一种软土地基处理装置及地基处理施工方法与流程

本发明涉及地基处理领域，尤其涉及一种软土地基处理装置。

背景技术：

当前软土地基处理常采用排水固结等处理方法，或采用复合桩基。排水固结多采用塑料排水带、袋装砂井等处理方法，复合桩基多采用高压旋喷桩、搅拌桩等处理方式；现有技术中还有使用土工布袋注浆或真空囊袋的处理方式，但通常现场多选取以上的某一种处理方法，如单独采用排水固结处理软土地基，工期长，处理效果难以保证，砂井及塑料排水带无法充分利用，浪费资源；单独采用复合桩基，原状软土承载力低，软土地层承载力发挥有限，对桩的承载力要求较高，同时为调整桩土应力比，需要较厚的褥垫层，经济性差；土工布袋注浆的方式没有排水固结过程，工程效率较低；真空囊袋的处理方式，采用的注浆浆液一般是纯水泥或其他混合浆液，其复合桩基强度不够好。

综上，现有的软土地基处理方式，工期长、处理效果难以保证、经济性差。

技术实现要素：

针对上述现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种软土地基处理装置及地基处理施工方法，本发明结合了排水固结和复合桩以及囊袋扩充的优势，并且优化了施工流程，采用砂井填砂，规避袋装砂井处理软土地层时，装砂繁琐、砂井贯通地层长期不稳定等问题，同时，充分利用砂井渗水断面大、排水效果好的优势，加快地基处理速度，且充分利用砂井的砂子，注浆后的成桩质量大大提高，比纯水泥浆液的复合桩基强度要大很多，这样就能够充分发挥桩土承载力的协调性，有效提高地基承载力；并且由于复合桩的存在，可以根据需求降低排水固结的时间，提高施工效率；根据排水固结的效果，分批次有序注浆成桩，能够有效控制不均匀沉降；同时由于本发明的砂井口径较小，采用的施工机械及施工方法也较为简单经济。

本发明是通过如下技术方案实现的：一种软土地基处理装置，包括桩靴，所述桩靴的上端面设有定位环，所述定位环的外径小于所述圆柱的外径，所述桩靴上且位于所述定位环的中心设有定位柱；所述定位环的外侧设有桩管，所述桩管的底部抵在所述桩靴；

所述定位柱外侧设有套管，所述套管的下端管壁上设置有若干个滤水孔，所述套管的上端通过排水管连接抽水装置；

还包括注浆管，所述注浆管的管外径小于所述套管内径，所述注浆管上端连接注浆系统，另一端穿进所述套管并抵在所述定位柱上；

所述桩管、所述套管以及所述注浆管的上端均伸出地面，且所述注浆管的伸出端高于所述套管。

所述桩靴和所述桩管下沉形成桩孔，拔出所述桩管同时在所述套管和所述桩管之间填砂，形成砂井，所述套管上端连接抽水装置，地层的水从所述滤水孔渗入并被抽出，对地层进行排水固结，排水固结过程完成后插入所述注浆管，拔出所述套管，注浆后浆液与所述砂井形成复合桩基。

为了方便施工，进一步，所述桩管为若干节钢管一通过螺纹连接而成；所述套管由若干节钢管二通过螺纹连接而成，所述套管的最底层的一节钢管二的外壁上均布有不大于1.5mm的滤水孔。

进一步，所述注浆管的管壁中部周向均布有若干个内径不小于3mm的注浆小孔，所述注浆管上且与所述注浆小孔对应的位置套设有注浆囊袋，所述注浆囊袋通过所述注浆小孔与所述注浆管连通。

所述注浆囊袋内注入浆液会膨胀，进而挤压所述砂井，在所述复合桩基上形成扩大体，能够改善复合桩基的受力情况，提高所述复合桩基的稳定性和强度。

考虑到所述注浆囊袋是安装在所述注浆管上的，不能影响所述注浆管的抽离，进一步，所述注浆管上且与所述注浆小孔对应的位置套设有支撑管，所述支撑管两端设有向内凸起的弹性片，所述注浆管的管壁上且在相对于所述弹性片的位置设有凹槽，所述弹性片卡入所述凹槽；所述支撑管中间设有与所述注浆小孔对应的通孔，所述注浆小孔与所述通孔内设有橡胶导管，所述橡胶导管设置在所述注浆管内的一端设有外翻边，所述外翻边抵在所述注浆管的内壁上；所述注浆囊袋为上下开口的橡胶套，所述橡胶套的上下端通过卡环套设在所述支撑管的两端。所述弹性片卡入所述凹槽，防止所述支撑管脱落或转动；所述橡胶导管伸出所述支撑管的一端长度约为2-3mm，最终所述扩大体形成后，由于所述支撑管与所述注浆管是通过所述弹性片卡接，所述注浆管抽离时会将所述弹性片顶出，所述支撑管不会被所述注浆管带出，同时所述橡胶导管将被所述注浆管带出，所述注浆管能够顺利抽出。

进一步，当需要在所述复合桩基上形成多个所述扩大体时，进一步，在所述注浆管上间隔设置若干组所述注浆小孔，并分别套设所述支撑管以及所述注浆囊袋。

但是当需要在所述复合桩基上形成一个较大的所述扩大体时，此时随着所述注浆囊袋及所述支撑管的尺寸增大而重量增加，所述弹簧片的卡接力度可能不足会导致所述支撑管脱落，故此情况在施工时，在所述注浆管上且位于所述支撑管的上方焊接若干弹性爪，所述弹性爪下端夹紧设置在所述注浆囊袋外侧，确保所述注浆管插入时所述支撑管不脱落，当扩大体形成时，会将所述弹性爪撑起，进而所述注浆管能够顺利抽出。

进一步，所述支撑管为壁厚小于1mm的钢管。

当所述注浆管下压，下端口封堵后，浆液会被注入所述注浆囊袋内，为了更好的封堵所述注浆管的下端出口，进一步，所述定位柱上端的中心固定设有橡胶堵头，所述橡胶堵头为圆锥体且锥尖朝上。所述注浆管下压时，所述橡胶堵头可以嵌入所述注浆管的下端口。

进一步，所述桩靴由混凝土预制而成。

考虑到，所述注浆管插入至所述桩靴时，如果偏心，会造成所述注浆管的下端口无法被完全封堵，而导致所述注浆囊袋膨胀度不足，还会导致所述注浆囊袋位置偏心，进而导致所述注浆囊袋膨胀时，周围的所述砂井受力不均匀，降低所述扩大体的成型质量。进一步，地层上设置一个注浆管辅助装置，所述注浆管辅助装置包括支架，所述支架上转动设有双向丝杆，所述双向丝杆的两端通过螺纹连接设置有丝杠螺母，所述丝杠螺母的内侧设置有夹持板，所述支架上设置有导向杆，所述夹持板套接在所述导向杆上，两个所述夹持板的相对面设有v型槽；

所述夹持板的内侧且位于所述v形槽的正上方通过弹簧设置有弧形板，所述夹持板上且与所述弧形板相对应的位置通过螺纹连接设置有螺杆，所述螺杆顶在所述弧形板上。

转动所述双向丝杆能够使所述v形槽用来夹持所述套管，调节所述螺杆能够调整所述弧形板与所述注浆管的间距；所述注浆管辅助装置可以协助所述注浆管插入时可以不偏心，并且注浆时，所述夹持板还可以确保所述注浆管的稳定性；

当注浆完毕后，向上抽离所述注浆管时会比较费力，进一步，所述夹持板上且位于所述弧形板的上方设置有固定板，所述固定板上水平设有电机，所述电机的驱动轴上连接有辊轮，所述辊轮设置在所述注浆管的两侧且与所述导向杆平行。所述辊轮抵在所述注浆管的外壁，两电机轴的旋转速度相同，旋转方向相反，所述辊轮可以带动所述注浆管向上运动，不仅可以提高所述注浆管抽离的效率，还能使得抽离过程更加稳定。

一种利用上述的软土地基处理装置来处理地基的施工方法，包括以下步骤：

步骤1：在地层上铺设褥垫层，并在所述褥垫层上确定桩位，然后将所述桩靴放置在桩位上，准备下沉；

步骤2：将带有滤水孔的所述钢管二的下端卡接在所述定位柱上；

步骤3：将一节钢管一卡接在所述定位环上；

步骤4：将一节钢管一与所述桩靴一起下沉，并留300mm露出所述褥垫层，便于继续安装下一节；

步骤5：通过螺纹续接钢管一和钢管二，并继续下沉，且留300mm露出所述褥垫层。

步骤6：按照步骤5的方法，继续安装钢管一及钢管二，直至到达设计标高；

步骤7：向所述桩管与所述套管之间的间隙灌入配制好的砂，灌注砂的同时拔出所述桩管，使砂填满所述套管与地层之间的空间，直至所述桩管抽出且砂灌注至所述褥垫层底部，形成砂井；

步骤8：按照步骤1所确定的桩位，重复所述步骤2-7，完成全部桩孔施工；

步骤9：将所述套管通过排水管与抽水装置连接，抽出地下水，使地层进行排水固结，直至地层固结达到设计要求后，停止抽水并分离所述套管与所述排水管；

步骤10：将所述支撑管套设在所述注浆管上，使所述弹性片卡在所述凹槽内，将所述橡胶导管带有翻边的一端穿入所述通孔及所述注浆小孔，将所述橡胶套的上下端使用卡环固定在所述支撑管上下端。

步骤11：将所述注浆管穿入所述套管，当所述注浆囊袋进入所述套管后，安装所述注浆管辅助装置，旋转双向丝杆调整所述夹持板，使得v型槽夹持所述套管，并调整所述螺杆使得所述弧形板与所述注浆管之间保留一丝间隙，辅助所述注浆管居中竖直穿入所述套管，使得所述橡胶堵头的锥尖嵌入所述注浆管底端；

步骤12：旋转所述双向丝杆，松开所述夹持板，分节拔出所述套管，保留一节所述钢管二在褥垫层，再次调整夹持板，使得v型槽夹持固定住所述钢管二，并调节所述螺杆使得所述弧形板与所述注浆管之间保留一丝间隙；

步骤13：将所述注浆管与注浆系统连接，略微上提所述注浆管，使所述注浆管的下端与所述橡胶堵头之间具有间隙，此时调节所述螺杆，使得所述弧形板夹持固定住所述注浆管，开始注浆，浆液通过所述注浆管下端不断涌出并渗透所述砂井形成复合桩基，直至浆液到达所述褥垫层的底部停止注浆；

步骤14：微动调整所述螺杆，使所述弧形板与所述注浆管之间保留一丝间隙，按下所述注浆管，所述橡胶堵头将嵌入所述注浆管下端进行封堵，继续注浆，浆液沿所述注浆小孔充入所述注浆囊袋，所述注浆囊袋开始膨胀并挤压所述砂井，在相应位置形成所述复合桩基的扩大体；

步骤15：拆除注浆系统，启动所述电机带动辊轮转动，辅助拔出所述注浆管，清洗注浆系统及所述注浆管；

步骤16：重复步骤9-步骤15，完成所有复合桩基施工，最终所有复合桩基成型至设计强度后，地基处理完毕。

本发明的有益效果为：本发明结合了排水固结处理和复合桩基处理两种软土地基处理的方式，使得软土地基处理经济高效，提高地基处理质量；本发明复合桩基直径相对较小，可采用的现有成熟设备且施工方法经优化后也较为简单，整体方案经济高效，可周转使用，节约成本；区别于传统袋装砂井等排水固结处理软土地基的形式，对桩孔进行注浆处理，能够有效隔绝被桩孔贯通的地层中的地下水，使得地层排水固结处理效果稳定，本发明据此优化了施工流程，采用砂井填砂，规避袋装砂井处理软土地层时，装砂繁琐、砂井贯通地层长期不稳定等问题，充分利用砂井渗水断面大、排水效果好的优势，加快地基处理速度；利用砂井的砂子，作为复合桩基主体材料使用，不仅节约成本，而且注浆后的成桩质量大大提高，比纯水泥浆液的复合桩基强度要大很多；通过使用注浆囊袋，使得复合桩基中间部形成扩大段，可以改善复合桩基受力状态，充分发挥桩土承载力的协调性，有效提高地基承载力，进而能够有效减少复合桩基长度；由于复合桩的存在，可以根据需求降低排水固结的时间，提高施工效率；根据排水固结的效果，分批次有序注浆成桩，能够有效控制不均匀沉降。

附图说明

图1为本发明为插入桩管及套管结构示意图。

图2为图1的a-a剖视图。

图3为本发明插入注浆管结构示意图。

图4为图3的b-b结构示意图。

图5为图4中的c部分放大结构示意图。

图6为注浆囊袋结构示意图。

图7为支撑管结构示意图。

图8为注浆管辅助装置结构示意图。

图9为桩靴结构示意图。

图10为复合桩基结构示意图。

其中，附图标记为：1、桩靴；101、定位环；102、定位柱；103、橡胶堵头；2、桩管；3、套管；301、滤水孔；4、注浆管；401、橡胶导管；5、注浆囊袋；501、支撑管；502、通孔；503、卡环；504、弹性片；6、注浆管辅助装置；601、支架；602、双向丝杆；603、丝杠螺母；604、夹持板；605、v型槽；606、弧形板；607、螺杆；608、弹簧；609、导向杆；610、固定板；611、辊轮；612、电机；7、褥垫层；8、地层；9、砂井；10、复合桩基；1001、扩大体。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。

参见图1-2，一种软土地基处理装置，包括桩靴1，桩靴1的上端面设有定位环101，定位环101的外径小于圆柱的外径，桩靴1上且位于定位环101的中心设有定位柱102；定位环101的外侧设有桩管2，桩管2的底部抵在桩靴1；桩靴1主体采用混凝土预制结构，为直径约110mm、高度约150mm的圆锥体，桩靴1的上端直径比桩管2外径大，用于封堵桩管2的底口，同时降低桩管2拔出时土体涂抹效应；桩管2用于复合桩基10成孔；

定位柱102外侧设有套管3，套管3的下端管壁上设置有若干个滤水孔301，套管3的上端通过排水管连接抽水装置；

还包括注浆管4，注浆管4的管外径小于套管3内径，注浆管4上端连接注浆系统，另一端穿进套管3并抵在定位柱102上；注浆管4采用壁厚2mm、dn10mm的钢管。

地层8上覆盖有中粗砂铺设的褥垫层7，褥垫层7采用中粗砂，厚度取300mm，桩管2、套管3以及注浆管4的上端均伸出褥垫层7，且注浆管4的伸出端高于套管3。

桩靴1和桩管2下沉形成桩孔，拔出桩管2同时在套管3和桩管2之间填砂，形成砂井9，套管3上端连接抽水装置，地层的水从滤水孔301渗入并被抽出，对地层8进行排水固结，排水固结过程完成后插入注浆管4，拔出套管3，注浆后浆液与砂井9形成复合桩基10。

考虑到桩管2及套管3较长时，不方便施工，桩管2为若干节钢管一通过螺纹连接而成；套管3由若干节钢管二通过螺纹连接而成，套管3的最底层的一节钢管二的外壁上均布有不大于1.5mm的滤水孔301。钢管一采用壁厚3mm、dn90mm的钢管，钢管二采用壁厚2mm、dn30mm的钢管。套管3与桩管2之间填满混合好的砂形成砂井9，地层8中的水通过滤水孔301渗透至套管3，并由抽水装置抽出，形成地层8的排水固结过程。

如图3-4以及图10所示，注浆管4的管壁中部周向均布有若干个内径不小于3mm的注浆小孔，注浆管4上且与注浆小孔对应的位置套设有注浆囊袋5，注浆囊袋5通过注浆小孔与注浆管4连通。注浆囊袋5内注入浆液会膨胀，进而挤压砂井9，在复合桩基10上形成扩大体1001，能够改善复合桩基10的受力情况，提高复合桩基10的稳定性和强度。

如图5-6所示，考虑到注浆囊袋5是安装在注浆管4上的，不能影响注浆管4的抽离，注浆管4上且与注浆小孔对应的位置套设有支撑管501，支撑管501两端设有向内凸起的弹性片504，注浆管4的管壁上且在相对于弹性片504的位置设有凹槽，弹性片504卡入凹槽；弹性片504如果影响支撑管501在注浆管的安装，弹性片504可以在支撑管501安装到注浆管的指定位置之后通过焊接连接；支撑管501中间设有与注浆小孔对应的通孔502，注浆小孔与通孔502内设有橡胶导管401，橡胶导管401设置在注浆管4内的一端设有外翻边，外翻边抵在注浆管4的内壁上；注浆囊袋5为上下开口的橡胶套，橡胶套的上下端通过卡环503套设在支撑管501的两端。弹性片504卡入凹槽，防止支撑管501脱落或转动；橡胶导管401伸出支撑管501的一端长度约为2-3mm，最终扩大体1001形成后，由于支撑管501与注浆管4是通过弹性片卡接，注浆管抽离时会将弹性片504顶出，支撑管501不会被注浆管4带出，同时橡胶导管401将被注浆管4带出，注浆管4能够顺利抽出。支撑管501为壁厚小于1mm的钢管。

当需要在复合桩基10上形成多个扩大体1001时，在注浆管4上间隔设置若干组注浆小孔，并分别套设支撑管501以及注浆囊袋5。

但是当需要在复合桩基10上形成一个较大的扩大体1001时，此时随着注浆囊袋5及支撑管501的尺寸增大而重量增加，弹簧片504的卡接力度可能不足会导致支撑管501脱落，故此情况在施工时，在注浆管4上且位于支撑管501的上方焊接若干弹性爪，弹性爪下端夹紧设置在注浆囊袋5外侧，确保注浆管4插入时支撑管501不脱落，当扩大体1001形成时，会将弹性爪撑起，进而注浆管4能够顺利抽出。

如图9所示，当注浆管4下压，下端口封堵后，浆液会被注入注浆囊袋5内，为了更好的封堵注浆管4的下端出口，定位柱102上端的中心固定设有橡胶堵头103，橡胶堵头103为圆锥体且锥尖朝上。注浆管4下压时，橡胶堵头103可以嵌入注浆管4的下端口。

如图8所示，考虑到，注浆管4插入至桩靴1时，如果偏心，会造成注浆管4的下端口无法被完全封堵，而导致注浆囊袋5膨胀度不足，同时还会导致注浆囊袋5的位置偏心，进而导致注浆囊袋4膨胀时，周围的砂井9受力不均匀，降低扩大体1001的成型质量。地层8上设置一个注浆管辅助装置6，包括支架601，支架601上转动设有双向丝杆602，双向丝杆602的两端通过螺纹连接设置有丝杠螺母603，丝杠螺母603的内侧设置有夹持板604，支架601上设置有导向杆609，夹持板604套接在导向杆609上，两个夹持板604的相对面设有v型槽605；

夹持板604的内侧且位于v形槽605的正上方通过弹簧608设置有弧形板606，夹持板604上且与弧形板606相对应的位置通过螺纹连接设置有螺杆607，螺杆607顶在弧形板606上。

转动双向丝杆602能够使v形槽605用来夹持套管3，调节螺杆607能够调整弧形板606与注浆管4的间距；注浆管辅助装置可以协助注浆管插入时可以不偏心，并且注浆时，夹持板还可以确保注浆管的稳定性；

当注浆完毕后，向上抽离注浆管时会比较费力，夹持板604上且位于弧形板606的上方设置有固定板610，固定板610上水平设有电机612，电机612的驱动轴上连接有辊轮611，辊轮611设置在注浆管4的两侧且与导向杆609平行。辊轮611抵在注浆管的外壁，两电机轴的旋转速度相同，旋转方向相反，辊轮611可以带动注浆管4向上运动，不仅可以提高注浆4管抽离的效率，还能使得抽离过程更加稳定。

一种利用上述的软土地基处理装置来处理地基的施工方法，包括以下步骤：

步骤1：在地层8上铺设褥垫层7，并在褥垫层7上确定桩位，然后将桩靴1放置在桩位上，准备下沉；

步骤2：将带有滤水孔301的钢管二的下端卡接在定位柱102上；

步骤3：将一节钢管一卡接在定位环101上；

步骤4：将一节钢管一与桩靴1一起下沉，并留300mm露出褥垫层7，便于继续安装下一节；

步骤5：通过螺纹续接钢管一和钢管二，并继续下沉，且留300mm露出褥垫层7。

步骤6：按照步骤5的方法，继续安装钢管一及钢管二，直至到达设计标高；

步骤7：向桩管2与套管3之间的间隙灌入配制好的砂，灌注砂的同时拔出桩管2，使砂填满套管3与地层8之间的空间，直至桩管2抽出且砂灌注至褥垫层7底部，形成砂井9；

步骤8：按照步骤1所确定的桩位，重复步骤2-7，完成全部桩孔施工；

步骤9：将套管3通过排水管与抽水装置连接，抽出地下水，使地层8进行排水固结，直至地层8固结达到设计要求后，停止抽水并分离套管3与排水管；

步骤10：将支撑管501套设在注浆管4上，使弹性片504卡在凹槽内，将橡胶导管401带有翻边的一端穿入通孔502及注浆小孔，将橡胶套的上下端使用卡环503固定在支撑管501上下端。

步骤11：将注浆管4穿入套管3，当注浆囊袋5沉入套管3后，安装注浆管辅助装置6，旋转双向丝杆602调整夹持板604，使得v型槽605夹持套管3，并调整螺杆607使得弧形板606与注浆管4之间保留一丝间隙，辅助注浆管4居中竖直穿入套管3，使得橡胶堵头103的锥尖嵌入注浆管4底端；

步骤12：旋转双向丝杆602，松开夹持板604，分节拔出套管3，保留一节钢管二在褥垫层7，再次调整夹持板604，使得v型槽605夹持固定住钢管二，并调节螺杆607使得弧形板606与注浆管4之间保留一丝间隙；

步骤13：将注浆管4与注浆系统连接，略微上提注浆管4，使注浆管4的下端与橡胶堵头103之间具有间隙，此时调节螺杆607，使得弧形板606夹持固定住注浆管4，开始注浆，浆液通过注浆管4下端不断涌出并渗透砂井9形成复合桩基10，直至浆液到达褥垫层7的底部停止注浆；

步骤14：微动调整螺杆607，使弧形板606与注浆管4之间保留一丝间隙，按下注浆管4，橡胶堵头103将嵌入注浆管4下端进行封堵，继续注浆，浆液沿注浆小孔充入注浆囊袋5，注浆囊袋5开始膨胀并挤压砂井9，在相应位置形成复合桩基10的扩大体1001；

步骤15：拆除注浆系统，启动电机612带动辊轮611转动，辅助拔出注浆管4，清洗注浆系统及注浆管4；

步骤16：重复步骤9-步骤15，完成所有复合桩基10施工，最终所有复合桩基10成型至设计强度后，地基处理完毕。

在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。

本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述，当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

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