侧胀挤密复合真空排水型软基加固系统及施工方法
技术领域
本发明属于软土地基加固技术领域，具体涉及一种侧胀挤密复合真空排水型软基加固系统及施工方法。
背景技术
近些年，随着沿海地区经济的快速发展，土地资源紧缺成为制约城市发展的重要问题，因此涌现出大规模的围海造陆工程，而危害造陆通常采用吹填方法，即因地制宜的将疏浚航道或扩建泊位的挖掘出的泥砂吹填至设计区域，由于吹填土以淤泥质土、粉质黏土为主，且在吹填过程中，土的结构性被破坏，致使造路区域土体强度极低，压缩性极高，如不对其进行加固处理，将无法满足后续施工要求。
对于吹填软土地基加固通常采用真空预压法，目前，该方法在工程应用中存在以下问题：①真空预压法对于真空度的要求较高，施工现场密闭系统往往很难保证，因此效果很难达到要求；②真空预压法一般采用抽水泵进行排水，但抽水泵吸程普遍偏低，通常膜下真空度只能达到600mmHg，等效荷重为80kPa，约相当于4m-5m堆土荷载，对于饱和软土地基，该载荷只能排出土体中的自由水，对于土体中的结合水排出效果不佳；③大量工程实践表明，饱和软黏土地基经真空预压加固后，土体含水率通常在液限附近(含水率为36％-40％)，即土体处于可塑与流动状态之间，所对应的地基承载力特征值约为80kPa左右，不能进一步提高；④施工成本较高，施工周期较长，因排水板、塑料膜无法回收利用，不仅造成资源浪费，且对土地造成污染。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种侧胀挤密复合真空排水型软基加固系统及施工方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种侧胀挤密复合真空排水型软基加固系统，包括真空泵、水平排水系统、串式侧胀排水钢管、气泵以及内部气管；
水平排水系统与真空泵连通，通过真空泵为水平排水系统提供负压；
所述串式侧胀排水钢管竖直钻进待处理地基中，其顶端与水平排水系统连通；
所述串式侧胀排水钢管由钻头、气囊管段和滤水管段连接组成；钻头位于串式侧胀排水钢管的最底端，所述内部气管安装在串式侧胀排水钢管内部，与气囊管段上的气囊腔体连通，内部气管顶部与地面之上的气泵连通，通过气泵经内部气管控制各个气囊管段上的气囊腔体充气情况；
所述气囊管段包括钢管基体、弹性气囊皮、抱箍和气嘴，钢管基体外壁上设置有一圈凹槽，所述弹性气囊皮包裹在该凹槽之上，弹性气囊皮的两端通过抱箍密封连接在凹槽两端的槽顶部，凹槽和弹性气囊皮之间形成气囊腔体；凹槽的两端还设置有扩径阶梯，该扩径阶梯的直径与滤水管段的直径相等；所述气嘴与弹性气囊皮内腔连通，气嘴与内部气管连通。
在上述技术方案中，气囊管段和滤水管段的个数根据土层加固深度增减，气囊管段和滤水管段交替进行连接。
在上述技术方案中，所述钻头采用螺旋式绞龙叶片钻头，长度为0.5-1.0m。
在上述技术方案中，钻头、气囊管段和滤水管段之间通过螺纹连接。
在上述技术方案中，所述滤水管段采用长度为1.0-1.5m、直径5-10cm的钢管，表面设有滤水孔，滤水孔直径为6-8mm，滤水管组装完成后，表面应绑扎滤布；滤水管段的两端设置有螺纹，用于连接钻头或者气囊管段。
在上述技术方案中，在钢管基体的两端口设置有外螺纹，用于连接钻头或者气囊管段。
在上述技术方案中，所述气嘴优选为设置在钢管基体的端口内侧，从而方便气嘴与内部气管连接，由气泵通过内部气管为气囊腔体充气。
在上述技术方案中，凹槽两端的槽顶部设置有用于安装抱箍的凹槽，从而更加紧密抱紧弹性气囊皮。
在上述技术方案中，所述串式侧胀排水钢管的钻头、气囊管段和滤水管段组装后，内部形成一条内部排水通道，真空预压排水时，地基中的水从串式侧胀排水钢管上的滤水孔进入内部排水通道并沿内部排水通道向上排水。
所述侧胀挤密复合真空排水型软基加固系统的施工方法，步骤如下：
①测量放点；用GPS定位串式侧胀排水钢管的施设位置；
②组装串式侧胀排水钢管；依次将钻头、气囊管段、滤水管段进行螺纹连接，气囊管段和滤水管段的个数根据土层加固深度增减；
③钻进施工；按设计点位用钻机将串式侧胀排水钢管垂直土体钻至设计深度；
④布设水平排水系统；在相邻两排串式侧胀排水钢管之间布设纵向排水管，然后用横向排水管将纵向排水管连接，管与管之间用四向接头连接；
⑤降水施工；将水平排水系统和串式侧胀排水钢管连接成空间整体排水系统，并将真空泵与水平排水管路连接，启动真空泵，实施降水，使地基中的水从串式侧胀排水钢管上的滤水孔进入内部排水通道并沿内部排水通道向上排水；
⑥充气预压施工；降水一段时间后，断开水平排水系统和串式侧胀排水钢管接口，然后将气泵与内部气管连接，连接好后启动气泵，气囊管段的气囊膨胀挤密周围土体，土体内产生超静孔隙水压力，促使地基中的水从串式侧胀排水钢管上的滤水孔进入内部排水通道；
⑦充气预压一段时间后，断开气泵与内部气管的接口，重复步骤⑤-⑦，土层在反复降水、充气预压过程中快速被加固。
本发明的优点和有益效果为：
本发明针对围海造陆吹填软土(饱和淤泥质黏土和粉质黏土)地基进行加固，解决了真空预压软基加固效果、加固深度有限，加固后不能满足智能化码头，堆场码头等对地基承载力要求较高等问题，应用该发明的具体有益效果如下：
1.本发明提出具有排水、侧胀预压作用的串式侧胀排水钢管结构，该结构在真空抽水压力下能够排出土层内大部分自由水，气囊充气膨胀后，对周围土体产生预压挤密作用，同时使土体内产生超孔隙水压力，加速孔隙水沿滤水管排出，从而对地基土达到排水、预压挤密双重加固的效果。
2.本发明组装、埋设、安装方便，使用后极大的提高了软土地基的加固速率和加固效果，加固完成后，排出气囊腔体内的气压，可实现串式侧胀排水钢管回收利用，且水平排水系统均可以回收利用，极大地节约的资源和成本，且该发明各结构制作工艺成熟，可控性和实用性较强。
附图说明
图1是本发明的空间结构示意图。
图2是本发明中的串式侧胀排水钢管的结构示意图。
图3是本发明中的气囊管段的结构示意图。
图4是本发明中的气囊管段和滤水管段连接结构示意图。
图5是本发明中的气囊管段的气囊胀起后的示意图。
图中：1：真空泵、2：水平排水系统、3：串式侧胀排水钢管、4：气泵、5：四向接头、3-1：钻头、3-2：气囊管段、3-3：滤水管段、3-34：内部气管、3-21：钢管基体、3-22：弹性气囊皮、3-23：抱箍、3-24：气嘴。
对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
实施例一
一种侧胀挤密复合真空排水型软基加固系统，包括真空泵1、水平排水系统2、串式侧胀排水钢管3、气泵4以及内部气管3-34。
所述水平排水系统2包括横向排水管路和纵向排水管路，管路采用PVC管，各管间通过四向接头5连接，水平排水系统2与真空泵1连通，通过真空泵1为水平排水系统2提供负压。
所述串式侧胀排水钢管3竖直钻进待处理地基中，其顶端通过四向接头与水平排水系统2连通(串式侧胀排水钢管3顶端应高出地面20-30cm)，接口处应用防水胶带密封。
所述串式侧胀排水钢管3由钻头3-1、气囊管段3-2和滤水管段3-3连接组成；钻头3-1位于串式侧胀排水钢管的最底端，气囊管段3-2和滤水管段3-3的个数根据土层加固深度增减，气囊管段3-2和滤水管段3-3交替进行连接；所述内部气管3-34安装在串式侧胀排水钢管3内部，与气囊管段3-2上的气囊腔体连通，内部气管3-34顶部与地面之上的气泵4连通，通过气泵4经内部气管控制各个气囊管段3-2上的气囊腔体充气情况。
所述钻头3-1采用螺旋式绞龙叶片钻头，长度为0.5-1.0m；钻头、气囊管段和滤水管段之间通过螺纹连接。
所述滤水管段3-3采用长度为1.0-1.5m、直径5-10cm的钢管，表面设有滤水孔，滤水孔直径为6-8mm，滤水管3-3组装完成后，表面应绑扎滤布；滤水管段3-3的两端设置有螺纹，用于连接钻头3-1或者气囊管段3-2。
所述气囊管段3-2包括钢管基体3-21、弹性气囊皮3-22、抱箍3-23和气嘴3-24，钢管基体3-21外壁上设置有一圈凹槽3-a，所述弹性气囊皮3-22包裹在该凹槽之上，即弹性气囊皮的两端通过抱箍3-23密封连接在凹槽两端的槽顶部，凹槽和弹性气囊皮之间形成气囊腔体；凹槽的两端还设置有扩径阶梯3-25，该扩径阶梯的直径与滤水管段3-3的直径相等，从而保证串式侧胀排水钢管3顺畅钻进地基，并且由于弹性气囊皮的安装面低于该扩径阶梯，能够减小弹性气囊皮在串式侧胀排水钢管3钻进过程中受到土体的阻力，有效防止弹性气囊皮被土体摩擦破坏；进一步的，在钢管基体的两端口设置有外螺纹，用于连接钻头3-1或者气囊管段3-2；所述气嘴与弹性气囊皮内腔连通，气嘴优选为设置在钢管基体的端口内侧，从而方便气嘴与内部气管连接，由气泵4通过内部气管为气囊腔体充气。进一步的说，凹槽两端的槽顶部设置有用于安装抱箍的凹槽3-b，从而更加紧密抱紧弹性气囊皮。
所述串式侧胀排水钢管3的钻头3-1、气囊管段3-2和滤水管段3-3组装后，内部形成一条内部排水通道，真空预压排水时，地基中的水从串式侧胀排水钢管3上的滤水孔进入内部排水通道并沿内部排水通道向上排水。
实施例二
侧胀挤密复合真空排水型软基加固系统的施工方法，其步骤为：
①测量放点；用GPS定位串式侧胀排水钢管3的施设位置；
②组装串式侧胀排水钢管3；依次将钻头3-1、气囊管段3-2、滤水管段3-3进行螺纹连接，气囊管段3-2和滤水管段3-3的个数根据土层加固深度增减；
③钻进施工；按设计点位用钻机将串式侧胀排水钢管3垂直土体钻至设计深度；
④布设水平排水系统2；在相邻两排串式侧胀排水钢管3之间布设纵向排水管，然后用横向排水管将纵向排水管连接，管与管之间用四向接头连接；
⑤降水施工；将水平排水系统2和串式侧胀排水钢管3连接成空间整体排水系统，并将真空泵1与水平排水管路2连接，启动真空泵1，实施降水，使地基中的水从串式侧胀排水钢管3上的滤水孔进入内部排水通道并沿内部排水通道向上排水；
⑥充气预压施工；降水一段时间后，断开水平排水系统2和串式侧胀排水钢管3接口，然后将气泵4与内部气管3-34连接，连接好后启动气泵4，气囊管段3-2的气囊膨胀挤密周围土体，土体内产生超静孔隙水压力，促使地基中的水从串式侧胀排水钢管3上的滤水孔进入内部排水通道；
⑦充气预压一段时间后，断开气泵4与内部气管3-34的接口，重复步骤⑤-⑦，土层在反复降水、充气预压过程中快速被加固。
实施例三
在实施例二的基础上，进一步的说，加固完成后，排出气囊腔体内的气体，可实现串式侧胀排水钢管回收利用，且水平排水系统均可以回收利用，极大地节约的资源和成本，且该发明各结构制作工艺成熟，可控性和实用性较强。
为了易于说明，实施例中使用了诸如“上”、“下”、“左”、“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位(旋转90度或位于其他方位)，这里所用的空间相对说明可相应地解释。
而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
