防止波浪作用下桩周土液化的新型钢管桩基础制造技术

本发明专利技术公开了一种防止波浪作用下桩周土液化的新型钢管桩基础，所述海床泥面下的钢管桩内设有真空腔，所述真空腔通过吸力排管连接至真空泵，所述真空泵设有一排水口，所述真空腔对应的钢管桩桩壁上分布有排水孔，桩周土渗水通过排水孔进入真空腔，然后在真空泵的作用下通过吸力排管排至真空泵后从排水口排出。作为优选，还可以包括波浪能转换段以及渗透层扩大段等。本发明专利技术在不改变桩周土性质的前提上减少了波致孔隙水压力，有效防止液化且环境影响小；利用波浪能制造真空吸力，无需额外能量消耗；渗透层扩大段增大了桩土作用面积，充分获取土抗力以减少波浪作用下桩基位移响应。

A new type of steel pipe pile foundation for preventing liquefaction of pile surrounding soil under wave action

The invention discloses a new type of steel pipe pile foundation for preventing soil liquefaction around piles under wave action. A vacuum chamber is arranged in the steel pipe pile under the mud surface of the sea bed. The vacuum chamber is connected to a vacuum pump through suction drainage pipe. The vacuum pump is provided with a drainage port. The drainage hole is distributed on the wall of the steel pipe pile corresponding to the vacuum chamber. Peripheral soil seepage water enters the vacuum chamber through the drainage hole, and then under the action of the vacuum pump through suction drain pipe to the vacuum pump after discharge from the drainage outlet. As a preferred one, the wave energy conversion section and the expansion section of the permeable layer can also be included. The invention reduces the wave-induced pore water pressure without changing the properties of the soil around the pile, effectively prevents liquefaction and has small environmental impact; makes use of wave energy to produce vacuum suction without additional energy consumption; enlarges the action area of the pile and soil, and fully obtains the soil resistance to reduce the displacement response of the pile foundation under wave action.

【技术实现步骤摘要】
防止波浪作用下桩周土液化的新型钢管桩基础
本专利技术属于海洋结构物基础工程领域，涉及波浪作用下钢管桩基础灾害响应的控制与波浪能的有效利用。技术背景随着对能源需求的进一步加大和新能源技术的快速发展，海洋工程结构物越来越多地被建造和使用。钢管桩基础作为海洋工程结构物最常用的基础形式之一，承受比位于陆上环境时更复杂的荷载作用，其中波浪作用是主要荷载来源。波浪传播一方面直接作用于桩基，进而产生引起桩基水平位移响应的水平循环荷载作用；另一方面，当桩基位于砂质海床时，持续地、强烈地波浪作用可能会令海床泥面附近的桩周土孔隙水压力累积、上升直至液化，进而令桩基在承受巨大波浪荷载作用同时丧失本应提供关键水平承载力的海床上层土抗力。位于海洋环境中的桩基础，在工程使用时期间几乎不可避免遭遇强烈的波浪作用，如何保证桩基础在该环境下的承载性能，是确保上部结构安全稳定的重要课题。现有工程实践中，为了提高桩基抵抗水平荷载作用的能力，一般采用增加桩径、增加桩长以及改变桩基横截面形状等措施。虽然在实际工程使用中取得了一定的效果，但是仍有一定局限性。例如，加大桩径指钢管桩通长采用更大的直径，这显然显著的增加了用钢量，而且自重增大的同时也增加了施工难度，增加桩长同样也存在上述问题；改变桩基横截面形状的方法则往往存在应力集中，迎浪方向不确定等问题。而对于桩周土液化问题，常用措施为实施地基处理，通过向土体注射凝固剂来改变海床土体性质，该方法因凝凝固剂固化需要时间，所用成效缓慢，且凝固剂对海床环境有较大地影响。为了应对强烈波浪作用下海床液化对桩基的不利影响且兼顾环保的需求，开发一种结合新能源技术的新型钢管桩基具有实际的应用性和迫切性。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术所解决的技术问题是海洋工程中波浪作用下砂质海床中桩基础的位移响应控制难题，提出了一种新型钢管桩基础，可以将波浪能转换成供桩周土体渗透力增强的电能，进而减少桩周土孔隙水压力的累积、抑制波浪作用下土体的液化，达到控制桩基础波浪作用下不利响应的目的。技术方案：本专利技术所述的一种防止波浪作用下桩周土液化的新型钢管桩基础，所述海床泥面下的钢管桩内设有真空腔，所述真空腔通过吸力排管连接至真空泵，所述真空泵设有一排水口，所述真空腔对应的钢管桩桩壁上分布有排水孔，桩周土渗水通过排水孔进入真空腔，然后在真空泵的作用下通过吸力排管排至真空泵后从排水口排出。上述真空腔由钢管桩桩壁以及固定于相应桩段内的上顶板和下顶板组成。优选的，所述新型钢管桩基础还设有波浪能转换装置，所述波浪能转换装置包括浮力桶、摆动臂、线圈、磁力装置和蓄能装置，所述摆动臂穿设在钢管桩桩壁上，位于桩基内的一端连接线圈，所述磁力装置由两片相对布置的磁极构成，线圈位于磁力装置内，并通过电缆与蓄能装置相连接，所述线圈在摆动臂的带动下垂直于磁力装置形成的磁场运动，进而在线圈内部产生电能并通过电缆将电能存储于蓄能装置；所述蓄能装置与真空泵连接，为其提供电力供应。进一步的，所述磁力装置由两片相对布置在桩基内壁上的磁极构成，所述摆动臂位于桩基内的一端沿桩基中心线延伸至上述磁力装置内。所述磁极通过上固定环和下固定环固定于钢管桩内壁，上固定环、下固定环为环形且固定于钢管桩内壁。优选的，所述桩基穿设摆动臂的位置设置有包绕在所述桩段外的加强节。所述加强节内径与桩基外径一致，焊接在桩基外壁。优选的，所述桩段内的摆动臂上下侧分别设有加强撑，所述加强撑呈三角形状，沿圆周焊接于钢管桩内壁。进一步的，所述加强撑与摆动臂之间设置有止振垫片，止振垫片通过螺栓固定在加强撑上，摆动臂的摆动范围由止振垫片限定。优选的，所述真空腔对应的桩基外包绕有桩基扩大段，所述扩大段上分布有排水孔。进一步的，所述扩大段由顶盖、侧板和底盖构成，所述顶盖低于海床泥面，所述侧板和底盖上设有若干排水孔。进一步的，所述桩基扩大段与桩壁围成的空腔内填充渗透材料作为渗透层。其中，所述渗透材料为高渗透性复合材料，其孔径介于粉土颗粒与黏土颗粒粒径之间。本申请中未说明的固定或者连接方式均为可以根据现有技术中任意可实现的手段实现，不再详细说明。工作原理：所述吸力排管一端伸入真空腔，一端连接于真空泵，通过真空泵在真空腔内部形成真空度，促使真空腔段侧板周边土体内孔隙水通过桩体壁上的排水孔进入真空腔并由吸力排管和排水管排出桩外。当上述真空腔段外设有渗透层扩大段时，相比普通桩基，该桩段拥有更大的横截面，对于承受水平荷载作用的桩基，其水平抗力主要有泥面附近的桩周土提供，本专利技术的渗透层扩大段因为提高了桩土相互作用面积进而促使更多海床泥面表层土参与抵抗桩基在波浪作用下的承载变形。当还设置有波浪能转换段时，在波浪作用下，浮力桶随着波浪起伏而上下移动，所述摆动臂带动线圈垂直于磁力装置形成的磁场而运动，进而在线圈内部产生电能并通过电缆将电能存储于蓄能装置，所述蓄能装置与真空泵连接，可为真空泵运转提供电能。有益效果：与现有技术相比，本申请具有以下显著的进步：(1)通过在桩内部制造真空吸力，促使波浪作用时桩周土孔隙水流向桩体内部，进而令桩周土中波浪引起的孔隙水压力及时释放，避免孔隙水压力累积达到土体液化的阶段。相比改变桩周土性质的地基处理方法，显然本专利技术的方法成效快，且不改变土性、环境影响更小。(2)针对强烈波浪作用环境，通过在桩身设置波浪能转换装置以及储能装置，可以将强烈波浪作用内含的能量转换为电能，而该电能又能用于形成桩内真空进而减少波浪作用下桩周土体孔压的累积。相比提供额外能量的方法，本专利技术有效的将波浪能用于控制波浪作用的不利影响，更加节能。(3)在海床泥面以下位置设置有渗透层扩大段，相比普通桩基，该桩段拥有更大的横截面，对于承受水平荷载作用的桩基，其水平抗力主要有泥面附近的桩周土提供，本专利技术的渗透层扩大段因为提高了桩土相互作用面积进而促使更多海床泥面表层土参与抵抗桩基在波浪作用下的承载变形，相比通长增加桩径的方法，节省材料用量。附图说明图1为本专利技术装置结构示意图；图2为图1的A-A断面图；图3为图1的B-B断面图。图中：真空腔(1)、吸力排管(2)、真空泵(3)、排水口(4)、浮力桶(5)、摆动臂(6)、线圈(7)、磁力装置(8)、蓄能装置(9)、加强节(10)、加强撑(11)、止振垫片(12)、桩基扩大段(13)、顶盖(14)、侧板(15)、底盖(16)、渗透层(17)、上顶板(18)、下顶板(19)、上支撑环(20)和下支撑环(21)、上固定环(22)、下固定环(23)。具体实施方式下面结合附图对本申请作出详细说明。如图1、图2和图3所示的一种防止波浪作用下桩周土液化的新型钢管桩基础，在海床泥面下的钢管桩内设有真空腔1，真空腔2由钢管桩桩壁以及固定于相应桩段内的上顶板18和下顶板19组成，其中，上顶板18和下顶板19为圆盘形板且通过圆环形的上支撑环20和下支撑环21分别焊接在桩内壁；上述真空腔1通过吸力排管2连接至真空泵3，真空泵3设有一排水口4，同时，真空腔1对应的桩壁上分布有排水孔。桩周土渗水通过排水孔进入真空腔1，然后在真空泵3的作用下通过吸力排管2排至真空泵后从排水口4排出。真空腔1对应的桩基外包绕有桩基扩大段13，其设置高度约为一倍桩径，扩大段13由顶盖14、侧板15和底盖16构成，其中，顶盖低于海床泥面，并且本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种防止波浪作用下桩周土液化的新型钢管桩基础，其特征在于，所述海床泥面下的钢管桩内设有真空腔(1)，所述真空腔(1)通过吸力排管(2)连接至真空泵(3)，所述真空泵(3)设有一排水口(4)，所述真空腔(1)对应的钢管桩桩壁上分布有排水孔，桩周土渗水通过排水孔进入真空腔(1)，然后在真空泵(3)的作用下通过吸力排管(2)排至真空泵后从排水口(4)排出。

【技术特征摘要】
1.一种防止波浪作用下桩周土液化的新型钢管桩基础，其特征在于，所述海床泥面下的钢管桩内设有真空腔(1)，所述真空腔(1)通过吸力排管(2)连接至真空泵(3)，所述真空泵(3)设有一排水口(4)，所述真空腔(1)对应的钢管桩桩壁上分布有排水孔，桩周土渗水通过排水孔进入真空腔(1)，然后在真空泵(3)的作用下通过吸力排管(2)排至真空泵后从排水口(4)排出。2.根据权利要求1所述的钢管桩基础，其特征在于，还设有波浪能转换装置，所述波浪能转换装置包括浮力桶(5)、摆动臂(6)、线圈(7)、磁力装置(8)和蓄能装置(9)，所述摆动臂(6)穿设在钢管桩桩壁上，位于桩基内的一端连接线圈(7)，所述磁力装置(8)由两片相对布置的磁极构成，线圈(7)位于磁力装置(8)内，并通过电缆与蓄能装置(9)相连接，所述线圈在摆动臂的带动下垂直于磁力装置形成的磁场运动，进而在线圈内部产生电能并通过电缆将电能存储于蓄能装置；所述蓄能装置与真空泵连接，为其提供电力供应。3.根据权利要求1所述的钢管桩基础，其特征在于，所述磁力装置(8)由两片相对布置在桩基内壁上的磁极...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄挺，张继生，白顺亚，郭中元，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32