一种深层地基处理装置及其方法与流程

本发明属于地基处理技术领域，尤其涉及一种深层地基处理装置及其方法。

背景技术：

目前，随着21世纪海上丝绸之路的兴起，沿线国家的港口工程日益增多，在以往的港口工程中，堆场一般利用疏浚吹填，尽管目前对于疏浚回填的过程监控越来越重视，但是仍不可避免的会出现淤泥包或者含泥量较高的土料聚集，形成不合格土层，如果不合格土层出现在地基的浅层，则相对容易处理，但是如果不合格土层出现在地基的深层，如不合格土层位于15米以下，若对该不合格土层采用传统的振冲碎石桩处理，成本较高，并且对于细粒含量超过15％的土料形成的不合格土层，振冲加固的效果差，导致地基的沉降等指标难以满足设计要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供了一种深层地基处理装置及其方法，旨在解决现有疏浚吹填的地基处理方法所存在的不足。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种深层地基处理装置，包括升降装置和振冲装置，振冲装置包括振冲杆、振冲器、高压水泵和抽砂泵，升降装置通过吊索组件与振冲杆的上端连接，用于控制振冲杆升降，振冲杆的下端与振冲器连接，振冲杆内设有水管道和抽吸管道，振冲器设有进水口，进水口通过水管道与高压水泵连接，振冲器设有若干与抽吸管道一端连通的抽吸孔，抽吸管道另一端与抽砂泵连接。

进一步地，振冲装置还包括真空泵，真空泵与抽吸管道连接，且真空泵与抽吸管道的连接处高于抽砂泵与抽吸管道的连接处。

进一步地，真空泵与抽吸管道的连接处和抽砂泵与抽吸管道的连接处之间的距离大于30cm。

进一步地，抽吸孔的数量为四，四个抽吸孔沿振冲器周向等间距设置。

本发明还提供了一种深层地基处理方法，包括以下步骤：

对待施工的地基进行勘察，根据勘察的结果，确定不合格土层的位置和范围；

根据不合格土层的范围，在地基上确定多个振冲点位，振冲点位按等边三角形布置或按正方形布置；

对于每个振冲点位，使用如上述任一项的深层地基处理装置进行施工，深层地基处理装置对每个振冲点位的施工方法相同，其施工过程为：

将振冲器对准振冲点位，开启振冲器，开启高压水泵；

控制振冲器从振冲点位垂直进入地基内，直至下降至不合格土层顶面；

开启抽砂泵，控制振冲器垂直进入不合格土层内，并保持振冲器匀速下降直至抽吸孔与不合格土层底面平齐，振冲器下降的过程中，利用抽砂泵将进入振冲杆内腔的土料抽吸至地基外侧；

关闭抽砂泵，控制振冲器提升至地基上方，关闭振冲器，关闭高压水泵，施工完成。

进一步地，若振冲点位按等边三角形布置，则振冲点位之间的距离为r/1.05，若振冲点位按正方形布置，则相邻两振冲点位之间的距离为r/1.128，其中r为振冲装置在不合格土层抽吸范围的半径，振冲装置在不合格土层抽吸范围的半径的获取过程如下：

根据不合格土层的范围，在地基上确定一个测试点位，使用深层地基处理装置对测试点位进行施工；

施工完成后，在地基上布置若干勘察孔组，每组勘察孔组包括位于一条直线上的多个勘察孔，且多个勘察孔与测试点位的距离由近到远设置，根据若干勘察孔组的勘察结果确定振冲装置在不合格土层抽吸范围的半径。

进一步地，施工完成后，在地基上布置若干勘察孔组的步骤包括：

施工完成后，在地基上布置两组勘察孔组，两组勘察孔组的长度方向相互垂直。

进一步地，每组勘察孔组包括六个勘察孔，六个勘察孔分别与测试点位的距离为0.4m、0.6m、0.8m、1.0m、1.2m和1.5m。

进一步地，控制振冲器垂直进入不合格土层内，并保持振冲器匀速下降直至抽吸孔与不合格土层底面平齐的步骤中，振冲器匀速下降的速度通过以下公式得到：

其中振冲器液态区面积的获取过程如下：

开启振冲器，开启高压水泵，将振冲器垂直下沉至不合格土层内，在离振冲器中心距离由近到远分别布置多个振动传感器，振动传感器布置高程与振冲器相同，振冲器与测试点连线垂直于传感器某一面，根据振动传感器的监测结果绘制土体振动加速度大于预设加速度值的液态区范围，得到振冲器液态区面积。

进一步地，振动传感器的数量为六，六个振动传感器分别与振冲器中心的距离为1m、2m、3.5m、4m、4.5m和5m。

相比于现有技术，本发明的有益效果为：在振冲器下沉的过程利用高压水流、伴随强大振动力对土体进行液化处理，利用抽砂泵的抽吸作用，使得抽吸管道内形成负压状态，从而液化后的土料从振冲器的抽吸孔进入抽吸管道内，然后被抽砂泵抽吸至地基的外侧，从而可以有效的处理地基深层的不合格土层，消除地基的不均匀性，避免由于不合格土层导致的地基的局部区域沉降过大，从而提高地基的承载力，解决现现有疏浚吹填的地基处理方法所存在的不足，确保施工后沉降达到设计要求。本发明结构简单、设计合理、实现方便、施工质量易于保证，能有效适用于地基的深层不合格土层的处理，尤其适用于细粒含量超过15％的土料形成的不合格土层的处理，且处理效果好，是一种高效的地基处理方法，能够提高砂性土地基的承载力，并有效解决现有疏浚回填的砂性土地基处理方法所存在的投入成本较高、施工工艺复杂、地基加固处理效果较差等多种缺陷和不足。

附图说明

图1为本发明深层地基处理装置的结构示意图；

图2为本发明深层地基处理方法的步骤流程图。

图3为本发明深层地基处理方法中深层地基处理装置的施工流程图。

图中，1-升降装置，11-吊索组件，2-振冲杆，3-振冲器，31-抽吸孔，4-高压水泵，5-抽砂泵，6-真空泵，7-地基，8-不合格土层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

请参阅图1，图1为本发明深层地基处理装置的结构示意图。一种深层地基处理装置，包括升降装置1和振冲装置，振冲装置包括振冲杆2、振冲器3、高压水泵4和抽砂泵5，升降装置1通过吊索组件11与振冲杆2的上端连接，用于控制振冲杆2升降，振冲杆2的下端与振冲器3连接，振冲杆2内设有水管道和抽吸管道，振冲器3设有进水口，进水口通过水管道与高压水泵4连接，振冲器3设有若干与抽吸管道一端连通的抽吸孔31，抽吸管道另一端与抽砂泵5连接。

升降装置1可以为吊机，升降装置1通过吊索组件11与振冲杆2的上端连接，用于控制振冲杆2升降，从而控制振冲器3的升降。振冲器3内设有电机和与电机驱动连接的偏心块，振冲器3启动时，通过电机驱动偏心块振冲土体，从而引起土体振动，在一实施例中，振冲器3的频率大于60hz，其可以引起的土体振动加速度大于1.5g，能够引起砂土液化。振冲器3的下端具有高压出水口，高压水泵4泵送的高压水流经水管道后从振冲器3的进水口进入振冲器3内，然后高压水流经振冲器3内部管路从振冲器3下端的高压出水口喷出，从而振冲器3在进入地基7内时，可以引起其附近的土体液化，形成液化土料。然后通过抽砂泵5的抽吸作用，使得抽吸管道内形成负压状态，导致液化土料在大气压作用下从抽吸孔31进入抽吸管道内，并沿抽吸管道的长度方向向上移动，直至被抽砂泵5抽吸至地基7外侧。优选地，抽砂泵5为液压泵。优选地，抽吸孔31设置在振冲器3的上部。在一实施例中，抽吸孔31的数量为四，四个抽吸孔31沿振冲器3周向等间距设置。设置四个抽吸孔31，使得液化土料可以从振冲器3四周的抽吸孔31进入到抽吸管道内，从而振冲装置在抽吸液化土料时更加均匀。在一实施例中，振冲装置还包括真空泵6，真空泵6与抽吸管道连接，且真空泵6与抽吸管道的连接处高于抽砂泵5与抽吸管道的连接处。通过真空泵6抽吸作用，在抽吸管道内形成一定的真空度，增强抽吸管道内的负压状态，使得抽吸孔31的吸力更大，提升液化土料在抽吸管道内的提升力，确保液化土料从抽吸孔31进入抽吸管道内，并沿着抽吸管道向上移动。在抽吸过程中，真空泵6与抽砂泵5同步开启和关闭。在一实施例中，真空泵与抽吸管道的连接处和抽砂泵与抽吸管道的连接处之间的距离大于30cm。避免抽吸管道内的液化土料进入真空泵内。

本发明还提供了一种深层地基处理方法，包括以下步骤：

s1、对待施工的地基7进行勘察，根据勘察的结果，确定不合格土层8的位置和范围；

s2、根据不合格土层8的范围，在地基7上确定多个振冲点位，振冲点位按等边三角形布置或按正方形布置；

s3、对于每个振冲点位，使用如上述任一项的深层地基处理装置进行施工，深层地基7处理装置对每个振冲点位的施工方法相同，其施工过程为：

s31、将振冲器3对准振冲点位，开启振冲器3，开启高压水泵4；

s32、控制振冲器3从振冲点位垂直进入地基7内，直至下降至不合格土层8顶面；

s33、开启抽砂泵5，控制振冲器3垂直进入不合格土层8内，并保持振冲器3匀速下降直至抽吸孔31与不合格土层8底面平齐，振冲器3下降的过程中，利用抽砂泵5将进入振冲杆2内腔的土料抽吸至地基7外侧；

s34、关闭抽砂泵5，控制振冲器3提升至地基7上方，关闭振冲器3，关闭高压水泵4，施工完成。

在上述步骤s1中，待施工的地基7为采用疏浚吹填的方式进行填筑的地基7，在完成填筑后，对地基7进行勘察，通过颗分试验确定细粒含量，根据勘察的细粒含量确定地基7中不合格土层8的位置和范围，即淤泥包或者含泥量较高的、细粒含量大于15％的土料聚集的位置，并确定不合格土层8的范围，不合格土层8的范围包括不合格土层8的长度、宽度和高度。

在上述步骤s2中，根据不合格土层8在地基7内的位置和范围，在位于不合格土层8的范围上方的地基7上确定多个振冲点位，振冲点位用于下沉深层地基7处理装置的振冲器3，振冲点位可以采用现有的布置方式，采用等边三角形布置或正方形布置。

进一步地，在步骤s2中，若振冲点位按等边三角形布置，则振冲点位之间的距离为r/1.05，若振冲点位按正方形布置，则相邻两振冲点位之间的距离为r/1.128，其中r为振冲装置在不合格土层8抽吸范围的半径，振冲装置在不合格土层8抽吸范围的半径的获取过程如下：

s21、根据不合格土层8的范围，在地基7上确定一个测试点位，使用深层地基7处理装置对测试点位进行施工；

s22、施工完成后，在地基7上布置若干勘察孔组，每组勘察孔组包括位于一条直线上的多个勘察孔，且多个勘察孔与测试点位的距离由近到远设置，根据若干勘察孔组的勘察结果确定振冲装置在不合格土层8抽吸范围的半径。

在上述步骤s21中，根据不合格土层8的范围，随意在位于不合格土层8的范围上方的地基7表面确定一个测试点位，确保在使用深层地基处理装置在测试点位施工时，振冲器3可以下沉至不合格土层8内即可。然后将振冲器3对准测试点位，开启振冲器3，开启高压水泵4；控制振冲器3从测试点位垂直进入地基7内，直至下降至不合格土层8顶面，后续施工步骤与s33和步骤s34相同，在此不再赘述。

在上述步骤s22中，在使用深层地基处理装置对测试点位的施工完成之后，以测试点位为原点，在地基7上沿若干方向分别布置若干勘察孔组，每组勘察孔组对应一个方向。优选地，在使用深层地基处理装置对测试点位的施工完成之后，在地基7上布置两组勘察孔组，两组勘察孔组的长度方向相互垂直。进一步地，每组勘察孔组包括六个勘察孔，六个勘察孔分别与测试点位的距离为0.4m、0.6m、0.8m、1.0m、1.2m和1.5m。每组勘察孔组中的多个勘察孔与测试点位的距离由近到远设置，根据勘察孔勘察结果，确定深层地基处理装置在对测试点位施工的过程中，振冲装置在不合格土层8内清除土料的长度、宽度和高度，即得到以测试点位为中心，振冲装置在若干方向上抽吸清除不合格土层8内土料的若干半径，以得到的最小半径作为振冲装置在不合格土层8抽吸范围的半径。

在上述步骤s3中，在确定多个振冲点位之后，使用深层地基处理装置依次对每个振冲点位进行施工，将不合格土层8的土料抽吸至地基7外侧，完成不合格土层8的抽吸处理，由于消除了不合格土层8，避免由于不合格土层8导致的地基7的局部区域沉降过大，提供地基7的承载力，解决现现有疏浚吹填的地基7处理方法所存在的不足，确保施工后沉降达到设计要求，处理费用低，有效适用于地基7的深层不合格土层8的处理，尤其适用于细粒含量超过15％的土料形成的不合格土层8的处理。使用深层地基处理装置依次对每个振冲点位进行施工的施工过程相同，操作简单，施工质量易于保证。

在上述步骤s31中，通过升降装置1移动振冲杆2，从而带动振冲器3移动，使得振冲器3就位，振冲器3的下端对准振冲点位，开启振冲器3，通过电机驱动偏心块，振冲器3产生高频振动，开启高压水泵4，通过振冲器3下端的高压出水口喷射高压水。

在上述步骤s32中，升降装置1控制振冲杆2下降，从而控制振冲器3从振冲点位垂直进入地基7内，尽快将振冲器3沉入至不合格土层8顶面，在振冲器3下沉的过程中，保证振冲器3的垂直。

在上述步骤s33中，开启抽砂泵5，在一实施例中，振冲装置还包括真空泵6，则同步开启真空泵6，同时控制振冲器3垂直进入不合格土层8内，并保持振冲器3匀速下降直至抽吸孔31与不合格土层8底面平齐，在振冲器3下降的过程中，振冲器3一边下降，一边通过其上部抽吸孔31抽吸液化土料，实现清除不合格土层8内的土料。具体地，振冲器3高频振动引起不合格土层8内的土体振动，振冲器3下端高压出水口喷水高压水引起其附近的土体液化，形成液化土料。通过真空泵6和抽砂泵5的抽吸作用，在抽吸管道内形成一定的真空度，使得抽吸管道内腔形成负压状态，导致液化土料在大气压作用下从抽吸孔31进入抽吸管道内，并沿抽吸管道的长度方向向上移动，然后通过抽砂泵5将进入振冲杆2内腔的土料抽吸至地基7外侧，从而通过振冲器3上部的抽吸孔31抽吸清除振冲器3附近的不合格土层8的土料。

进一步地，在步骤s33中，控制振冲器3垂直进入不合格土层8内，并保持振冲器3匀速下降直至抽吸孔31与不合格土层8底面平齐的步骤中，振冲器3匀速下降的速度通过以下公式得到：

其中振冲器3液态区面积的获取过程如下：

s331、开启振冲器3，开启高压水泵4，将振冲器3垂直下沉至不合格土层8内，在离振冲器3中心距离由近到远分别布置多个振动传感器，振动传感器布置高程与振冲器3相同，振冲器3与测试点连线垂直于传感器某一面，根据振动传感器的监测结果绘制土体振动加速度大于预设加速度值的液态区范围，得到振冲器3液态区面积。

在步骤s331中，优选地，振动传感器的数量为六，六个振动传感器分别与振冲器3中心的距离为1m、2m、3.5m、4m、4.5m和5m。将振冲器3垂直下沉至不合格土层8内后，振冲器3对不合格土层8内的土料进行振冲，根据振动传感器的监测结果绘制土体振动加速度大于预设加速度值的液态区范围，预设加速度值由振冲器3的功率确定，如振冲器3的功率为引起的振动加速度在1.5g，则预设加速度值取1.5g。根据每个振动传感器的检测结果即可绘制不合格土层8土体振动加速度大于1.5g的液态区范围，由绘制的液态区范围即可得到振冲器3的液态区面积。

在步骤s33中，根据上述公式计算得到振冲器3从不合格土层8顶面下降至不合格土层8底面的速度，使得振冲器3的下降速度与抽砂泵5的泵吸能力相配适，抽砂泵5的泵吸能力即抽砂泵5一定时间内能够排多少立方砂土，具体数据可以通过现场试验确定。确保振冲器3下降过程中，振冲器3附近的液化土料能够被抽砂泵5抽吸至地基7外侧。

在上述步骤s34中，在振冲器3下降至抽吸孔31与不合格底面平齐，则说明振冲器3附近的液化土料已经被抽吸清除，因此关闭抽砂泵5和真空泵6，通过升降装置1控制振冲杆2上升，从而控制振冲器3上升，将振冲器3提升至地基7上方，与地基7脱离，关闭振冲器3和关闭高压水泵4，完成对振冲点位的施工。

相比于现有技术，本发明的有益效果为：在振冲器3下沉的过程利用高压水流、伴随强大振动力对土体进行液化处理，利用抽砂泵5的抽吸作用，使得抽吸管道内形成负压状态，从而液化后的土料从振冲器3的抽吸孔31进入抽吸管道内，然后被抽砂泵5抽吸至地基7的外侧，从而可以有效的处理地基7深层的不合格土层8，消除地基7的不均匀性，避免由于不合格土层8导致的地基7的局部区域沉降过大，从而提高地基7的承载力，解决现现有疏浚吹填的地基7处理方法所存在的不足，确保施工后沉降达到设计要求。本发明结构简单、设计合理、实现方便、施工质量易于保证，能有效适用于地基7的深层不合格土层8的处理，尤其适用于细粒含量超过15％的土料形成的不合格土层8的处理，且处理效果好，是一种高效的地基7处理方法，能够提高砂性土地基7的承载力，并有效解决现有疏浚回填的砂性土地基7处理方法所存在的投入成本较高、施工工艺复杂、地基7加固处理效果较差等多种缺陷和不足。

本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。

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