CN104088292A - 轴心单桩多脚架基础及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴心单桩多脚架基础，其包括由多个联系杆围成多边形并于多边形顶点处设有圆筒型钢脚筒的水平设置的多脚框、位于多脚框中央的作为上部设备基础连接段的钢柱、与钢柱下端连接的轴心桩，所述多脚框与钢柱通过水平连杆和/或斜连杆连成整体，所述钢脚筒穿设有基桩，钢脚筒与基桩间预留环形缝便于灌砂浆形成连接节点。在施工期，利用轴心桩进行安装定位与预支撑，可兼作定位及导向装置，使沉桩施工避免水下送桩及夹桩，可兼作基桩及基桩嵌岩的施工平台，较经济地解决了海上嵌岩桩施工难题。在使用期，还可作为使用期工作平台。本发明还公开了一种轴心单桩多脚架基础的施工方法，施工工序衔接合理，工期更短、工程费用更节省。

Description

轴心单桩多脚架基础及其施工方法

技术领域

本发明涉及海上建筑工程，尤其涉及一种轴心单桩多脚架基础及其施工方法。

背景技术

在海洋工程基础的结构类型中，导管架、桩基承台、单桩、普通多脚架结构均是最常用的基础结构形式。

导管架一般为钢桁架结构，刚度大、稳定性好、用材较节约，但导管架结构杆件连接较为复杂，制作相对麻烦，加工费用高。导管架以桩顶位于水面以下的桩基为支承与固定结构，沉桩施工需水下送桩，施工难度较大，对设备要求高；若需作嵌岩桩施工时，需要另外打桩并搭设工作平台用于嵌岩桩施工，从而增加较多的工期与费用。另外，若采用先沉桩后安装导管架的施工工艺，则面临导管架对位困难。还有，若需要水下截桩、导管架垂直度调整时，这些施工工序全部要在水下完成，则会增加更多工期与费用。

桩基承台结构由桩基与砼墩台构成，受力较为明确，结构的整体性较好。但承台下桩基自由长度较长，基础刚度取决于桩基的数量、倾斜率和桩身刚度，所以一般桩数较多。同时由于实体的承台所受到的波浪浮托力和波浪力很大，对桩基础的抗水平力和抗拔能力提出了更高要求。在水上浇筑钢筋混凝土承台需要大型钢模板、水上搅拌船等设备，受工况影响大，工时长、费用高。若基础桩基抗拔力不满足要求，则需嵌岩施工，其嵌岩施工难度较大，施工周期长，工程费用相当高昂。

单桩结构形式最为简单，施工速度快，水上工作量小，但为满足强度要求桩身选择较粗大，从而需要承受较大的水平波浪力作用。单桩基础结构的悬臂长度长，基础刚度相对偏小，自由段位移相对较大，不适合用于深水地区。单桩结构断面大、壁厚大，自重大，钢材用量大，大直径钢管桩对起吊、打桩设备要求较高，施工费用较高。单桩结构目前并不适合在需要桩基嵌岩施工的地区，因为大直径嵌岩桩施工难度大，且施工机械很少，施工费用奇高。

普通多脚架结构为基桩与多脚框组成的钢杆件结构，基桩数相对较少，工厂化程度较高，水上施工工作量也较少，施工速度较快。但普通多脚架结构对于节点处理的施工要求较高，调平难度大，施工难度及精度要求很高。在持力层覆盖厚度比较小的地区不太适合使用本结构，主要是因为需要另外施打辅助桩及搭设施工平台进行嵌岩桩施工，会导致工期长、费用高。普通多脚架施工过程是先施工基桩，然后在基桩顶部安装多脚架，无法实施斜桩基础结构安装。

根据目前导管架、髙桩承台、单桩、普通多脚架结构等浅海基础结构形式的类型及特点，各种基础各有各自的优势，也存在以下不足之处，概括如下： 

1、导管架的主要优点：工厂化程度高、受波浪力小、结构整体性好、适应不同水深区域、节省材料、工期短；其主要缺点：水下对位困难、垂直度调整困难，水下灌浆连接要求高，不太适应需要桩基嵌岩的地质情况。

2、高桩承台的主要优点：施工设备可选择性大、结构整体性较好、同类结构经验较多；其主要缺点：工厂化程度低、桩数多、受波浪力大、钢筋混凝土承台施工难、水上施工工序多、工期长，不太适应需要桩基嵌岩的地质情况。

3、单桩基础的主要优点：工厂化程度高、海上工序少、海上施工快、工期短；其主要缺点：不适应水深较深的海区、受波浪力较大、使用期变形较大、材料用量大、需大型起重及打桩设备，不适用需要桩基嵌岩的地质情况。

4、普通多脚架的主要优点：工厂化程度高、海上工序相对较少；其主要缺点：桩精度要求高，安装困难、调平难度大，不可实施斜桩，不太适应需要桩基嵌岩的地质情况。

发明内容

针对现有技术不足，本发明要解决的技术问题是提供一种结构稳定、施工便利的轴心单桩多脚架基础。同时，本发明还提供一种结构稳定、施工便利的轴心单桩多脚架基础的施工方法。

为了克服现有技术不足，本发明采用的技术方案是：一种轴心单桩多脚架基础，其包括由多个联系杆围成多边形并于多边形顶点处设有圆筒型钢脚筒的水平设置的多脚框、位于多脚框中央的作为上部设备基础连接段的钢柱、与钢柱下端连接的轴心桩，所述多脚框与钢柱通过水平连杆和/或斜连杆连成整体，所述钢脚筒穿设有基桩，钢脚筒与基桩间预留环形缝便于灌砂浆形成连接节点。

作为本发明轴心单桩多脚架基础的技术方案的一种改进，所述多脚框为至少三边的多边形框形结构。

作为本发明轴心单桩多脚架基础的技术方案的一种改进，各所述钢脚筒全部沿竖向竖直布置，或全部倾斜布置，或竖直与倾斜混合布置。

作为本发明轴心单桩多脚架基础的技术方案的一种改进，所述钢柱分为上下两段，钢柱上段为上部设备基础连接段，钢柱下段为与轴心桩对接的插接段，钢柱上段的直径大于钢柱下段的直径，钢柱上段与钢柱下段之间呈倒圆台形连接过渡。

作为本发明轴心单桩多脚架基础的技术方案的一种改进，钢柱下段与轴心桩上端通过环形缝灌砂浆连接。

作为本发明轴心单桩多脚架基础的技术方案的一种改进，所述轴心桩的中轴线通过多脚框的几何中心轴，所述轴心桩与所述钢柱同轴。

为了实施上述轴心单桩多脚架基础，本发明提供了一种轴心单桩多脚架基础的施工方法，其包括如下步骤：

a、根据上述的轴心单桩多脚架基础的结构，在工厂加工制作包括多脚框、钢柱、水平连杆、斜连杆的整体式多脚架架体，并加工轴心桩、基桩；

b、轴心桩海上沉桩施工，安装插入海床的泥层，使轴心桩顶端位于预设位置；

c、将整体式多脚架架体安装于轴心桩顶部并调平，灌注砂浆到轴心桩与钢柱之间使整体式多脚架与轴心桩连接，实现海上平台安装定位与预支撑，形成后续施工的施工平台；

d、基桩沉桩施工，吊起基桩使其下端插入钢脚筒，以钢脚筒为定位和导向装置，使基桩不断穿越钢脚筒并使基桩下端穿过海水体进入泥层；

e、在基桩与多脚框的钢脚筒之间的环形缝灌注砂浆使基桩与多脚框连接。

作为本发明轴心单桩多脚架基础的施工方法的技术方案的一种改进，以整体式多脚架架体为施工平台，对需嵌岩的基桩进行海上嵌岩施工。

本发明的有益效果是：轴心单桩多脚架基础借助轴心单桩进行海上安装定位与预支撑，可兼作基桩施工时的定位及导向装置，可使沉桩施工避免水下送桩及夹桩，可兼作基桩嵌岩施工的工作平台，较经济地解决了海上嵌岩桩施工难题。通过多脚架的钢脚筒和钢柱下段分别与基桩和轴心桩环形灌浆连接，从而把多脚架结构连成整体刚度大、稳定性好、受波浪力小、施工方便快捷的海上基础结构。包括轴心桩的轴心单桩多脚架是整体基础中的核心组件，与基桩一起构成完整的海上基础结构。

该轴心单桩多脚架除基桩和轴心桩外其余部件在车间加工为一体结构，使该多脚架工厂化、集成化程度高，海上施工工序较少且更加简便；在工厂加工时可将上部设备基础连接段一起加工并安装，减少了二次安装的麻烦。

多脚架设轴心桩，轴心桩单桩首先安装，然后安装顶部的多脚架整体构件可以便于结构高程、偏位精确度调整，然后安装其余的基桩形成位置精度高结构刚度大的多脚架海上基础。

周围的基桩采用斜桩时，通过合理设置多脚架的大小及高程，可在多脚架与基桩灌浆连接后，将该带钢柱的多脚架直接作为一个整体的基础平台，替代传统的大体积钢筋混凝土现浇墩台，同时兼作使用期海上工作平台。

轴心桩打桩完成后，接着就可以在海面以上安装多脚架架体并进行基桩安装，无需水下送桩，可以连续施工，使得海上施工工序衔接合理，无需窝工及等待；工期更短、工程费用更节省，适应范围非常广泛，在海洋工程中具有广阔的应用前景。 

附图说明

图1为本发明一种轴心单桩多脚架基础实施例的结构示意图。

图2为图1中A-A截面结构示意图。

图3为图2中B-B截面即实施例结构示意图。

图4为本发明一种轴心单桩多脚架基础另一种实施例的结构示意图。

图5为图4中的C-C截面结构示意图。

图6为图5中的D-D截面结构示意图。

图7为钢脚筒导向装置一种实施方式的结构示意图。

图8为钢脚筒导向装置另一种实施方式的截面结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施方式进行具体描述。

如图1、2、3所示，图中展示了本发明一种轴心单桩多脚架基础10，其包括由多个联系杆11围成多边形并于多边形顶点处设有圆筒型钢脚筒12的水平设置的多脚框13、位于多脚框13中央的作为上部设备基础连接段的钢柱14、与钢柱下端连接的轴心桩15，所述多脚框13与钢柱14通过水平连杆16和/或斜连杆17连成整体，所述钢脚筒12穿设有基桩18，钢脚筒12与基桩18间预留环形缝便于灌砂浆形成连接节点。

该轴心单桩多脚架基础10结构为简单的空间桁架结构，借助轴心桩15进行海上安装定位与预支撑可简单快捷地在海面上安装多脚框13及钢柱14、连杆16/17等构成的多脚架架体，并可把多脚框13作为基桩18的定位导向装置，使沉桩施工避免水下送桩及夹桩，可兼做嵌岩桩施工时的水上施工平台，较经济地解决了海上嵌岩桩施工难题。先安装轴心桩15的施工方法，可以避免传统施工需夹桩及搭设海面施工平台，然后进行其他施工及嵌岩桩施工，避免工期长、施工难度大、安装定位不准确的问题。

多脚架基础通过基桩18与钢脚筒12灌砂浆22连成整体刚度大、稳定性好、受波浪力小、施工方便快捷的海上基础结构。包括轴心桩15的轴心单桩多脚架10是整体基础中的核心组件，与基桩18一起构成完整的海上基础结构。通过结构的改进，设置中心位置先分离后连接的起支撑作用的轴心桩可使多脚架基础施工更为便利、对施工设备要求更低、工程费用更节省，同时适应范围非常广泛。

该轴心单桩多脚架除基桩18和轴心桩15外其余部件在车间加工为一体结构，使该多脚架工厂化、集成化程度高，海上施工工序较少且更加简便；在工厂加工时可将上部设备基础连接段一起加工并安装，减少了二次安装的麻烦。

更佳地，所述多脚框13为至少三边的多边形框形结构，多边形的框形结构通过多个基桩18支撑，基桩18直径可以较小，减小海浪的冲击力，同时提高了刚度，稳定性更好。

更佳地，各所述钢脚筒12全部沿竖向竖直布置，或全部倾斜布置，或竖直与倾斜混合布置。竖直设置钢脚筒12配合的基桩18便于安装，提供更多的竖向支撑力，便于进行嵌岩施工。倾斜设置的钢脚筒12配合的基桩18使得基础在海床的支撑点分布范围更大，提高基础的稳定性，便于构建基础平台。混合布置的钢脚筒12配合基桩18使得海上工程基础具备更大的适应性。

当周围的基桩18采用斜桩时，通过合理设置多脚架的大小及高程，可在多脚架与基桩18灌浆连接后，将该带钢柱14的多脚架10直接作为一个整体的基础平台，替代传统的大体积钢筋混凝土现浇墩台，同时兼作使用期海上工作平台，便于后期维护。

更佳地，所述钢柱14分为上下两段，钢柱上段为上部设备基础连接段，钢柱下段为与轴心桩15对接的插接段，钢柱上段的直径大于钢柱下段的直径，钢柱上段与钢柱下段之间呈倒圆台形连接过渡。安装时，将多脚架架体吊装到轴心桩15上方，对准轴心桩15和钢柱下端，缓慢放下多脚架架体即可套接轴心桩15和插接段。

更佳地，钢柱下段与轴心桩15上端通过环形缝灌砂浆连接，形成稳定牢固的连接结构。

更佳地，所述轴心桩15的中轴线通过多脚框的几何中心轴，所述轴心桩15与所述钢柱14同轴，多脚架架体可以相对平稳地放置与轴心桩15上，预先安装单桩式的轴心桩15便于多脚架施工定位及调平，轴心桩15同时也是受力基桩。钢柱14兼作上部设备安装基础以及多脚架架体首次安装连接构件。

钢脚筒12内侧需设置剪力键，用以加强钢脚筒12与灌浆材料的连接。同时，如附图7、8所示，钢脚筒12顶端设置有喇叭口20或内侧设置具有顶端斜面的钢肋21，作为基桩18沉桩时的导向装置，使基桩18沉桩时易于伸入钢脚筒方便沉桩并精确定位。

如附图1、2、3所示的本发明实施例1是一种基桩18全部采用直桩的四边形的轴心单桩多脚架基础10，该结构由包括四边形多脚框13、钢柱14、轴心桩15等构件组成。先在陆上分别制作多脚框13、钢柱14、水平连杆16和/或斜连杆17，然后陆上组装集成整体；在海上进行轴心桩15沉桩施工，并使桩顶到预设位置；利用轴心桩15作为支点进行多脚架架体的安装，调平多脚架架体后在钢柱14的下段与轴心桩15之间的环形缝灌砂浆22；利用多脚框13的钢脚筒12作为基桩18的导向装置进行基桩18的沉桩施工；最后在钢脚筒12与基桩18之间的环形缝灌砂浆22使其固结连接；若需作嵌岩桩，则可利用多脚架作为嵌岩桩工作平台进行常规嵌岩施工。

如附图4、5、6所示的本发明实施例2，一种基桩18全部采用斜桩的四边形的轴心单桩多脚架基础10，该结构由包括四边形多脚框13、钢柱14、轴心桩15等构件组成。先在陆上分别制作多脚框13、钢柱14、水平连杆16，然后陆上组装集成整体；在海上进行轴心桩15沉桩施工，并使桩顶到预设位置；利用轴心桩15作为支点进行多脚架架体的安装，调平多脚架架体后在钢柱14的下段与轴心桩15之间的环形缝灌砂浆22；利用多脚框13的钢脚筒12作为基桩18的导向装置进行基桩18的沉桩施工；最后在钢脚筒12与基桩18之间的环形缝灌砂浆22使其固结连接。

为了实施上述轴心单桩多脚架基础，本发明提供了一种轴心单桩多脚架基础的施工方法，其包括如下步骤：

a、根据上述的轴心单桩多脚架基础结构，在工厂加工制作包括多脚框13、钢柱14、水平连杆16和/或斜连杆17的整体式多脚架架体，并加工对应形状和长度的轴心桩15、基桩18，完成后通过施工船舶运送到预定施工海域；

b、将预加工成型的轴心桩15进行海上沉桩施工，安装插入海床的泥层，使轴心桩15顶端到达预设位置，为后续施工提供施工支点，轴心桩15可以选择桩径较小的钢桩，材料节省、轻便易于施工；

c、将整体式多脚架架体安装于轴心桩15顶部并调平，实现比较精确的位置和方位定位，灌注砂浆到轴心桩15与钢柱14之间使整体式多脚架与轴心桩15连接成为固结的连接节点，实现海上平台安装定位与预支撑，轴心桩15单桩完成对多脚架架体的支撑，在施工期，可以满足对多脚架自身的支撑要求；

d、为了对外提供稳定的支撑，实现海洋基础的功能，进一步进行基桩18沉桩施工，在各个钢脚筒处穿入基桩架设支撑结构构件，用施工船舶和工程设备吊起基桩18使其下端插入钢脚筒12，以钢脚筒12为定位和导向装置，使基桩18不断穿越钢脚筒并持续锤击或振动使基桩18下端穿过海水体进入泥层，某些海域还需要嵌岩施工；

e、基桩18打桩完成后，在基桩18与多脚框的钢脚筒12之间的环形缝灌注砂浆22使基桩18与多脚框固结连接，形成牢固稳定的连接结构。

多脚架设轴心桩15，轴心桩15单桩首先安装，然后安装顶部的多脚架整体构件可以便于结构高程、偏位精确度调整，然后安装其余的基桩18形成位置精度高结构刚度大的多脚架海上基础。

轴心桩15打桩完成后，接着就可以在海面以上安装多脚架架体并进行基桩15安装，无需水下送桩及夹桩，可以连续施工，使得海上施工工序衔接合理，无需窝工及等待，工期更短、工程费用更节省，适应范围非常广泛，在海洋工程中具有广阔的应用前景。

更佳地，以整体式多脚架架体为施工平台，对需嵌岩的基桩18进行海上嵌岩施工。先安装轴心桩15的施工方法，可以避免传统施工需夹桩及搭设海面施工平台，然后进行嵌岩桩施工，避免工期长、施工难度大、安装定位不准确的问题。

以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (8)

1.一种轴心单桩多脚架基础，其特征在于：包括由多个联系杆围成多边形并于多边形顶点处设有圆筒型钢脚筒的水平设置的多脚框、位于多脚框中央的作为上部设备基础连接段的钢柱、与钢柱下端连接的轴心桩，所述多脚框与钢柱通过水平连杆和/或斜连杆连成整体，所述钢脚筒穿设有基桩，钢脚筒与基桩间预留环形缝便于灌砂浆形成连接节点。

2.根据权利要求1所述的轴心单桩多脚架基础，其特征在于：所述多脚框为至少三边的多边形框形结构。

3.根据权利要求1所述的轴心单桩多脚架基础，其特征在于：各所述钢脚筒全部沿竖向竖直布置，或全部倾斜布置，或竖向与倾斜混合布置。

4.根据权利要求1所述的轴心单桩多脚架基础，其特征在于：所述钢柱分为上下两段，钢柱上段为上部设备基础连接段，钢柱下段为与轴心桩对接的插接段，钢柱上段的直径大于钢柱下段的直径，钢柱上段与钢柱下段之间呈倒圆台形连接过渡。

5.根据权利要求4所述的轴心单桩多脚架基础，其特征在于：钢柱下段与轴心桩上端通过环形缝灌砂浆连接。

6.根据权利要求1所述的轴心单桩多脚架基础，其特征在于：所述轴心桩的中轴线通过多脚框的几何中心轴，所述轴心桩与所述钢柱同轴。

7.一种轴心单桩多脚架基础的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

a、根据权利要求1所述的轴心单桩多脚架基础结构，在工厂加工制作包括多脚框、钢柱、水平连杆和/或斜连杆的整体式多脚架架体，并加工轴心桩、基桩；

b、轴心桩海上沉桩施工，安装插入海床的泥层，使轴心桩顶端位于预设高度；

c、将整体式多脚架架体安装于轴心桩顶部并调平，灌注砂浆到轴心桩与钢柱之间使整体式多脚架与轴心桩连接，实现海上平台安装定位与预支撑，形成后续施工的施工平台；

d、基桩沉桩施工，吊起基桩使其下端插入钢脚筒，以钢脚筒为定位和导向装置，使基桩穿越钢脚筒并使基桩下端穿过海水体进入泥层；

e、在基桩与多脚框的钢脚筒之间的环形缝灌注砂浆使基桩与多脚框连接。

8.根据权利要求7所述的轴心单桩多脚架基础的施工方法，其特征在于：以整体式多脚架架体为施工平台，对需嵌岩的基桩进行海上嵌岩施工。