CN102733407A - 双环灌芯单桩基础 - Google Patents

Abstract

双环灌芯单桩基础，是一种由内外双环硬质构件组成，并在内外环之间部分区域灌芯连接的基础。该基础可提供较大的水平抗力和基础刚度，适合于风力发电、港口码头、海上平台等基础领域。根据水平受荷桩受力变形性状，充分发挥钢材和混凝土的材料特性，采用内外直径不同的双环或钢管，通过各种方式(开挖放置、打入、压入、震入)将内外双环先后沉入地基土中，然后挖除靠近地面(泥面)内外环之间区域的地基土，并灌注混凝土等材料，必要时可插入加强体，从而形成双环灌芯单桩基础。该基础充分利用混凝土抗压和钢材抗拉的特点，相比大直径钢管桩能有效减小桩基外径和用钢量，当处在海洋等水体环境下基础所受的环境荷载大大降低，施工难度也相应降低。基础形式可以提供较大的水平抗力和基础刚度，适用于采用桩基来承受较大水平荷载或被动土压力的情况，适合应用于陆上风力发电、海上风力发电、港口码头、海上石油平台等基础设计。

Description

双环灌芯单桩基础

技术领域

本发明提出了一种由内外双环硬质构件组成，并在内外环之间部分区域灌芯连接的单桩基础。该基础形式可以提供较大的水平抗力和基础刚度，适用于采用桩基来承受较大水平荷载或被动土压力的情况，适合应用于陆上风力发电、海上风力发电、港口码头、海上石油平台等基础设计，属于相关各行业的地基基础设计领域。

背景技术

各行业的工程实际中，经常出现设备运行或环境荷载使得水平荷载较大而需要工程基础设计时提供足够的水平抗力和水平变形刚度，如海上风力发电风机基础，由于风机运行时水平荷载和弯矩非常大，同时风机运行时对基础的变形和倾斜要求较高，此时多采用桩基础来满足承载力和变形刚度要求。由于单桩基础与多桩基础相比，桩数少，施工速度快，占用的人力和设备租赁周期较短，因此具有较大的竞争优势，国际上海上风电场中65％以上的风机基础均采用单桩基础形式。传统的大直径单桩基础主要是钢管桩，是由不同厚度的钢板卷制而成。为了提供足够大水平承载力或要求的基础变形刚度，钢管单桩直径可达5～7m。当水平荷载较大时或基础变形要求较严格时，为了满足相关要求往往通过加大单桩直径或增加单桩壁厚的措施来予以实施。这种方式的弊端主要是：①增加桩径后使得打桩或压桩的难度增加，对打桩锤的要求较高，施工难度大，而且国内具备大直径打桩能力的施工单位非常少，施工局限性大；②在海洋环境条件下，随着桩径增大，海水和海面以上部分的单桩基础部位所受的海洋环境荷载(包括波浪力、冰压力、水流力和风荷载等)急剧增大，进一步增加了基础所承受的荷载；③单独的依靠增加桩径或壁厚来增加桩基的水平承载力和变形刚度，使得单桩的用钢量急剧增加，工程经济性较差。鉴于传统的钢管桩单桩基础的上述局限性，在满足承载力和基础刚度前提下如何有效地减小桩基直径，降低施工难度、减小基础所受的环境荷载和工程造价显得尤为迫切。

发明内容

为了克服常规应用的钢管单桩基础的诸多缺点，本发明提出了双环灌芯单桩基础形式。双环灌芯单桩基础形式在较小的桩径大小下，通过双环内部灌芯的方式大大增加了桩基的抗弯刚度，可以满足对基础承载力和刚度的相关要求。当基础处于海洋或内河环境条件下，在同样的承载力和刚度前提下有效减小了桩径，进而使得基础所受的环境荷载明显减小，间接降低了基础所受到的荷载大小。由于采用了较小直径的外环和内环，对于打桩施工设备的要求显著降低，施工难度大大降低。由于采用了较小直径和壁厚的内环和外环，总体用钢量大幅度降低，工程经济性较强。

通过对单桩基础的受力与变形性状的研究发现，对单桩承载力和刚度影响较为显著的因素包括桩径大小、地面或泥面附近一定深度的土体、桩身刚度等，而地基深处的桩身刚度和土性对水平承载力和基础水平刚度影响较弱。采用双环灌芯单桩基础时可仅在地面或泥面附近区域设置内环，并在内外环之间灌注混凝土，从而增强该区域的桩身刚度，在同样的工程量使用前提下可有效提高基础的水平承载力和基础水平刚度。对于单桩水平受力状态下桩身受力状态研究发现桩身两侧一边承受拉力，一边承受压力，此时可充分发挥钢材受拉能力较强，抗压能力弱，但混凝土等材料抗压性能好的特点。双环灌芯单桩基础在受拉侧充分利用内外环的钢材受拉，受压侧充分利用灌芯部分的混凝土来承担压力，在同样抗压力前提下混凝土的造价远远低于钢材的造价，因此体现出了较强的经济性。同时内外环的设置还可以充当混凝土浇注时的模板。对于构件在海洋或水体环境中的受荷分析发现，构件的直径越小，其受到的环境荷载越小，双环灌芯单桩基础由于能有效减小桩径大小，因此该基础间接减小了作用到基础上的水平荷载和弯矩，在同样的上部荷载作用下，更容易满足水平承载力和水平刚度的要求。

本发明双环灌芯单桩基础的技术实施方案是：

(一)在陆地环境条件下采用如下技术实施方案。

1)当土体较好且具备放坡空间时采用放坡开挖方式，当土体较差或周边空间较小时可采用支挡开挖方式挖至基础底部，开挖后的弃土放置到远离基础的区域。

2)通过吊车放置内环和外环结构，并设置内外环固定装置，固定装置可在基础底部浇注混凝土固定槽或采用连接内环与外环的钢杆进行焊接连接。

3)绑扎竖向和环向布置的钢筋笼或钢筋网片，并用吊车起吊下放钢筋笼至内环与外环之间的区域。

4)钢筋笼定位好后采用混凝土分段灌注内环与外环之间的区域。

5)在浇注基础顶部区域的混凝土前，预埋好与上部结构连接的锚杆或基础环等，最后浇注顶部混凝土结构。

6)然后将之前挖除的部分土方运回，回填到内环之间，也可直接浇注素混凝土到内环里面，直至填实内环内部区域至基础顶部。

7)外环外侧与开挖剩余土体之间的空间采用级配良好的砂石分层回填至密实状态，当回填难以达到密实度要求时，或遇到湿陷性土、膨胀土条件时，可采用注浆加固等措施对外侧土体予以加固。

也可以直接浇注低标号的素混凝土。

(二)在海洋或内河等水体环境条件下采用如下技术实施方案。

1)采用驳船将内环和外环钢管运至基础预打设位置附近，进行桩基定位，利用打桩船分别打设内环和外环钢管。

2)利用水冲法和循环法挖除内环和外环钢管之间泥面下部预定深度范围内的土体。

3)采用混凝土搅拌桩拌制混凝土，导管法进行水下混凝土浇注，直至填满内环和外环钢管之间指定高度范围内的区域。

4)将预设的过渡连接段钢管调至桩基顶部，定位好高度后进行灌浆连接。

本发明与现有技术相比较，具有以下几个突出点：①内环和外环之间灌注混凝土，使得基础刚度增加，相比钢管桩基础可有效减小外环直径，同时壁厚也可以相应减小；②外环直径减小使得在水体环境中基础部分受到的环境荷载减小在20％左右；③内环和外环直径均较小，打设时动阻力较小，施工方便；④尽管增加了部分混凝土的用量，但用钢量减小明显，总体工程造价较省，经济性强。

附图说明

图1是本发明第一个实施例的开挖施工时剖面图

图2是本发明第一个实施例的施工完毕后的剖面图

图3是本发明第二个实施例的施工过程中剖面图

图4是本发明第二个实施例的施工完毕后剖面图

图5是图4中I-I剖视图

图中各数字的含义分别为：①顶板；②锚杆；③外环；④内环；⑤纵向与环向钢筋；⑥底板；⑦垫层；⑧开挖面；⑨地面或泥面；⑩外环外侧回填土或素混凝土；(11)灌芯混凝土；(12)地基土；(13)内环内侧回填土或素混凝土；(14)过渡段灌浆；(15)海水或河水；(16)波面；(17)防冲刷碎石层；(18)过渡连接段。

具体实施方式

本发明的实施方式结合具体实施例说明如下。

实施例一为适用于陆上环境时双环单桩基础形式，如图1和图2所示。

1)基础施工前，根据场地土层分布和土性，采用放坡开挖方式，坡比1∶0.6，开挖至基础底部标高，形成开挖面⑧，如图1所示，要求开挖的弃土搬运到远离基础的位置进行堆放；

2)施工单桩底部垫层，如图1中⑦所示，然后采用木模板支模，并绑扎好底板钢筋，底板钢筋中预先放置与上部钢筋的连接钢筋，同时在顶部放置固定槽，然后浇注混凝土，形成底板⑥；

3)绑扎好单桩基础的钢筋网⑤，钢筋网由纵向钢筋和环向钢筋绑扎而成，然后通过吊车将钢筋网起吊并放置到底板⑥顶部，然后将钢筋网底端与底板的预连接钢筋进行焊接，从而固定钢筋网；

4)通过吊车将内环③和外环④分别吊至底板⑥顶部的固定槽中，进行定位；

5)然后分段浇注灌芯混凝土(11)，当浇筑到双环单桩基础顶部区域时，预先放置好与上部结构或设备连接的锚杆②，接着继续浇注混凝土；

6)进行土体回填，采用级配良好的土料或砂石对称分层回填，并进行夯实达到要求的密实度，如图2中外环外侧回填土⑩所示；

7)内环内侧将前期开挖的部分土方运回，倾倒至内化内侧至基础顶部，回填土无密实度要求，如图2中(13)所示；

8)最后在基础顶部布设顶板钢筋，然后浇筑混凝土，形成基础顶板①，整个双环单桩基础施工完毕。实施例二为适用于海上环境时双环单桩基础形式，如图3和图4所示。

1)采用运输船运输防冲刷石料至桩位区域，采用导管牵引法将指定粒径级配的砂石料堆填至桩基周边指定范围，泥面⑨以上碎石层堆积厚度需满足防冲刷要求，形成防冲刷碎石层(17)；

2)当波面(16)处于低潮位时进行打桩作业，打桩时需配备运输驳船和打桩船，定位好打桩位置后，将内环钢管④打至指定标高，如图3所示；

3)接着将外环钢管③打至指定标高；

4)挖除内环与外环之间的地基土，挖除范围为内环钢管④底部至泥面⑨之间的区域，保留内环内部原状地基土(12)；

5)采用混凝土搅拌船将骨料、水泥和淡水运至打桩区域，进行混凝土拌制，采用导管法进行水下混凝土浇注，浇注范围如图4所示；

6)为了方便双环灌浆单桩基础顶部与上部结构或设备相连接，预先加工好过渡连接段(18)，过渡连接段(18)顶部预先焊接法兰，将过渡连接段吊放至双环单桩基础顶部，采用灌浆(14)连接，整个基础施工完毕。

Claims (10)

1.双环灌芯单桩基础作为一种桩基形式，其特征在于：双环由2个直径大小不同的钢质环组成，钢质环可由各种钢材加工而成的波纹钢板，或不同材料型号的钢板卷制而成的钢桶或钢桩组成，内外钢质双环的长度可以不同，内外双环的壁厚和钢材型号也可以不同。

2.双环灌芯单桩基础作为一种桩基形式，其特征在于：双环的制作或施工既可以采用大开挖形式，然后支模架设来固定，又可以通过静压或锤击等方式来压入或打设，内外双环施工时顺序不分先后，可以先施工外环后施工内环，也可以先施工内环后施工外环。

3.双环灌芯单桩基础作为一种桩基形式，其特征在于：内外双环之间部分区域或全部区域灌注混凝土、水泥砂浆或其它连接材料，包括各种强度等级和级配的混凝土或各种强度的其它连接材料。

4.双环灌芯单桩基础作为一种桩基形式，其特征在于：内外双环之间灌注的材料中可以放置加强体，加强体包括插入不同长度、直径、壁厚和型号的钢管，纵向和环向布置的由钢筋组成的钢筋网或钢筋笼。

5.根据权利要求1所述的双环灌芯单桩基础，其特征还在于：内外双环不限于由钢板组成，也可以由其它硬质材料组成的构件。

6.根据权利要求1所述的双环灌芯单桩基础，其特征还在于：内外环不限于环形几何形状，也可以由其它几何外形组成，同时内外环也可以由不同几何外形交叉组合而成。

7.根据权利要求3所述的双环灌芯单桩基础，其特征还在于：不限于在内外环之间灌注连接材料，内环内部区域可以保留原先土体或中空，也可以在内环内部区域灌注相关连接材料。

8.根据权利要求3所述的双环灌芯单桩基础，其特征还在于：无论是内外环之间区域灌芯或者是内环内部灌芯，灌芯长度或区域不局限于内环长度大小。

9.双环灌芯单桩基础作为一种桩基形式，其特征在于：基础与上部结构连接时既可以在灌芯部位的顶部埋设基础环来连接，又可以在该区域预埋锚杆或预应力锚杆来连接，还可以通过在外环外侧设置过渡连接段构件通过焊接或注浆来连接。

10.双环灌芯单桩基础作为一种桩基形式，其特征在于：桩身不仅可以全部位于地基土体中，也可以部分长度埋在土体中，部分长度位于泥面或地面以上处于悬臂状态，单桩基础悬臂部分可处于水体或大气环境中。

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