一种用于桩孔护壁的压力注浆装置及方法

1.本发明涉及桩基护壁施工技术领域，特别涉及一种用于桩孔护壁的压力注浆装置及方法。


背景技术：

2.随着社会经济的快速发展，桩基础广泛应用于道路、港口、桥梁等工程中。桩基础通过桩侧摩阻力和桩端承载力承担上部荷载，如何在各种不利于施工的外部环境下浇筑出符合标准的钻孔灌注桩，是研究人员长期关注的重要课题之一。对于土质较差的砂层、钙质砂等地域，由于土壤本身缺乏粘结力，塌孔是常见的施工问题，其最主要原因就是桩孔孔壁强度较差。因此，如何增加桩孔孔壁强度是当前需要攻克的技术难题。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是提供一种用于桩孔护壁的压力注浆装置及方法，主要用于解决砂层、钙质砂等地域的桩孔塌孔问题。
4.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种用于桩孔护壁的压力注浆装置,包括ct扫描分析仪，ct扫描分析仪用于对注浆模土样进行检测分析；包括注浆机，浆液传输套管，注浆端头机构，提升机构，所述注浆端头机构包括注浆管，注浆管底部设有上下两组面板，面板通过若干连接杆连接，位于上部的面板中心设有与注浆管连通的注浆孔，注浆端头机构的注浆管通过浆液传输套管与注浆机连通，注浆端头机构与提升机构连接；包括可拆卸护壁机构，可拆卸护壁机构包括若干节金属网片。
5.优选的方案中，所述提升机构包括与注浆端头机构连接的绳索，绳索通过定滑轮与绳索缠绕盘连接，绳索缠绕盘由电机驱动。
6.优选的方案中，还包括土样压实试验机构，所述土样压实试验机构包括筒体，筒体底部设有带若干通孔的底板，筒体外侧设有阻力架。
7.本发明还提供了一种用于桩孔护壁的压力注浆方法，包括如下步骤：s1：选取拟钻孔施工区域的土样，并置入土样压实试验机构进行压实注浆模拟试验；s2：利用ct扫描分析仪对经过压实注浆模拟试验的土样进行检测分析，确定注浆相关工艺参数；s3：根据设计要求进行桩孔施工，每施工一段长度的桩孔，置入一节金属网片，重复以上工序，直至整个桩孔施工完毕；s4：通过提升机构将注浆端头机构放入桩孔底部，按s2确定的注浆工艺参数进行压力注浆；注浆过程中，通过提升机构匀速向上提升注浆端头机构直至整个桩孔注浆完成；s5：逐节拆除金属网片并清洗干净。
8.优选的方案中，所述s1步骤中，对土样压实注浆模拟试验处理步骤如下：s11：根据施工桩体尺寸确定土样压实试验机构的筒体高度及直径；
s12：根据筒体直径尺寸，制作尺寸相匹配的带若干通孔的底板；s13：将桩孔区域的土样放入带有底板的筒体内并进行分层压实；s14：将水泥浆液灌入筒体，对筒体顶部密封后实施模拟压力注浆。
9.优选的方案中，所述s2步骤中，对压实注浆模拟试验的土样进行检测分析的步骤如下：s21：对经注浆模拟试验的土体养护后，选取部分小块试样平铺并进行ct扫描；s22：采用视觉分区密实度标定技术观测土体试样内部填充区域，对图像整体色域深浅进行不同位置标注，基于ct数值分为3个区域，分别为密实填充区域、欠密实填充区域、未填充区域；s23：精确量化浆液填充面积分区，使ct扫描原图的色域值归一化为灰度值，通过灰度直方图，利用下式转化，将浆液填充区域进行精确划分：i＝灰度值/255式中，i代表定临界区域值；s24：基于图像处理软件平台精准标定技术对视域一致的浆液密实度灰度值二值化处理，白色为水泥浆液，黑色为土质；s25：比较原图与处理图中的特征点，统计白色像素点占比，得出不同灰度值下内部浆液填充面积；s26：对同一扫描面不同灰度值下白色像素点占比统计，得出浆液填充率；s27：对图像进行精准定位，选取一扫描面，提取不同灰度值下水泥浆液渗透区域建立新的图层；将低灰度值扫描面浆液渗透区域和高灰度值扫描面渗透区域设为不同颜色，进行二次图层叠加渲染，得出相邻灰度值之间的孔隙变化位置及扫描面更大密实填充区域；s28：图层混合处理，计算相邻灰度值孔隙增加变化率，得出同一扫描面精确选取灰度值界定下孔隙增加变化率，进一步得出扫描面纵向浆液渗透变化、二值化处理效果图以及浆液填充面积随扫描面至注浆面距离的变化曲线，最终确定扫描面至注浆面施工所需距离。
10.本发明有如下有益效果：1、本发明通过注浆模拟和ct扫描检测技术可对桩孔护壁的强度进行检测分析，并根据分析结果调整注浆工艺，保证注浆加固护壁的强度，有效预防桩孔塌孔现象的发生。
11.2、本发明采用金属网片组合形成临时的可拆卸桩孔护壁机构，桩孔施工时可对桩孔孔壁形成强力支撑，防止塌孔，安全可靠，注浆护壁工艺结束后可方便拆卸并重复使用。
12.3、本发明提供的注浆护壁方法，可在桩孔四周形成可靠的护壁保护层，对于后续的钢筋混凝土结构桩体形成隔离保护作用，阻止钙质砂土壤环境对钢筋混凝土的腐蚀钙化影响。
13.4、本发明可根据实际情况，调节注浆端头机构两组圆形板之间的间歇大小，从而可调节浆液喷出时的压力大小，方便实用，节约成本。
附图说明
14.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的整体装置的结构示意图；图2为本发明的注浆端头机构的结构示意图；图3为本发明的土样压实试验机构的结构示意图；图4为本发明的浆液填充面积临界i值计算示意图；图5为本发明的土样ct扫描图；图6为真空抽吸器装置的安装示意图；图7为红外线射灯的安装示意图；图8为工业加热棒的安装示意图；图9为超声波振荡器的安装示意图；图中：注浆机1，浆液传输套管2，注浆管3，圆形面板4，连接杆5，金属网片6，真空抽吸器装置7，绳索8，定滑轮9，绳索缠绕盘10，电机11，筒体12，底板13，阻力架14，红外线射灯15，工业加热棒16，超声波振荡器17。
具体实施方式
15.如图1～3所示，一种用于桩孔护壁的压力注浆装置，包括土样压实试验机构，ct扫描分析仪，注浆机1，浆液传输套管2，注浆端头机构，提升机构，可拆卸护壁机构；所述注浆端头机构包括注浆管3，注浆管3底部设有两个上下轴心对正且通过若干连接杆5连接的圆形面板4，位于上部的圆形面板4中心设有与注浆管3连通的注浆孔，注浆端头机构的注浆管3通过浆液传输套管2与注浆机1连通。
16.正式钻孔注浆施工前，利用土样压实试验机构和ct扫描分析仪对土样注浆加固体进行ct扫描图像分析，可得出注浆压力、注浆深度、土壤粒径、温度等相关施工参数指标。注浆施工过程中，由注浆机1产生带有一定压力的浆液通过浆液传输套管2进入注浆端头机构；注浆端头机构底部两块圆形面板4之间的间隙通过连接杆5的长度调节，可进一步调节注浆压力并使得浆液向桩孔周围均匀的喷射浆液。可根据注浆机1的功率大小来确定连接杆件5的长度，压力注浆机的功率越大，所提供的注浆压力越大，则连接杆件5长度可适当增加。
17.优选的，所述提升机构包括与注浆端头机构连接的绳索8，绳索8通过定滑轮9与绳索缠绕盘10连接，绳索缠绕盘10由电机11驱动。注浆过程中，通过提升机构可匀速向上提升注浆端头机构完成整个桩孔护壁的注浆过程。
18.如图3所示，所述土样压实试验机构包括筒体12，筒体12可采用pvc管材料，筒体12底部设有带若干通孔的底板13，筒体12外侧设有阻力架14。土样压实试验机构主要用于对土样进行压实注浆模拟试验，为ct扫描提供所需试验样品。
19.所述可拆卸护壁机构包括金属网片6，金属网片6卷制为筒状放置在桩孔中，金属网片6采用分节预制拼装结构，设在注浆端头机构的外侧并紧贴桩孔内壁，以给予孔壁一个初始的支撑力，避免塌孔。根据现场土质的情况可调节金属网片6的网洞大小和网片厚度。
20.优选的，金属网片6通过扎带进行缠绕卷制，可以在金属网片6内侧设置电机，扎带的自由端缠绕在电机的输出端，通过启动电机对扎带收紧，从而使金属网片6卷成的卷筒收紧，有利于金属网片6的取出。
21.本发明还提供了一种用于桩孔护壁的压力注浆方法，包括如下步骤：
s1：选取拟钻孔施工区域的土样，并置入土样压实试验机构进行压实注浆模拟试验；s2：利用ct扫描分析仪对经过压实注浆模拟试验的土样进行检测分析，确定注浆相关工艺参数；s3：根据设计要求进行桩孔施工，每施工一段长度的桩孔，置入一节可拆卸护壁机构；重复以上工序，直至整个桩孔施工完毕；s4：通过提升机构将注浆端头机构放入桩孔底部，按s2确定的注浆工艺参数进行压力注浆；注浆过程中，通过提升机构匀速向上提升注浆端头机构直至整个桩孔注浆完成；s5：逐节拆除金属网片6；并使用高压水枪进行冲洗干净。
22.优选的，注浆浆液采用水泥浆液，如果工期紧张，可在水泥浆液中添加适量速凝剂，并合理计算固化时间，及时取出金属网片6，免损伤孔壁。
23.优选的，当金属网片6使用过三个桩孔后对金属网片6进行反向弯曲以形成新的护壁机构。
24.优选的，所述s1步骤中，对土样压实注浆模拟试验处理步骤如下：s11：根据施工桩体尺寸确定土样压实试验机构的筒体12高度及直径，筒体12高度一般为20～60cm，直径为18～54cm。
25.s12：根据筒体12直径尺寸，制作尺寸相匹配的带若干通孔的底板13，底板13直径为19～58cm，可采用木板材料制作，底板13上每隔2～10cm设有若干通孔，底板13放置于筒体12内腔底部，保证压力注浆时空气流通。
26.s13：将桩孔施工区域的土样放入带有底板13的筒体12内；土样可采用钙质砂，以2.2～3.0mm粒径钙质砂为主，内摩擦角41～42
°
，不均匀系为4.8～4.9，曲率系数为0.95～0.98，筒体内放置钙质砂，每隔2.8～10.0cm深度，分层压实，达到预埋深度8～55cm，使筒内钙质砂未压浆前平均ct值达到655～665。
27.s14：将水泥浆液灌入筒体12，对筒体12顶部密封后实施压力模拟注浆。注浆压力为0.7～0.8mpa，注浆材料选用水泥浆液，将不同水灰比水泥浆液不同时刻黏度值分别记录；搅拌水泥浆液灌入筒体内，深度为2.8～10.0cm，密封盖封闭筒体顶部，压力注浆4～10min。
28.优选的，所述s2步骤中，对压实注浆模拟试验的土样进行检测分析的步骤如下：s21：对经注浆模拟试验的土体养护后，选取部分小块试样平铺并进行ct扫描。
29.具体的，筒体12顶部设置扫描标记缺口，便于精准定位扫描，将土样试件同一横截面划分的5个圈层进行养护24h后进行ct扫描。
30.s22：ct扫描试样获取钙质砂内部图像，将试样平铺放置于扫描装置上进行ct扫描，纵向每隔2～10mm进行划分获取ct扫描面至注浆面距离划分图。
31.选取扫描图像，观测内部填充区域，对图像整体色域深浅进行不同位置标注，基于ct数值分为3种典型区域(密实填充区域、欠密实填充区域、未填充区域)，剩余为三个区域相互之间的过渡区，ct扫描图像不同位置标注示例及填充区域不同位置ct值。
32.s23：为精确量化浆液填充钙质砂面积分区，使ct扫描原图的色域值归一化为灰度值，通过灰度直方图，利用下式转化，可将浆液填充区域进行精确划分：i＝灰度值/255
式中，i代表定临界区域值；确定临界区域i值方法具体如下：
①
选取将ct扫描原图通过视觉分区，每个浆液填充区域选取3～5个具有代表性的小区域，在每个小区域中再选取4～6个特征点；
②
将每个小区域的特征点的灰度i值求取平均数(密实填充区域：ai～aj；欠密实填充区域：bi～bj；完全无填充区域：ci～cj)，由此可得对应区域平均灰度i值；
③
将相邻两个小区域i值再求取平均数即为临界ⅰ值结果，计算示例如图4所示。
33.s24：如图5所示，基于图像处理软件平台精准标定技术确定视域一致的浆液密实度灰度值，选取扫描面，对扫描面进行不同灰度值二值化处理，选取适宜间隔，白色为水泥浆液，黑色为钙质砂。
34.s25：比较原图与处理图中的特征点，统计白色像素点占比，得出不同灰度值下内部浆液填充面积。
35.s26：对同一扫描面不同灰度值下白色像素点占比统计，得出浆液填充率。
36.具体的，对比计算每一段曲线斜率k值，发现k值最大处特征区域的i值与原图最为接近，利用上述方法确定灰度值，得到不同灰度值下扫描面二值化处理图；采用拟合法二值化所得的图像更利于观察内部浆液填充钙质砂变化；对同一扫描面不同灰度值下白色像素点占比统计得出其浆液填充率；分析不同灰度值下内部浆液填充率变化曲线得知，随着灰度值的变化，内部浆液填充率在灰度值各个间隔的变化规律，以及该图像欠密实填充率，灰度值的变化对孔隙和浆液填充率的影响，得出施工地填充前后内部孔隙及浆液填充率的变化情况。
37.s27：为定量分析每一次灰度增加值以及内部孔隙改变的位置，确定更大密实填充区域，对图像进行精准定位；选取一扫描面，提取不同灰度值下水泥浆液渗透区域建立新的图层。采用注浆图像精细区域标定方法，可进行任意分区并说明不同填充存在分区的区别，适用于有密实度的阶段性差异的任何ct图像分析；将低灰度值扫描面水泥渗透区域和高灰度值扫描面水泥渗透区域设为不同颜色，进行二次图层叠加渲染，得出相邻灰度值之间的孔隙变化位置及更大密实填充区域，进而得出相邻灰度值下孔隙变化位置精准标定方法图；s28：图层混合处理后，计算相邻灰度值孔隙增加变化率：提取混合处理后的红色像素点，统计记录像素总数，并用下式计算相邻灰度值间的孔隙变化面积a，得出同一扫描面精确选取灰度值界定下孔隙增加变化率；分析同一扫描面，精确选取灰度值界定下孔隙增加变化率，进一步得出扫描面纵向浆液渗透变化、二值化处理效果图以及浆液填充面积随扫描面至注浆面距离的变化曲线，确定扫描面至注浆面施工所需距离。
38.优选的，如图6所示，若ct扫描检测到施工区域土样的孔隙率在10～16μm，可采用真空抽吸器装置7进行抽吸注浆填充。
39.优选的，如图7～8所示，若ct扫描检测到施工区域土样的孔隙率在6.3～10μm，可采用红外线射灯15或工业加热棒16对土壤内气体加热，使气体膨胀溢出后进行注浆填充。
40.优选的，如图9所示，若ct扫描检测到施工区域土样的孔隙率在0～6.3μm，可采用
超声波振荡器17对土壤进行震荡，使土壤内气体和水分溢出后进行填充。