1.一种膨胀土地层同轴嵌套多段沉井结构,所述沉井结构设置在所述膨胀土地层内,其特征在于,所述沉井结构包括外套井和内套井,其中,所述外套井套设在所述内套井的外围,所述外套井和所述内套井共轴,所述内套井的下端低于所述外套井的下端;
所述外套井的下端具有刃脚,所述内套井的上端位于所述外套井的刃脚的上方;
所述外套井的内径大于所述内套井的外径,所述外套井的内壁上设置有若干限位固定器,所述限位固定器内设置有对中限位减阻球,还包括气液减阻系统,所述气液减阻系统包括空压机、减阻泥浆罐、水箱、第一气液管、第二气液管和第三气液管,所述空压机通过第一阀门与所述第一气液管连通,所述减阻泥浆罐通过第二阀门与所述第一气液管连通,所述水箱通过第三阀门与所述第一气液管连通;
所述空压机与所述减阻泥浆罐通过第一连接管连通,在所述第一连接管上设置有第四阀门,所述空压机与所述水箱通过第二连接管连通,在所述第二连接管上设置有第五阀门;
所述第二气液管和所述第三气液管均与所述第一气液管连通,所述第二气液管上设置有第六阀门,所述第三气液管上设置有第七阀门,所述外套井的井壁内预埋有第一竖向助沉管,所述第一竖向助沉管的上端与所述第二气液管的出气端连通,所述外套井的井壁内预埋有第二竖向助沉管,所述第二竖向助沉管的上端与所述第三气液管的出气端连通。
2.根据权利要求1所述的膨胀土地层同轴嵌套多段沉井结构,其特征在于,所述外套井的高度为5m 10m,所述内套井的高度为15m 20m;
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所述内套井的上端高于所述外套井的刃脚0.5m 2m或者,所述内套井的上端与所述外~套井的上端齐平;
所述内套井的外壁与所述外套井的内壁之间的距离为d,所述对中限位减阻球的直径R为10cm 20cm,d‑R=5mm;
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所述对中限位减阻球为碳钢球,所述限位固定器内具有镂空球腔,所述对中限位减阻球的直径小于所述镂空球腔的内径,所述对中限位减阻球设置在所述镂空球腔内,所述对中限位减阻球的球面凸出所述限位固定器的外表面,所述对中限位减阻球的球面能够与所述内套井的外壁接触;
所述限位固定器沿所述外套井的轴向设置有多层,每层内均匀设置有4 8个所述限位~固定器,相邻的两层所述限位固定器之间的距离为1.5m 2m,相邻的两层所述限位固定器交~错布置。
3.根据权利要求1所述的膨胀土地层同轴嵌套多段沉井结构,其特征在于,所述外套井的井壁内还预埋有水平助沉管,所述第一竖向助沉管的轴线与所述外套井的轴线平行,所述第一竖向助沉管设置有多根,多根所述第一竖向助沉管沿所述外套井的环向均匀布置,所述第一竖向助沉管的轴线与所述外套井的外壁的间距为20cm 30cm;
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所述第一竖向助沉管的数量为8 16根;
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所述水平助沉管环向设置在所述外套井的井壁内,所述第一竖向助沉管的下端与所述水平助沉管连通;
所述外套井的外壁上设置有气液龛,所述气液龛与所述水平助沉管连通。
4.根据权利要求3所述的膨胀土地层同轴嵌套多段沉井结构,其特征在于,所述外套井下端的外壁上环向设置有刃脚平台,所述刃脚平台凸出所述外套井的外壁,所述刃脚平台的高度为1m 2m;
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所述水平助沉管设置在所述刃脚平台的上方,所述水平助沉管设置有两根,一根所述水平助沉管位于另一根所述水平助沉管的上方,所述第一竖向助沉管的下端与两根所述水平助沉管均连通;
所述气液龛设置有上下两圈,每圈所述气液龛对应一根所述水平助沉管,每圈内设置有若干个所述气液龛,每圈内若干个所述气液龛等间距排列,每圈内相邻的两个所述气液龛的间距为1m 2m,两圈内的所述气液龛交错布置,位于上方的一圈所述气液龛与所述刃脚~平台之间的距离为2m,位于下方的一圈所述气液龛与所述刃脚平台之间的距离为0.5m。
5.根据权利要求1所述的膨胀土地层同轴嵌套多段沉井结构,其特征在于,所述第二竖向助沉管的轴线与所述外套井的轴线平行,所述第二竖向助沉管设置有多根,多根所述第二竖向助沉管沿所述外套井的环向均匀布置,所述第二竖向助沉管的轴线与所述外套井的内壁的间距为20cm 30cm;
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所述第二竖向助沉管的下端与所述外套井下方的膨胀土连通,所述第二竖向助沉管的数量为8 16根。
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6.一种利用权利要求1 5任一项所述的膨胀土地层同轴嵌套多段沉井结构进行减阻助~沉的施工方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1,放线定位:现场通过放线确定所述内套井和所述外套井的中心坐标O(0,0);
步骤2:制备外套井:所述外套井在地面预制后拼装,通过预埋直径为100mm的无缝钢管作为第一竖向助沉管、第二竖向助沉管和水平助沉管;
步骤3:安装对中限位减阻球:在所述外套井的内壁上安装限位固定器,在限位固定器上安装对中限位减阻球;
步骤4:外套井施工:在施工过程中,利用气液减阻系统向所述第一竖向助沉管和所述第二竖向助沉管内注入气体、水或泥浆的方式进行减阻助沉;
步骤5:制备内套沉井,所述内套井在所述外套井的底部开始浇筑或者在地面预制后拼装;
步骤6:内套井下沉施工;
步骤7:同轴嵌套沉井壁间封堵:待所述内套井下沉到既定深度或底板浇筑完成后,对所述内套井的外壁和所述外套井的内壁间的空隙进行注浆/填筑混凝土封堵,同时对所述第一竖向助沉管、所述第二竖向助沉管进行注浆封堵。
7.根据权利要求6所述的施工方法,其特征在于,
在所述步骤4中,在开挖内部土体时,通过向所述第一竖向助沉管和所述第二竖向助沉管内注入掺有粘土软化剂的水进行膨胀土软化;
当开挖内部土体至所述外套井的刃脚上方0.5m处时,通过向所述第一竖向助沉管内注入气体在所述外套井外壁形成气幕进行气幕减阻助沉,待所述外套井的外壁形成稳定气幕后,向所述第一竖向助沉管内注入减阻泥浆进行泥浆减阻助沉。
8.根据权利要求6所述的施工方法,其特征在于,
未使用该施工方法时,所述内套井下沉过程中最大下沉阻力为: 公式1
在公式1中, 为未使用该施工方法时所述内套井侧面的总侧阻力,KN;S为所述内套井断面的周长,m;H为所述内套井的入土深度,m; 为求和符号; 为所述内套井入土深度H范围内第i层膨胀土与所述内套井外壁单位面积侧阻,kPa,软塑及可塑膨胀土取值为
12kPa 25kPa,硬塑膨胀土取值为25kPa 50kPa; 为所述内套井入土深度H范围内第i~ ~层膨胀土的厚度,m;
采用所述膨胀土地层同轴嵌套多段沉井结构进行减阻助沉施工后,所述内套井下沉过程中最大下沉阻力为: 公式2
在公式2中, 为使用该施工方法后所述内套井侧面的总侧阻力,KN;h为所述外套井的入土深度,m; 为所述内套井入土深度H与所述外套井的入土深度h范围内第j层膨胀土与所述内套井外壁单位面积侧阻,kPa; 为所述内套井入土深度H与所述外套井的入土深度h范围内第j层膨胀土的厚度,m。
9.根据权利要求6所述的施工方法,其特征在于,
在所述步骤5中,在制备所述内套井制备的过程中,按照所述外套井相同的方式在所述内套井的井壁内预埋无缝钢管作为竖向助沉管和水平助沉管;
在所述步骤6中,在所述内套井下沉施工时,采用与所述外套井相同方法向竖向助沉管和水平助沉管注入气体、水或者减阻泥浆对所述内套井进行减阻助沉。