CN104141316B - 一种具有吸力式裙筒与半刚性连接桩的沉箱复合基础 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有吸力式裙筒与半刚性连接桩的沉箱复合基础，该沉箱复合基础包括沉箱、吸力式裙筒、半刚性垫层和预制桩。吸力式裙筒有多个，其顶部固接于沉箱底部周圈；半刚性垫层形成于沉箱之下并与沉箱底部直接接触成为一体；预制桩有多根，其顶端固接于半刚性垫层内部并与半刚性垫层成为一体，其底端延伸至地基深处。本发明提供的具有吸力式裙筒与半刚性连接桩的沉箱复合基础，其竖向受力主要由群桩承担，水平受力主要由吸力式裙筒承担，进而使复合基础水平、竖向、抗弯及抗扭转受力性能好，防冲刷性能强，经济性优。

Description

一种具有吸力式裙筒与半刚性连接桩的沉箱复合基础

技术领域

本发明属于桥梁技术领域，具体涉及一种具有吸力式裙筒与半刚性连接桩的沉箱复合基础。

背景技术

随着桥梁建设从内陆走向外海，深水、软基、强风、急流、波浪、强震等建设条件更加复杂。跨海桥梁基础往往位于深水区，存在软土、砂土、粘性土、碎(卵)石土交替的厚覆盖层，且覆盖层中还可能分布有不均的软(硬)夹层；对大跨径斜拉桥和悬索桥的主塔基础，除了承受巨大的竖向力之外，还承受着波浪力、地震力、船撞力等水平向荷载作用。上述建设条件对跨海桥梁深水基础施工过程、运营阶段的都提出了极高的要求。

目前常用的深水基础结构型式有群桩基础、沉井基础、沉箱基础和复合基础等。

群桩基础能够穿过深厚覆盖层，将上部荷载传递至土层深处较好的持力层，具有较大的竖向承载能力。但随着水深的增大，群桩基础围堰的施工难度增加，且桩的自由长度增加导致抵抗水平作用能力下降，难以满足水平刚度要求。

沉井基础和沉箱基础虽然能有利于解决桩基施工平台的搭设、桩的自由长度过大等难题。但沉井自身能否顺利下沉与地质条件密切相关，在场地土局部存在硬夹层或胶结性较强的地层中难以有效下沉。沉箱基础整体性好，利于外海施工，但如果持力层为厚软弱覆盖层时，则需要很大的基础规模，且基础变位较大，需要采取措施提高地基刚度。

预制桩加固地基的沉箱复合基础是一种新型桥梁基础型式。但加固地基后基础沉降呈“中心大、边缘小”的碟形分布，造成沉箱内应力增加，对于水下混凝土裂缝控制带来不利影响。而且，通过预制桩加固地基可以提高沉箱的竖向承载能力，但对水平承载能力的提高有限。

裙筒式基础在软土地基上的海上风电工程、海洋石油平台工程中得到了较为广泛的应用。依靠群筒内的负压将基础压入土中，基础具有较强的水平及抗弯、抗扭承载能力，但基础的竖向承载能力有限、竖向变形较大。

因此，面对外海复杂的建设条件，迫切需要研究开发竖向、水平、抗弯及抗扭转受力性能好，防冲刷性能强，经济性优的新型桥梁深水基础。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种具有吸力式裙筒与半刚性连接桩的沉箱复合基础，以解决深水厚覆盖层条件下桥梁基础建设难题，达到有效提高基础的竖向和水平向承载能力、控制基础沉降和水平位移的目的。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种具有吸力式裙筒与半刚性连接桩的沉箱复合基础，该沉箱复合基础包括沉箱1、吸力式裙筒2、半刚性垫层3和预制桩4，其中：吸力式裙筒2有多个，其顶部固接于沉箱1底部周圈；半刚性垫层3形成于沉箱1之下并与沉箱1底部直接接触成为一体；预制桩4有多根，其顶端固接于半刚性垫层3内部并与半刚性垫层3成为一体，其底端延伸至地基深处；

所述吸力式裙筒2由外裙边11、内裙边12和筒肋13构成，其顶面固定在沉箱1底板6下部的周圈，形成顶面封闭、底面开敞、平面闭合的多个裙筒；所述半刚性垫层3包括砂层14和级配碎石层15，且级配碎石层15形成于砂层14之上；

所述半刚性垫层3的形成过程如下：在沉箱1沉放前先铺设砂层14，然后用水下液压锤打设多根按一定间距布置的预制桩4，在此基础上铺设级配碎石层15，待沉箱1下沉就位后通过沉箱1底板6预留的抽水孔兼注浆孔10将水泥浆注入于沉箱1的底部，水泥浆浸透到级配碎石层15和砂层14中，水泥浆凝固后使级配碎石层15和砂层14形成半刚性垫层3；所述预制桩4通过半刚性垫层3与沉箱1形成半刚性连接。

上述方案中，所述沉箱1包括顶板5、底板6、外壁板7、内壁板8和空腔9，且沉箱1的底板6预留有抽水孔兼注浆孔10，其中，沉箱1的顶板5的尺寸小于底板6的尺寸，其中心线处的纵剖面为上小下大的等腰梯形或倒“T”型。所述沉箱1的横截面为圆形、圆端形或倒角矩形，所述沉箱1的材质为钢筋混凝土或钢壳混凝土；所述钢筋混凝土采用预应力钢筋混凝土。

上述方案中，所述吸力式裙筒2的高度h＝3～12m，外裙边11的厚度t＝0.2～3m、内裙边12的厚度t1＝0.2～2m及筒肋13的厚度t2＝0.2～2m；为便于吸力式裙筒2入土下沉，外裙边11、内裙边12和筒肋13的底部设有刃脚；所述吸力式裙筒2的材质为钢、钢筋混凝土或钢壳混凝土。

上述方案中，所述预制桩4的顶部插入级配碎石层15的长度是级配碎石层15厚度t3的0.5～1倍；级配碎石层15的厚度t3＝1～2m，选用粒径d1＝0.02～0.10m的级配碎石；砂层14的厚度t4＝0.5～1m，选用粒径d2＝0.0005～0.005m的粗砂；预制桩4布置在内裙边12围绕的结构竖向核心受力区，选用钢管桩、PHC桩或混凝土桩；其中，桩径Φ＝1～3m、桩长L＝20～50m、桩中心距S＝3Φ～6Φ，最外排预制桩4与内裙边12的最小净距离D＝2m。

上述方案中，为了更有效地发挥预制桩4的竖向承载力，增强预制桩4与级配碎石层15的连接，预制桩4的顶部设有桩帽16，桩帽16顶部设有便于桩锤夹持打设的抱打段17，桩帽16的直径是预制桩4直径的1.2～1.5倍。

上述方案中，所述沉箱1的下沉施工采用沉箱1中部空腔9内的多区同步注水压重和周圈吸力式裙筒2内的多区同步抽水形成负压的分区对称、同步实施的下沉施工控制技术；所述沉箱1的下沉控制标准为平面位置偏差δ≤50cm、倾斜度α≤1/100、扭转角θ≤1°。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的具有吸力式裙筒与半刚性连接桩的沉箱复合基础，通过压入地基土中的吸力式裙筒，使基础受水平力作用时，破坏面向深层土体下移，从而能够有效抵抗施工期及运营期的大风、波浪、海流、船撞等水平作用，可以大幅提高基础的抗滑移和抗倾覆能力，并且能够有效提高抗冲刷能力。

2、本发明提供的具有吸力式裙筒与半刚性连接桩的沉箱复合基础，通过渗入水泥浆的级配碎石层和砂层形成半刚性垫层，使预制桩与沉箱之间形成半刚性连接，能够实现竖向和水平荷载的有效传递，同时避免了强震作用下桩与沉箱连接处易破坏的问题。

3、本发明提供的具有吸力式裙筒与半刚性连接桩的沉箱复合基础，通过吸力式裙筒和预制桩对地基的加固，并通过注入水泥浆使级配碎石层和砂层形成的半刚性垫层，能够有效减小沉箱的不均匀沉降，从而能够有效解决沉箱底板由于差异沉降引起的受力问题。

4、本发明提供的具有吸力式裙筒与半刚性连接桩的沉箱复合基础，采用沉箱中部空腔内注水压重和周圈吸力式裙筒内抽水形成负压的分区对称、同步实施的下沉施工控制技术，实现沉箱平稳下沉，能够保证沉箱下沉的控制精度。

附图说明

图1为本发明提供的具有吸力式裙筒与半刚性连接桩的沉箱复合基础的立面示意图。

图2为本发明提供的具有吸力式裙筒与半刚性连接桩的沉箱复合基础的沉箱底剖面示意图。

图3为本发明提供的具有吸力式裙筒与半刚性连接桩的沉箱复合基础的预制桩与半刚性垫层的连接示意图。

图4a和图4b为本发明提供的具有吸力式裙筒与半刚性连接桩的沉箱复合基础的预制桩的桩头构造示意图。

图5a和图5b为本发明提供的具有吸力式裙筒与半刚性连接桩的沉箱复合基础的下沉控制示意图。

附图标记：沉箱1；吸力式裙筒2；半刚性垫层3；预制桩4；顶板5；底板6；外壁板7；内壁板8；空腔9；抽水孔兼注浆孔10；外裙边11；内裙边12；筒肋13；砂层14；级配碎石层15；桩帽16；抱打段17。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1、图2所示，本发明提供了一种用于深水、厚覆盖层地基中的具有吸力式裙筒与半刚性连接桩的沉箱复合基础，该沉箱复合基础包括：沉箱1、吸力式裙筒2、半刚性垫层3和预制桩4；其中，吸力式裙筒2有多个，其顶部固接于沉箱1底部周圈；半刚性垫层3形成于沉箱1之下并与沉箱1底部直接接触成为一体；预制桩4有多根，其顶端固接于半刚性垫层3内部并与半刚性垫层3成为一体，其底端延伸至地基深处。

如图1所示，沉箱1包括顶板5、底板6、外壁板7、内壁板8和空腔9，且沉箱的底板6预留有抽水孔兼注浆孔10，其中，沉箱1的横截面为圆形、圆端形或倒角矩形等形状。沉箱1的顶板5的尺寸小于底板6的尺寸，其中心线处的纵剖面为上小下大的等腰梯形或倒“T”型结构。沉箱1的材质可为钢筋混凝土、钢壳混凝土或预应力钢筋混凝土等。

如图2所示，吸力式裙筒2由外裙边11、内裙边12和筒肋13构成，其顶面固定在沉箱1底板6下部的周圈，形成顶面封闭、底面开敞、平面闭合的多个裙筒。吸力式裙筒2的高度h＝3～12m，外裙边11的厚度t＝0.2～3m、内裙边12的厚度t1＝0.2～2m及筒肋13的厚度t2＝0.2～2m，吸力式裙筒2的尺寸根据沉箱1预制、浮运、沉放控制、结构受力和冲刷防护等要求确定；为便于吸力式裙筒2入土下沉，外裙边11、内裙边12和筒肋13的底部设有刃脚。吸力式裙筒2的材质可为钢、钢筋混凝土或钢壳混凝土等。

如图3、图4a及图4b所示，半刚性垫层3包括砂层14和级配碎石层15，且级配碎石层15形成于砂层14之上。半刚性垫层3的形成过程为：在沉箱1沉放前先铺设砂层14，然后用水下液压锤打设多根按一定间距布置的预制桩4，在此基础上铺设级配碎石层15，待沉箱1下沉就位后通过沉箱1底板6预留的抽水孔兼注浆孔10将水泥浆注入于沉箱1的底部，水泥浆浸透到级配碎石层15和砂层14中，水泥浆凝固后使级配碎石层15和砂层14形成半刚性垫层3。预制桩4通过半刚性垫层3与沉箱1形成半刚性连接。预制桩4的顶部插入级配碎石层15厚度t3的0.5～1倍区域。级配碎石层15的厚度t3＝1～2m，可选用粒径d1＝0.02～0.10m的级配碎石。砂层14的厚度t4＝0.5～1m，可选用粒径d2＝0.0005～0.005m的粗砂。预制桩4布置在内裙边12围绕的结构竖向核心受力区，其可选用钢管桩、PHC桩、混凝土桩或钢壳薄壁筒桩；桩径Φ＝1～3m、桩长L＝20～50m、桩中心距S＝3Φ～6Φ，最外排预制桩4与内裙边12的最小净距离D＝2m。为了更有效地发挥预制桩4的竖向承载力，增强预制桩4与级配碎石层15的连接，预制桩4的顶部设有桩帽16，桩帽16顶部设有便于桩锤夹持打设的抱打段17，桩帽16的直径是预制桩4直径的1.2～1.5倍，即桩帽16的直径Φ1＝1.2Φ～1.5Φ。

如图5a和图5b所示，沉箱1的下沉施工，利用沉箱的自重P0，采用沉箱1中部空腔9内的①、②、③、④区同步注水压重P1和P2，以及沉箱1底部周圈吸力式裙筒2内的Ⅰ、II、III区同步抽水形成负压P3的分区对称、同步实施的下沉施工控制技术，实现沉箱1平稳下沉，保证沉箱1下沉的控制精度和施工安全。沉箱1的下沉控制标准为平面位置偏差δ≤50cm、倾斜度α≤1/100、扭转角θ≤1°。

沉箱1下沉就位后，通过抽水孔兼注浆孔10向沉箱1底部注入水泥浆，水泥浆为超高流动性、微膨胀的水泥砂浆，其28d强度达8MPa以上。水泥浆浸透到级配碎石层15、砂层14，水泥浆凝固后使级配碎石层15和砂层14形成半刚性垫层3。预制桩4通过半刚性垫层3与沉箱1形成半刚性连接。

本发明提供的具有吸力式裙筒与半刚性连接桩的沉箱复合基础，其竖向受力主要由群桩承担，水平受力主要由吸力式裙筒承担，进而使复合基础水平、竖向、抗弯及抗扭转受力性能好，防冲刷性能强，经济性优。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有吸力式裙筒与半刚性连接桩的沉箱复合基础，其特征在于，该沉箱复合基础包括沉箱(1)、吸力式裙筒(2)、半刚性垫层(3)和预制桩(4)，其中：

吸力式裙筒(2)有多个，其顶部固接于沉箱(1)底部周圈；

半刚性垫层(3)形成于沉箱(1)之下并与沉箱(1)底部直接接触成为一体；

预制桩(4)有多根，其顶端固接于半刚性垫层(3)内部并与半刚性垫层(3)成为一体，其底端延伸至地基深处；

所述吸力式裙筒(2)由外裙边(11)、内裙边(12)和筒肋(13)构成，其顶面固定在沉箱(1)底板(6)下部的周圈，形成顶面封闭、底面开敞、平面闭合的多个吸力式裙筒；所述半刚性垫层(3)包括砂层(14)和级配碎石层(15)，且级配碎石层(15)形成于砂层(14)之上；

所述半刚性垫层(3)的形成过程如下：在沉箱(1)沉放前先铺设砂层(14)，然后用水下液压锤打设多根按一定间距布置的预制桩(4)，在此基础上铺设级配碎石层(15)，待沉箱(1)下沉就位后通过沉箱(1)底板(6)预留的抽水孔兼注浆孔(10)将水泥浆注入于沉箱(1)的底部，水泥浆浸透到级配碎石层(15)和砂层(14)中，水泥浆凝固后使级配碎石层(15)和砂层(14)形成半刚性垫层(3)；所述预制桩(4)通过半刚性垫层(3)与沉箱(1)形成半刚性连接。

2.根据权利要求1所述的具有吸力式裙筒与半刚性连接桩的沉箱复合基础，其特征在于，所述沉箱(1)包括顶板(5)、底板(6)、外壁板(7)、内壁板(8)和空腔(9)，且沉箱(1)的底板(6)预留有抽水孔兼注浆孔(10)，其中，沉箱(1)的顶板(5)的尺寸小于底板(6)的尺寸，沉箱(1)中心线处的纵剖面为上小下大的等腰梯形或倒“T”型。

3.根据权利要求2所述的具有吸力式裙筒与半刚性连接桩的沉箱复合基础，其特征在于，所述沉箱(1)的横截面为圆形、圆端形或倒角矩形，所述沉箱(1)的材质为钢筋混凝土或钢壳混凝土。

4.根据权利要求3所述的具有吸力式裙筒与半刚性连接桩的沉箱复合基础，其特征在于，所述钢筋混凝土采用预应力钢筋混凝土。

5.根据权利要求1所述的具有吸力式裙筒与半刚性连接桩的沉箱复合基础，其特征在于，所述吸力式裙筒(2)的高度h＝3～12m，外裙边(11)的厚度t＝0.2～3m、内裙边(12)的厚度t1＝0.2～2m及筒肋(13)的厚度t2＝0.2～2m；为便于吸力式裙筒(2)入土下沉，外裙边(11)、内裙边(12)和筒肋(13)的底部设有刃脚；所述吸力式裙筒(2)的材质为钢、钢筋混凝土或钢壳混凝土。

6.根据权利要求1所述的具有吸力式裙筒与半刚性连接桩的沉箱复合基础，其特征在于，所述预制桩(4)的顶部插入级配碎石层(15)的长度是级配碎石层(15)厚度t3的0.5～1倍；

级配碎石层(15)的厚度t3＝1～2m，选用粒径d1＝0.02～0.10m的级配碎石；

砂层(14)的厚度t4＝0.5～1m，选用粒径d2＝0.0005～0.005m的粗砂；

预制桩(4)布置在内裙边(12)围绕的结构竖向核心受力区，选用钢管桩或混凝土桩；其中，桩径Φ＝1～3m、桩长L＝20～50m、桩中心距S＝3Φ～6Φ，最外排预制桩(4)与内裙边(12)的最小净距离D＝2m。

7.根据权利要求6所述的具有吸力式裙筒与半刚性连接桩的沉箱复合基础，其特征在于，所述混凝土桩为预应力高强度混凝土(PHC)桩。

8.根据权利要求6所述的具有吸力式裙筒与半刚性连接桩的沉箱复合基础，其特征在于，为了更有效地发挥预制桩(4)的竖向承载力，增强预制桩(4)与级配碎石层(15)的连接，预制桩(4)的顶部设有桩帽(16)，桩帽(16)顶部设有便于桩锤夹持打设的抱打段(17)，桩帽(16)的直径是预制桩(4)直径的1.2～1.5倍。

9.根据权利要求1所述的具有吸力式裙筒与半刚性连接桩的沉箱复合基础，其特征在于，所述沉箱(1)的下沉施工采用沉箱(1)中部的空腔(9)内的多区同步注水压重和周圈吸力式裙筒(2)内的多区同步抽水形成负压的分区对称、同步实施的下沉施工控制技术；所述沉箱(1)的下沉控制标准为平面位置偏差δ≤50cm、倾斜度α≤1/100、扭转角θ≤1°。