一种利用自然重力势能实施软土地基的排水固结工法的制作方法

本发明涉及岩土工程的软土地基处理领域，特别涉及应用于软土地区修筑工业与民用建筑、市政工程软土地基处理项目和环保工程原位固液分离的施工工法。

背景技术：

在软土地基上建造工业与民用建筑、市政工程、罐区类固定设施、港口、堆场、道路和环保工程等，必须实施大面积地基加固处理，以防止地基不均匀沉降、塌陷、滑坡等工程事故发生。在岩土工程领域中，现有技术对于软土地基处理的施工工艺较多，特别是针对高饱和度、低渗透率、具有触变性、软塑或者流塑状态的土体，现有工法处理效果普遍存在承载能力低、施工周期长、处理深度不足、工后沉降量较大等相关不利因素。因此，当需要实施大面积深层加固和置换处理软土地基，或者环保工程的原位固液分离项目时，上述常规施工工法存在着诸多难以克服的技术难题。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的旨在提供一种具有排水固结效果显著、施工周期短、高置换率、简捷高效、符合环保政策的、用于大面积和深层软土加固的复合地基，或者环保工程原位固液分离技术的施工工法。

为了实现上述发明目的，本发明技术方案是：一种利用自然重力势能实施软土地基的排水固结工法，实施立体式排水固结措施，引导地下孔隙水和空气在滤水管内富集，再顺势排出地面，实现软土地基快速排水固结，或环保工程原位固液分离的目的。其主要特征为：

1)竖向造孔；

2)横向地下土体相变；

3)竖向造散体桩。

一、上述利用自然重力势能实施软土地基的排水固结工法，最好在主要特征1)中，所述竖向造孔，其特征在于以下步骤：

1)在场地作业面铺设一定厚度的固体物料或板材，增加其承载力或承压面积；

2)施工设备进场作业；

3)钢柱锤自由落体，重锤轻击土体；

4)反压钢管入孔到设计标高；

5)提升钢柱锤出地面；

6)植入管壁纵向满布细长泄水孔和外裹滤布的滤水管；

7)钢管和滤水管间空隙部分填入滤水固体物料；

8)提升钢管出地面，竖向成孔。

其中，在上述步骤1)中，最好在所述场地作业面铺设一定厚度的固体物料，主要增加作业面承载力，在施工作业期间，首先要保证施工人员和施工设备的安全；

在上述步骤1)中，最好在所述场地作业面，若该场地不能满足施工要求需铺设板材时，应根据现场实际情况，选用轻质泡沫板或者钢板等板材，增大作业面的承压面积；

在上述步骤1)中，最好在所述场地作业面，若遇到流塑状淤泥，可以选用在专用作业船上实施；

在上述步骤1)中，最好在所述场地，应按一定面积沿四周设置闭合的密封墙，防止外部地下孔隙水和空气渗透到作业区内；

在上述步骤1)中，最好在所述固体物料，应选用无害化的建筑垃圾、弃土、工业固废、煤矸石、粉煤灰、山皮土、自然级配砂石等；

在上述步骤2)中，最好在所述施工设备进场作业前，必须监测所铺设固体物料的密实度和稳定性，检测覆盖层满负荷作业时，消除因作业面承载能力不足或者因不均匀沉降引起的安全风险；

在上述步骤3)中，最好在所述钢柱锤为圆钢，其重量和自由落体高度必须控制在有限范围内，提升前必须试夯，以免钢柱锤坠入软弱土层，在实施重锤轻夯引孔后，再进入下道工序；

在上述步骤4)中，最好在所述反压钢管入孔，充分利用作用力和反作用力的原理，在重锤轻夯引孔后反复实施，直至达到设计标高；

在上述步骤4)中，最好在所述钢管入孔，可选用液压装置实施下行或提升作业；

在上述步骤4)中，最好在所述钢管入孔，若遇软弱土层承载能力较低，或者实施环保工程的固液分离作业时，可以先实施步骤4)，再实施步骤3)，在实施过程中，先投入部分固体物料入滤水管内，减少淤泥或者污泥向上喷溅；

在上述步骤5)中，最好在所述提升钢柱锤出地面，待钢管提升出地面后，再移位共同实施下一桩孔的造孔作业；

在上述步骤6)中，最好在所述植入管壁纵向满布细长泄水孔和外裹滤布的滤水管，目的是不让滤水管承受施工荷载，可作为工具反复使用；

在上述步骤6)中，最好在所述植入管壁纵向满布细长泄水孔和外裹滤布的滤水管，有利于软土内孔隙水和空气快速释放，有效富集；

在上述步骤6)中，最好在所述植入管壁纵向设有细长泄水孔和外包滤布的滤水管，有利于地下被污染污泥内的孔隙水和空气快速释放，有效富集；

在上述步骤6)中，最好在所述外裹滤布，有利于防止滤水管外壁淤泥产生的淤堵现象；

在上述步骤6)中，最好在所述滤水管可选用不同材质，包括：钢制、pvc和砼等；

在上述步骤6)中，最好在所述滤水管，其底部用带泄水孔的相同的材质焊接或者衔接，有利于底部的封堵和泄水；

在上述步骤7)中，最好在所述滤水固体物料，可选用粉煤灰、碎建筑垃圾、砂石等；

在上述步骤8)中，最好在所述钢管出地面，在钢管内壁和滤水管外壁之间所投滤水物料完成后，轻轻地摇动钢管再拔出地面。竖向造孔完成。

二、上述利用自然重力势能实施软土地基的排水固结工法，最好在主要特征2)中，所述横向地下土体相变，在竖向造孔的钢管拔出地面后，地下孔隙水和空气已经逐渐在滤水管内富集，其进一步的实施步骤为：

1)在自然重力势能的作用下，滤水管内外地下孔隙水和空气造成径向压力差；

2)地下软土内孔隙水和空气持续泄入滤水管内富集；

3)将深水泵放入滤水管内不断抽水，持续排放出地面；

4)形成群体抽水现象，地面整体下沉，软土排水固结效果显现；

5)提升滤水管出地面，横向深层地下土体相变完成。

其中，在上述步骤1)中，最好在所述在自然重力势能作用下，滤水管内外的地下孔隙水和空气造成径向的压力差，在相同的条件下，应选择管径小和孔距短的方案实施，尽可能缩短地下孔隙水和空气有效释放的行程，有效缩短排水固结周期；

在上述步骤2)中，最好在所述地下软土内孔隙水和空气持续泄入滤水管内富集，地下土体处理深度越深，自然重力产生的势能越大，滤水管内外的径向压力差越大，地下孔隙水和空气在滤水管内富集越多，横向排水固结效果越明显；

在上述步骤3)中，最好在所述将水泵放入滤水管内不断抽水，对于有抗浮要求的建构筑物，在沿四周设置闭合的密封墙后，可以有效释放地下孔隙水的压力，有效保证建构筑物使用的安全和稳定；

在上述步骤3)中，最好在所述将水泵放入滤水管内不断抽水，若浅层地下水丰富不易释放时，地面可设置板材，板材上放置若干灌满地下水的吨桶作为配重承压；

在上述步骤4)中，最好在所述形成群体，即管壁设有细长泄水孔的滤水管按一定间距等距排列，在同步抽水排放时，在自然重力势能作用下，土体内孔隙水和空气被有效释放和排出，软弱土体会整体下沉，土体固结度和十字板剪切强度有效提高，工后沉降大幅减少，地下软土地基排水固结效果显现；

在上述步骤4)中，最好在所述土体整体下沉，对于土壤修复工程，在自然重力势能作用下，地面会整体下沉，环保类项目固液分离实施完结，地下污染土体相变完成；

在上述步骤5)中，最好在所述提升滤水管出地面，在地下孔隙水被有效释放和富集后，对于有重金属、化工、电镀、农药、印染、造纸等地下污染废水的土壤修复工程，应该针对不同的污染源，原位投放不同的去除剂，通过反复中和或者淋洗，达标后，抽出地面集中再处理或者排放；

在上述步骤5)中，最好在所述提升滤水管出地面，软弱土层或者污泥内孔隙水和空气被有效释放，再实施富集和排放，淤泥或者污泥结构明显改变，地下土体承载性能有效改善，或者污泥固液分离效果有效提高，横向深层地下土体相变完成；

在上述步骤5)中，最好在所述横向深层地下土体相变完成，地下孔隙水被有效释放、富集和排放，对于基坑开挖和支护工程有利，结合工后的土体固结度和十字板剪切强度等相关参数，可以选择直接开挖或者放坡开挖，大幅减少基坑支护的工程量，大幅降低投资费用。

三、上述利用自然重力势能实施软土地基的排水固结工法，最好在主要特征3)中，所述竖向造散体桩，在横向深层地下土体相变完成后实施，其步骤为：

1)根据不同的地质条件和设计要求，在竖向桩孔内夯填不同的固体物料；

2)边投料边夯填出地面，竖向单体散体桩造成；

3)竖向散体群桩造成后，桩土共同作用的复合地基完成。

其中，上述步骤1)中，最好在所述在竖向桩孔内夯填不同的固体物料，应根据不同的地质条件和不同的设计要求，选择不同的固体填料：

(1)对于地基承载力较高和体积置换率要求较高的工程，应选用颗粒较为坚硬、级配较好的填料，夯击能相应提高；

(2)对于选用桩基再处理的工程，应选择含水率低的原土、自然级配细砂、粉煤灰等颗粒细小的物料置换，夯击能相应降低，有利于后期桩基工程施工。

在上述步骤2)中，最好在所述边投料边夯填出地面，夯击能大小应该根据设计要求选择，竖向单体的散体桩造成；

在上述步骤3)中，最好在所述造成竖向散体群桩，若承担上部传递的面荷载，如储罐类构筑物、集装箱堆场、大型物料堆场、机场等，在体积置换率满足承载能力和不均匀沉降要求的前提下，可免设桩基础和钢筋混凝土承台，在铺设褥垫层后，直接施工上部结构，或者直接浇筑混凝土地面；

在上述步骤3)中，最好在所述造成竖向散体群桩，散体桩布桩形式按照单桩承载能力置换相应承载面积设置，在场地内选多桩位，造出相应多竖向单体散体桩，形成竖向群桩效应，桩间土体再次被挤密后，形成桩土共同受力的竖向散体群桩，共同承担上部结构传递的荷载；

在上述步骤3)中，最好在所述竖向散体群桩，，尤其是大型储罐类构筑物圆形基础，施工顺序宜采用从里向外，或从中心向外跳打方式实施；

在上述步骤3)中，最好在所述竖向散体群桩，施工过程中，若地面有局部隆起现象，可以实施分层反复碾压或者强夯置换措施补强。

本发明技术方案的有益效果是：采用“竖向造孔→横向地下土体相变→竖向造散体桩”实施立体式排水固结的技术措施，充分利用大自然的力量，引导地下孔隙水和空气在滤水管内富集，再顺势排出地面，达到软土地基快速排水固结效果，或者环保项目原位固液分离的目的。因此，本发明通过实施该技术方案，能够较好地贯彻“少打桩不打桩”的理念，或者满足原位实施固液分离的技术要求，大幅提高地基承载能力，降低投资成本，缩短施工周期。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明从钢管就位→钢柱锤在钢管内呈上下自由落体过程的剖视示意图；

图2为本发明从钢柱锤夯击土体→钢管入土→固体物料封堵钢管底部实施过程的剖视示意图；

图3为本发明提升钢柱锤后，往钢管内植入滤水管的实施过程的剖视示意图；

图4为本发明提升钢管前，在钢管和滤水管间投滤水物料；提升钢管后，显示泵入滤水管持续抽水的实施过程的剖视示意图。

其中，竖向箭头显示自然重力或地面配重承压呈竖向承压的方向；横向箭头显示地下孔隙水呈径向涌入滤水管的方向；

图5为本发明提升滤水管后，单体散体桩造成的实施过程的剖视示意图。

其中，横向箭头显示在实施过程中，呈现桩间土再次被挤密的方向；

图6为本发明钢管和滤水管之间的结构平面示意图。

具体实施方式

本发明一种利用自然重力势能实施软土地基的排水固结工法，依靠大自然的力量，实施立体式排水固结措施，引导地下空隙水和空气顺势流入滤水管内富集再排出地面，实现软土地基排水固结，或者环保项目原位固液分离的目的，具有高效、简捷、环保的特点。

在本发明实施的工法中，主要设备有钢柱锤1、钢管2和滤水管3。由钢缆10吊起钢柱锤1在钢管2内呈上下自由落体造成桩孔后，在提升钢柱锤1时，将钢管2反压入桩孔，钢管2到达设计标高。往钢管2内投入部分固体物料夯填封堵底部12。将外裹滤布5沿管壁竖向满布细长泄水孔4的滤水管3植入钢管2内，滤水管3底部用同质材质封底17，在钢管2和滤水管3之间投入滤水物料6后，提升钢管2出地面16，竖向成孔。

图1～图3显示本发明竖向造孔的实施过程。

在自然重力势能或配重15承压下，由滤水管3内外径向产生的压力差，软土11内地下孔隙水8在滤水管3内富集。将水泵7放入滤水管3内持续抽水13。提升滤水管3出地面16，横向地下土体相变完成。

图4显示本发明横向地下土体相变的实施过程。

在提升滤水管3后，边投物料边落钢柱锤1夯击，桩间土再次被径向挤密14，钢柱锤1出地面，竖向单体散体桩9完成。

图5显示本发明竖向造散体桩9的实施过程。

图6显示本发明钢管2与外裹滤布5沿管壁竖向满布细长泄水孔4的滤水管3之间填滤水物料6的结构平面图。

根据本发明实施的工法，采用“竖向造孔→横向地下土体相变→竖向造散体桩”立体式排水固结措施，充分利用大自然的力量，引导地下孔隙水和空气顺势排出地面，整体提高地基承载能力，整体承担上部结构传递的荷载，以面代点，贯彻“少打桩不打桩”理念，或者满足原位实施固液分离的技术要求。

实施方案选用：

一、软土地基处理工程选用“竖向造孔→横向地下土体相变→竖向造散体桩”立体式排水固结技术方案，包括：软土地基处理工程、吹填海淤工程、原位造土工程等；

二、环保工程固液分离项目选用“竖向造孔→横向地下土体相变”立体式固液分离技术方案，包括：工业固废、土壤原位修复、污泥原位固化、河湖底泥原位治理等。

本发明公开的较佳实施例和附图，本领域技术人员容易理解，在本发明权利要求和说明的范围内，但不设限定，所作的任何修改、等同替换、改进等，均属于侵权，凡在本发明的精神和原则之内，均应包含在本发明的保护范围之内。