阅读说明：本技术 一种混凝土预制桩海上沉桩施工方法 (Offshore pile sinking construction method for concrete precast pile ) 是由 刁钰 朱鹏宇 郑刚 秘诚 于 2019-10-25 设计创作，主要内容包括：本发明属于海上沉桩技术领域,公开了一种混凝土预制桩海上沉桩施工方法,首先进行钻孔和高压旋喷作业或进行钻孔和注浆搅拌作业,使配好的水泥浆液与拟沉桩处的砂土充分搅拌混合,形成应力水平较低的水泥砂土；然后利用沉桩设备将混凝土预制桩在处理过的水泥砂土处下沉至沉桩设计标高；最后静置养护水泥砂土,至水泥砂土强度达到要求。本发明将高压旋喷或水泥-土搅拌技术应用于海上混凝土预制桩施工中,通过水泥浆液破坏其原有的土体结构,形成更为松散的土体结构,并用水泥浆包裹土颗粒,降低土体表面的粗糙程度,从而降低沉桩贯入阻力；同时使水泥砂土与混凝土预制桩之间形成具有足够强度的有效连接,成为联合受力整体,增大混凝土预制桩的承载力。(The invention belongs to the technical field of offshore pile sinking, and discloses a concrete precast pile offshore pile sinking construction method, which comprises the following steps of firstly, carrying out drilling and high-pressure jet grouting operation or carrying out drilling and grouting stirring operation, and fully stirring and mixing prepared cement slurry and sandy soil at a position where a pile is to be sunk to form cement sandy soil with a lower stress level; then sinking the concrete precast pile to the pile sinking design elevation at the treated cement sand by utilizing pile sinking equipment; and finally, standing and curing the cement sand until the strength of the cement sand meets the requirement. The invention applies the high-pressure jet grouting or cement-soil mixing technology to the construction of the offshore concrete precast pile, destroys the original soil structure by cement grout to form a looser soil structure, and uses the cement grout to wrap soil particles to reduce the roughness of the soil surface, thereby reducing the penetration resistance of the sinking pile; meanwhile, effective connection with enough strength is formed between the cement sand and the concrete precast pile, so that a combined stress whole is formed, and the bearing capacity of the concrete precast pile is increased.)

一种混凝土预制桩海上沉桩施工方法

技术领域

本发明属于海上沉桩技术领域，具体的说，是涉及一种混凝土预制桩海上沉桩施工方法，特别适合海水面以下较密实砂土环境。

背景技术

在海上进行平台作业，需要将平台基础打入海水以下土层中。相比于陆地施工，海上桩基的土层上方存在海水压力作用，使土体的密实度较高，且其中存在较强的应力场，所以海上混凝土预制桩沉桩更加困难。砂土表面粗糙，高应力场下会在预制桩沉桩过程中产生很大的摩擦阻力，故这种问题在砂土层中体现的更为明显。因此，海上桩基一般采用钢桩，相比混凝土预制桩可以尽量较小沉桩摩阻力。但是如何在海上高应力砂土中完成混凝土预制桩的沉桩一直没有得到很好的解决，而要在海下砂土中顺利完成混凝土预制桩的沉桩，应设法降低砂土的应力水平和砂土与桩侧之间的摩擦系数。

高压旋喷法和水泥-土搅拌法均是在一种在陆上施工中比较常用的地基处理方法，高压旋喷法是采用高压水泥浆通过喷嘴喷出形成喷射流，以此切割土体并预制拌合成水泥土加固体的化学加固方法。水泥土搅拌法是采用水泥浆液与土拌合成水泥土加固体的化学加固方法。陆上的高压旋喷和水泥土搅拌一般用以加固处理软弱地基土。

发明内容

本发明着力于解决海上混凝土预制桩在海水以下的地基土，尤其是砂土中沉桩困难的技术问题，提供了一种混凝土预制桩海上沉桩施工方法，将高压旋喷或水泥-土搅拌技术应用于海上混凝土预制桩施工中，通过水泥浆液的冲击力或搅拌使土体变松散，并用水泥浆包裹土颗粒，降低土体表面的粗糙程度，从而降低混凝土预制桩的沉桩贯入阻力。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

本发明所提供的第一种混凝土预制桩海上沉桩施工方法，该方法按照如下步骤进行：

(1)定位沉桩位置，进行旋喷前的钻孔作业，钻进至混凝土预制桩的设计沉桩标高处停止；

(2)将高压喷嘴置于沉桩设计标高处，进行一边旋喷一边上提高压喷嘴的高压旋喷作业，使配好的水泥浆液与拟沉桩处的砂土充分搅拌混合，形成应力水平较低的水泥砂土；

(3)高压旋喷作业完成后，利用沉桩设备将混凝土预制桩在经高压旋喷处理过的水泥砂土处下沉至沉桩设计标高；

(4)静置养护水泥砂土，至水泥砂土强度达到要求。

进一步地，所述水泥浆液的水灰比不大于0.4。

进一步地，高压旋喷作业中注浆泵的压力值不低于海水以下砂土的水土压力值。

进一步地，所述混凝土预制桩的抗渗等级不小于P8。

本发明所提供的第二种混凝土预制桩海上沉桩施工方法，该方法按照如下步骤进行：

(1)定位沉桩位置，同时进行钻孔作业和高压旋喷作业，下放高压喷嘴的过程中一边钻孔一边旋喷，使配好的水泥浆液与拟沉桩处的砂土充分搅拌混合，形成应力水平较低的水泥砂土；直至达到混凝土预制桩的设计沉桩标高处停止作业；

(2)利用沉桩设备将混凝土预制桩在经高压旋喷处理过的水泥砂土处下沉至沉桩设计标高；

(3)静置养护，至水泥砂土强度达到要求。

进一步地，所述水泥浆液的水灰比不大于0.4。

进一步地，高压旋喷作业中注浆泵的压力值不低于海水以下砂土的水土压力值。

进一步地，所述混凝土预制桩的抗渗等级不小于P8。

本发明所提供的第三种混凝土预制桩海上沉桩施工方法，该方法按照如下步骤进行：

(1)定位沉桩位置，一边钻进一边搅拌，钻进至混凝土预制桩的设计沉桩标高处停止；

(2)进行一边注入水泥浆液一边搅拌的注浆搅拌作业，使配好的水泥浆液与拟沉桩处的砂土充分搅拌混合，形成应力水平较低的水泥砂土；

(3)注浆搅拌作业完成后，利用沉桩设备将混凝土预制桩在经注浆搅拌处理过的水泥砂土处下沉至沉桩设计标高；

(4)静置养护水泥砂土，至水泥砂土强度达到要求。

进一步地，所述水泥浆液的水灰比不大于0.4。

进一步地，所述混凝土预制桩的抗渗等级不小于P8。

进一步地，该施工方法利用了一种混凝土预制桩海上沉桩辅助装置，包括搅拌注浆管，所述搅拌注浆管沿轴向交替设置有多个搅拌叶片组和多个注浆口组，且所述搅拌叶片组和所述注浆口组沿所述搅拌注浆管的轴向间隔布置；每个搅拌叶片组包括多个在所述搅拌注浆管的侧壁径向均布的搅拌叶片，每个注浆口组包括多个在所述搅拌注浆管的侧壁径向均布的注浆口；所述搅拌注浆管底端设置有钻头，所述搅拌注浆管连接有旋转驱动设备。

其中，每个搅拌叶片组的外径不小于混凝土预制桩的外径。

本发明的有益效果是：

(一)本发明通过高压旋喷或注浆搅拌处理高应力水平高密实度的砂土，破坏其原有的土体结构，形成更为松散的土体结构；并使水泥浆与砂土充分混合形成应力水平较低的水泥砂土，降低砂土颗粒表面的粗糙程度；经处理后混凝土沉桩时的灌入阻力将明显减小，可以顺利实现混凝土预制桩在海水环境下的砂土体中的下沉。

(二)本发明在喷浆或注浆搅拌处理后，砂土与水泥浆液混合成为水泥砂土，此水泥砂土与桩体的接触面相比未处理的砂土与桩体的接触面，其力学连接效果有明显的提升；待水泥砂土养护完成后，水泥砂土与混凝土预制桩的外壁形成有效连接，增大混凝土预制桩的有效受力范围，显著提高混凝土预制桩的承载力。

(三)本发明中的混凝土预制桩可以采用抗渗抗腐蚀的混凝土提前预制养护成桩，不用在海水下进行混凝土养护，保证了较高的成桩质量，可以避免钻孔桩在水下环境中养护时海水中各种有害离子对混凝土预制桩的耐久性造成不利影响。

附图说明

图1为实施例1的施工作业流程图；

图2为实施例1的未施工作业状态示意图；

图3为实施例1的钻孔作业状态示意图；

图4为实施例1的高压旋喷作业状态示意图；

图5为实施例1的沉桩作业状态示意图；

图6为实施例1的施工完成效果图；

图7为混凝土预制桩与水泥砂土混合结构的水平剖面图；

图8为实施例3所提供的混凝土预制桩海上沉桩辅助装置的结构示意图；

图9为实施例3的钻进和搅拌作业状态示意图；

图10为实施例3的注浆和搅拌作业状态示意图；

图11为实施例3的沉桩作业状态示意图。

上述图中：1-砂土；2-海水；3-钻头；4-钻杆；5-钻孔；6-水泥砂土；7-水泥浆液；8-注浆杆；9-混凝土预制桩；10-搅拌叶片组；11-注浆口组；12-搅拌注浆管。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种混凝土预制桩海上沉桩施工方法，其主要解决施工海上桩基时，如图2所示，由于海水2压力作用，使海水下方的砂土2的密实度较高，且存在较强的应力场，同时砂土2表面粗糙，在高应力场下会在沉桩过程中产生很大摩擦阻力的问题。

本实施例的混凝土预制桩海上沉桩施工方法，将高压旋喷技术应用于海上混凝土预制桩施工中，具体步骤如下：

步骤一，如图3所示，定位沉桩位置，使用前端设置有钻头3的钻杆4进行旋喷前的钻孔作业。当钻孔5钻至设计沉桩标高处，停止作业并将钻杆4和钻头3取出。

步骤二，如图4所示，通过注浆杆8将高压喷嘴放入沉桩设计标高处，进行高压旋喷作业，一边旋喷一边上提高压喷嘴，使配好的高浓度水泥浆液7与拟沉桩处的砂土2充分搅拌混合，使砂土2从高应力紧密状态变成较松散状态，形成应力水平较低的水泥砂土6。其中，考虑海水对浆液的稀释作用，旋喷所用高浓度水泥浆液7的水灰比不大于0.4。高压旋喷的注浆泵压力值的设定为30MPA，具体压力值视砂土2中有效应力的强弱而定，一般不应低于海水1以下砂土2的水土压力值。

在本实施例中，利用高压旋喷技术处理海水中高应力状态的砂土2，不是为了形成高压旋喷桩，而是利用旋喷法使砂土2变松软，降低处理区砂土2的密实程度，并使桩土接触面润滑，减小沉桩时的桩端阻力和桩侧阻力。

步骤三，如图5所示，高压旋喷作业完成后，利用沉桩设备将混凝土预制桩9在经高压旋喷处理过的水泥砂土6处下沉至沉桩设计标高。

混凝土预制桩9可以是管桩或方桩，在海上施工沉桩作业前预制完成，本实施例中的混凝土预制桩9采用的水泥抗渗等级为P10，具体等级应视桩顶处受到的海水压力而定，一般抗渗等级不小于P8。

另外，混凝土预制桩9可以采用抗渗抗腐蚀的混凝土提前预制养护成桩，不用在海水下进行混凝土养护，保证了较高的成桩质量，可以避免钻孔桩在水下环境中养护时海水中各种有害离子对混凝土预制桩9的耐久性造成不利影响。

步骤四，如图6所示，静置养护水泥砂土6，至水泥砂土6强度达到要求。

静置养护后，水泥砂土6与混凝土预制桩9之间形成具有足够强度的有效连接，成为一个受力工作整体，增大混凝土预制桩9的承载力，如图7所示。

实施例2

本实施例与实施例1的区别仅在于，步骤一中的钻头3和步骤二中的高压喷嘴是连为一体的，在钻孔的同时进行高压旋喷作业。

本实施例的混凝土预制桩海上沉桩施工方法，将高压旋喷技术应用于海上混凝土预制桩施工中，具体步骤如下：

步骤一，定位沉桩位置，同时进行钻孔作业和高压旋喷作业，下放高压喷嘴的过程中一边钻孔一边旋喷，钻孔的同时使配好的高浓度水泥浆液7与拟沉桩处的砂土2充分搅拌混合，使砂土2从高应力紧密状态变成较松散状态，形成应力水平较低的水泥砂土6，直至作业至沉桩设计标高处停止作业。

步骤二，钻孔和高压旋喷作业完成后，利用沉桩设备将混凝土预制桩在经高压旋喷处理过的水泥砂土处下沉至沉桩设计标高。

步骤三，静置养护，至水泥砂土强度达到要求。

实施例3

本实施例提供了一种混凝土预制桩海上沉桩施工方法，将注浆搅拌技术应用于海上混凝土预制桩施工中，具体步骤如下：

步骤一：定位沉桩位置，将搅拌注浆管3垂直放置在沉桩位置正上方。

如图8所示，搅拌注浆管12为钢制，其上设置有多个搅拌叶片组10和多个注浆口组11。搅拌叶片组10和注浆口组11沿搅拌注浆管12的轴向上交替设置，并且搅拌叶片组10和注浆口组11间隔排列。当搅拌叶片组10和注浆口组11沿搅拌注浆管12的轴向等间距布置时，注浆搅拌效果更佳。

每个搅拌叶片组10包括多个搅拌叶片，多个搅拌叶片在搅拌注浆管3的侧壁上径向均匀分布。搅拌叶片组10的外径(即搅拌叶片组1中多个搅拌叶片的外切圆直径)不小于混凝土预制桩9的外径。每个注浆口组11包括多个注浆口，多个注浆口在搅拌注浆管12的侧壁上径向均匀分布。

搅拌注浆管12底端设置钻头3，钻头3通过螺栓或者螺纹固定连接于搅拌注浆管12的底端，或者钻头3与搅拌注浆管12一体成型。钻头3通过向下钻进使混凝土预制桩9下沉处的砂土松软，减小混凝土预制桩9下沉过程中的阻力。钻头3表面设置有若干凸起，以便于顺利的在土体中向下钻进。

搅拌注浆管12连接有旋转驱动设备，旋转驱动设备驱动搅拌注浆管12绕其轴线旋转。搅拌注浆管12不仅为注浆口组11输送水泥浆液，也通过搅拌注浆管12自身的转动带动钻头3、搅拌叶片组10、注浆口组11的转动，为钻头3、搅拌叶片组10、注浆口组11提供扭矩。

步骤二：如图9所示，进行钻进和搅拌作业：开启旋转驱动设备并下放搅拌注浆管12，一边利用钻头3钻孔，一边利用搅拌叶片组10搅拌，直至最下部的钻头3达到设计混凝土预制桩9的沉桩标高。该步骤使搅拌区砂土从高应力紧密状态变成较松散状态，形成应力水平较低的砂土。

步骤三：如图10所示，进行注浆和搅拌作业：保持搅拌注浆管12的高度不变，通过注浆泵向搅拌注浆管12输送水泥浆液，一边通过注浆口组11注入水泥浆液，一边利用搅拌叶片组10拌合水泥浆液和砂土，使配好的水泥浆液与拟沉桩处的砂土充分搅拌混合，形成水泥砂土6。

其中，考虑海水对浆液的稀释作用，所用水泥浆液为高浓度，水泥浆液的水灰比不大于0.4。

在本实施例中，利用注浆搅拌技术处理海水中高应力状态的砂土2，不是为了形成水泥土搅拌桩，而是利用搅拌法使砂土2变松软，降低处理区砂土2的密实程度，在利用注浆和搅拌使桩土接触面润滑，减小沉桩时的桩端阻力和桩侧阻力。

步骤四：将搅拌注浆管12从松散的水泥砂土6中向上提出。

步骤五：如图11所示，利用沉桩设备将混凝土预制桩9向下放送至设计沉桩标高位置。

混凝土预制桩9在海上施工沉桩作业前预制完成，混凝土预制桩9采用的水泥抗渗等级不小于P8，具体等级应视桩顶处受到的海水压力而定。另外，混凝土预制桩9可以采用抗渗抗腐蚀的混凝土提前预制养护成桩，不用在海水下进行混凝土养护，保证了较高的成桩质量，可以避免钻孔桩在水下环境中养护时海水中各种有害离子对混凝土预制桩9的耐久性造成不利影响。

步骤六：静置养护水泥砂土6，至水泥砂土6强度达到要求。

静置养护后，水泥砂土6与混凝土预制桩9之间形成具有足够强度的有效连接，成为一个受力工作整体，增大混凝土预制桩9的承载力。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。