理力学性质的最大特点是含水量高、孔隙比大、强度低、变形大、压缩性高,并有触变性、流变性和很强的不均匀性，当其作为工程建筑地基时表现得很强的软弱性和不稳定性。在海洋波流等荷载下极易发生各类地质灾害，主要表现是海洋建筑物容易发生强烈的不均匀下沉,有时还因滑动变形造成地基或边坡失稳。近年来由海底土体软弱造成的工程事故屡见不鲜，例如由于各类海洋平台基础由于海洋地基软弱导致失稳甚至倾覆，各类海底管线工程由于波流冲刷作用致使走位土体消散，导致管线移位甚至断裂，给国家和企业带来了巨大的经济损失。由此可见，加固海洋工程的基础具有深远的现实意义，然而当前对海洋土体加固方法的研究几乎一片空白，所以亟需开发一种对海底土层进行有效加固的方法。

申请号为200910307872.1的基于筒型负压技术的逐层地基加固方法，该方法在筒型基础顶盖板下放设置带有筛孔的钢管，先用负压将筒型基础下贯到土中，再通过所述钢管对筒型基础内部的土体进行抽水，从而提高筒型基础的承载力和稳定性。该发明虽利用负压抽水的途径处理土基，但存在以下问题：第一，该方法利用筒型基础(业内也称“吸力式桶型基础”)进行处理，然而公认的当前吸力式桶型基础存在的最大难题是解决筒型基础下贯过程中的“土塞”现象，即由于筒内压强过低筒内的土壤将变得松散隆起，故土塞现象存在时再利用钢管对筒内土体进行抽水将无济于事，并不能达到加固地基土的目的；第二，该方法只能提高桶型基础的承载力，即仅能单纯使桶型基础这一结构更加稳定，无法对地基土层本身进行加固，显然也不能实现对海底土层的加固。

技术实现要素：

本发明的目的是加速海底土层排水固结，提高土体的密实程度，实现对海底土层地基的加固，设计了一种使海底土层中土层降水固结的处理装置和处理方法。

实现上述目的本发明的技术方案为，一种使海底土层中土层降水固结的处理装置，包括数个抽水管，设置于海底土层中，所述抽水管的底端端密封，顶端设有开口，所述抽水管的底端侧面设有渗流用的透水孔；集水管，与所述抽水管的顶端开口连接，所述集水管的一端密封，另一端与压力泵连接；滤网，设置于所述抽水管透水孔的外侧，用于隔离泥沙和防止堵塞所述抽水管的透水孔。

进一步的，所述抽水管的外侧设有环形槽，所述透水孔设置在环形槽处，所述滤网设置在环形槽处。

进一步的，所述抽水管内活动设置压力塞，所述集水管上设有与抽水管的内腔相对的塞腔。

进一步的，所述抽水管和集水管通过水管连接器连通。

进一步的，所述抽水管的形状是圆柱。

进一步的，所述抽水管的半径为8-16cm。

一种使海底土层中土层降水固结的处理方法的使用方法，包括以下步骤：

a、将抽水管插入待处理的海底土层中，在集水管开口的一端外接压力泵，完成安装；

b、开启压力泵降低集水管内的压力，海底土层中土层中的孔隙水在渗流力的作用下穿过滤网，从透水孔进入抽水管，最后进入集水管排出；

c、当压力泵出现压力激增时，关闭压力泵，海底土层中土层降水固结完成。

进一步的，在所述步骤c结束后，还存在步骤d：将处理装置从处理完成的海底土层中土层中缓慢拔出。

进一步的，在步骤a中，在将抽水管插入待处理的海底土层的过程中，向抽水管内注入一定的预压力，使压力塞浮动于抽水管的内腔中；在步骤b中，压力塞移动到集水管的塞腔中。

进一步的，在步骤b中，增加集水管内的压力，使透水孔向外喷气；压力泵降低集水管内的压力和增加集水管内的压力交错进行，且前者的时间大于后者的时间。

本发明的有益效果是：可直接抽取水下土层中的孔隙水，加速土层降水固结，一定程度上可缩短工期。实验证明，天然水下砂土固结过程十分缓慢，在自然状态下需固结长达数月才能达到工程要求，而运用本发明的处理方法仅需处理2-3日，即可完成水下砂土固结，大大缩短工期，既安全高效，又节约成本；所需的处理装置结构简单，造价经济，处理工艺简单实用、可行性强，处理效果良好。

附图说明

图1是本申请所述处理装置的结构示意图；

图2是图1的主视图；

图3是本申请处理装置的使用状态示意图，其中压力塞处于抽水管内；

图4是本申请处理装置的使用状态示意图，其中压力塞处于抽水管和集水管内；

图5是本申请处理装置的使用状态示意图，其中压力塞处于抽水管的塞腔内；

图6是本申请处理方法的原理状态示意图，其中，压力泵处于刚启动状态；

图7是本申请处理方法的原理状态示意图，其中，压力泵处于即将结束状态。

以上各图中，1、抽水管；11、透水孔；2、集水管；3、压力塞；41、水面；42、处理前土层表面；43、处理后土层表面。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下：

本申请的设计思路是，在需要进行固结处理的水下土层中，竖直插入若干可以抽水的管道，管道具有只能抽水而不会抽走砂土颗粒的特点。抽水管道下端插入到土层中，管道上端连接压力泵，利用压力泵提供抽水时需要的吸力。抽水时，水下土层中的水会在压力泵提供的吸力作用下进入抽水管道，然后从管道中被抽离。土体中的水被抽离后，土体中的孔隙水压力减小，土层内部的水的压力减小，土层上方的水的压强大于土层内部水的压强。土层上方的水在压强差的作用下会流入土层，然后被抽水管道抽走，此过程中水流的运动会形成渗流力。水在土壤中的流动称为渗流，渗流时，土颗粒会阻碍渗流，对水渗流产生阻力，相当于水对土颗粒也产生了一个“力”，这个“力”叫做渗流力。渗流力的方向和渗流的方向相同，此渗流力将拖拽土颗粒进行运动，使原本松散排列的土颗粒之间的孔隙慢慢变小，土颗粒最终重新紧密地排列在一起，土体变得更加密实，实现降水固结。

一种使海底土层中土层降水固结的处理装置，如图1至图5所示，包括数个抽水管1，集水管2和滤网。数个抽水管1设置在海底土层中，抽水管1的底端端密封、顶端设有开口，并且，在抽水管1的底端侧面设有渗流用的透水孔11，抽水管1可以是圆形管道，其他形状(比如方形、棱柱形等)的管道都将视为在本发明专利的保护范围内，抽水管1的数量根据实际工程的需要进行确定。

集水管2与抽水管1的顶端开口连接，抽水管1和集水管2可以通过水管连接器连通，并且集水管2的一端密封，另一端与压力泵连接，通过压力泵能够控制抽水管1内的压力，集水管2与抽水管1的布置不局限与图中所示的垂直布置，以其他方式(比如倾斜布置等)的布置形式都将视为在本发明专利的保护范围内。滤网设置在抽水管1上的透水孔11的外侧且其完全覆盖透水孔11，滤网为网状套形过滤网，透水孔11贯穿所述抽水管1的整个管壁，透水孔11数量根据实际工程需要进行确定，用于隔离泥沙和防止堵塞抽水管1的透水孔11，该滤网具有过滤作用，使得抽水管1具有只能抽水而不会抽走砂土颗粒的特点，滤网的网孔具有特定的尺寸，使滤网只能通过水或者说能够通过夹杂细小颗粒的水，而不能通过泥沙。

为了便于安放抽水管1，在抽水管1的外侧设有环形槽，透水孔11设置在环形槽处，滤网设置在环形槽处。在此基础上，在抽水管1内活动设置压力塞3，集水管2上设有与抽水管1的内腔相对的塞腔。该压力塞3能够降低海水灌入集水管2，起到保护集水管2的作用。具体的，随着海水深度的增加，其压强逐渐的增大，但是由于集水管2通过抽水管1的透水孔11与海水连通，集水管2的另一端与压力泵连接，故集水管2内部将受到逐渐增大的海水的压力，设计的压力塞3，能够避免高压力海水直接冲击集水管2，甚至是压力泵。另外，集水管2的另一端通过压力泵连接，则其基本上可认为是密封的，故集水管2在下降的过程中，可以不用压力泵注入气体，压力塞3向上移动的过程中，将压缩空气，从而增大积水管2气体压强的作用。塞腔的作用是，压力泵降压的过程中，压力塞能够直接移动到塞腔中去，避免被压力塞堵塞腔道。此处压力塞3的高度最好大于集水管2塞腔的长度，避免堵塞集水管2。

参考图3至图5，抽水时，水下土层中的水会在压力泵提供的吸力作用下进入抽水管1，然后从集水管2中被抽离。土体中的水被抽离后，土体中的孔隙水压力减小，土层内部的水的压力减小，土层上方的水的压强大于土层内部水的压强。土层上方的水在压强差的作用下会流入土层，然后被抽水管道抽走，此过程中水的流动会形成渗流力，渗流力拖拽砂土颗粒向下进行运动，砂土颗粒重新紧密排列，土颗粒间的孔隙变小，土层实现降水固结，变得更加密实，以满足工程需要的强度要求。

本申请提供了一种使海底土层中土层降水固结的处理方法，如图6至图7所示，包括以下步骤：

a、构造安装。将抽水管1插入待处理的海底土层中土层中，插入深度根据实际工程需要进行确定,在集水管2开口的一端外接压力泵，完成置安装。在将抽水管1插入待处理的海底土层的过程中，向抽水管1内注入一定的预压力，使压力塞3浮动于抽水管1的内腔中。

b、开始抽水。开启压力泵降低集水管2内的压力，压力塞3移动到集水管2的塞腔中，海底土层中土层中的孔隙水在渗流力的作用下穿过滤网，从透水孔11进入抽水管1，最后进入集水管2排出；

图中，41是水面，42处理前土层表面，43处理后土层表面，地基土壤中的孔隙水将在压力泵的吸力作用下穿过滤网，然后从透水孔11进入抽水管1，最后进入集水管2，由压力泵抽离。包裹在透水孔外部的滤网可有效隔离泥沙，可避免抽水时泥沙进入透水孔造成堵塞。同时土层上部的水进入土层内部。

步骤b中，增加集水管2内的压力，使透水孔11向外喷气；压力泵降低集水管2内的压力和增加集水管2内的压力交错进行，且前者的时间大于后者的时间，通过此法，当较大颗粒的泥沙堵塞透水孔11时，集水管2内的压力能够将较大颗粒冲出去，改变其在透水孔11的位置，从而降低泥沙堵塞透水孔11的概率。

c、结束抽水。当压力泵出现压力激增时，抽水困难时，说明土颗粒图1中1-4已排列紧密，土层已实现降水固结，此时关闭压力泵，海底土层中土层降水固结完成。

在步骤c结束后，还存在步骤d：将处理装置从处理完成的海底土层中土层中缓慢拔出，完成海底土层降水固结，可以继续下一目的地的操作。

以上参考了优选实施例对本发明进行了描述，但本发明的保护范围并不限制于此，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来，且不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。因此，任何落入权利要求的范围内的所有技术方案均在本发明的保护范围内。