CN105862899A - 深水双夹心式钢管桩基础及其实施方法 - Google Patents

深水双夹心式钢管桩基础及其实施方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种深水双夹心式钢管桩基础，包括从外向内依次套设的外层钢管、中间钢管和内层钢管，所述外层钢管和中间钢管之间形成外环形空腔，该中间钢管和内层钢管之间形成内环形空腔；其中外环形空腔内填充钢筋混凝土或FRP(纤维增强聚合物)混凝土，内环形空腔内填充FRP混凝土。本发明通过外层钢管与中间钢管、中间钢管与内层钢管之间形成的双环形空腔结构，并在其中填充FRP混凝土和/或钢筋混凝土，有效增加了整体结构的截面模量，提高结构承载能力至少50％；同时可减小基桩使用期间的位移变形量、外层钢管的壁厚与重量，降低对桩基起吊设备的要求和水上施工的难度，使得钢管桩基础可适用于水深更深的工程区域。

Description

深水双夹心式钢管桩基础及其实施方法
技术领域
本发明涉及一种管桩基础及其施工方法，尤其涉及一种深水双夹心式钢管桩基础及其实施方法。
背景技术
与陆地的施工情况相比，水下的施工工况条件比较恶劣，其中深水区的施工难度以及对于工件强度要求都更大、更高，且深水区受自然条件的影响也深。
目前海上风电工程、江面和海上特大桥工程等基础工程中使用的基础结构类型有单根大直径管桩、组合式管桩。其中单根大直径管桩具有结构简单、受力好、工序简单、制作容易、施工速度快等优点，适用于软土较厚的区域。但单根大直径管桩具有与以下缺点：泥面以上的悬臂过长、柔性较大、刚度不足，在寿命使用期内，位移变形大，难以适用于深水较大区域；为了保证足够的刚度及强度，单根钢管桩的直径较大(一般在4米以上)，相应的壁厚也大，钢材用量多；整个钢管桩的重量大，需要大型起重设备及大型打桩锤，对施工设备要求很高；受起重设备承载能力的制约，因此使用受限，在较大风荷载、较深水区难以使用该种基础。另一种组合式管桩，大多采用混凝土和钢管组合的形式，其承载能力较之单根管桩有较大改善，但在寿命使用期内，仍然存在位移变形大等缺陷，无法适用于深水处，且为了保证足够的刚度及强度，钢材和混凝土的用量多，成本高，且钢筋易腐蚀。
因此，亟待解决上述问题。
发明内容
发明目的：本发明的第一目的是提供一种承载强度高、消耗钢材少且适用范围广的深水双夹心式钢管桩基础。
本发明的第二目的是提供该深水双夹心式钢管桩基础的实施方法。
技术方案：为实现以上目的，本发明所述的一种深水双夹心式钢管桩基础，包括从外向内依次套设的外层钢管、中间钢管和内层钢管，所述外层钢管和中间钢管之间形成外环形空腔，该中间钢管和内层钢管之间形成内环形空腔；其中在外环形空腔内填充钢筋混凝土或FRP混凝土，内环形空腔内填充FRP混凝土。
FRP(纤维增强聚合物)混凝土是一种采用高性能纤维，加固复合材料混凝土结构， 该FRP混凝土包括固定于内环形空腔或外环形空腔内的环形FRP笼和混凝土。其中环形FRP笼具有高抗拉强度、耐腐蚀、抗老化轻质、施工便捷等优点，无需长期维护，经济性高，适用范围广。
本发明通过外层钢管与中间钢管、中间钢管与内层钢管之间形成的双环形空腔结构，并在其中填充FRP混凝土和/或钢筋混凝土，有效增加了整体结构的截面模量，提高结构承载能力至少50％；同时可减小基桩使用期间的位移变形量、外层钢管的壁厚与重量，壁厚可减小至10～15mm，降低了对桩基起吊设备的要求和水上施工的难度；同时在起重能力一定时，通过减小外层钢管的壁厚，可实现更大直径管桩的起吊施工，使得深水双夹心式钢管桩基础可适用于水深更深的工程区域。
本发明用FRP混凝土代替部分或全部的钢筋混凝土，该钢筋混凝土包括固定于外环形空腔内的环形钢筋笼和混凝土；在提高整体结构的承载能力的同时可以进一步减小钢管壁厚和总钢材的使用量，减少生产制造成本。
其中，所述外层钢管、中间钢管和内层钢管在同一中心轴线上。三者同轴使得钢管的四周内外壁的承载强度一致，使得整体结构的使用寿命得到进一步延长。
优选的，所述中间钢管和内层钢管的顶、底两面齐平，两者之间协同受力。
进一步，所述外层钢管顶端高出中间钢管和内层钢管的顶端，且高出部分为加强段，该外层钢管的底面与中间钢管和内层钢管的底面齐平。
再者，所述加强段的壁厚为外层钢管壁厚的1.5～2倍。该加强段作为打桩加强段及与上部基础施工平台的连接段，增厚的管壁使得在打桩施工过程中不易变形，减轻了先施打外钢桩的重量，降低了桩基础在水上施工的设备要求，降低了桩基础海上施工难度，节省了施工费用。
优选的，所述外层钢管的内壁和中间钢管的外壁均设有与钢筋混凝土或FRP混凝土相配合的剪力键，所述外层钢管的外壁设有防冲刷护体。剪力键的设置进一步增强了钢管桩的侧向承载能力，防冲刷护体被钢管桩处于水流紊动强度较小的区域，极大减弱了钢管桩基础周围的冲刷，提高了冲刷防护的可靠性，增强了钢管桩基础的稳定性和安全性。
进一步，钢筋混凝土包括固定于外环形空腔内的环形钢筋笼和混凝土，FRP混凝土包括固定于内环形空腔或外环形空腔内的环形FRP笼和混凝土。
本发明的深水双夹心式钢管桩基础的施工方法，包括如下步骤：
A、预备外层钢管、中间钢管、内层钢管以及FRP混凝土，或FRP混凝土和钢筋混凝土；
B、水上沉桩施工：利用专用打桩设备将外层钢管沉入地基；
C、利用专用取土设备将外层钢管内侧的土取出；
D、将中间钢管、内层钢管吊装于外层钢管内，且外层钢管和中间钢管之间形成外环形空腔，中间钢管和内层钢管之间形成内环形空腔；
E、向内环形空腔内填充FRP混凝土，外环形空腔内填充钢筋混凝土或FRP混凝土，待凝固后形成整体式夹心钢管桩；
其中，在形成整体式夹心钢管桩后可在其四周设置防冲刷护体。
再者，步骤C中，土体取出后，清洗外层钢管内壁附着的泥土。
优选的，先将环形FRP笼吊装于内环形空腔或外环形空腔内，环形钢筋笼吊装于外环形空腔内，再灌注混凝土。
进一步，所述步骤E中先将中间钢管、内层钢管、环形钢筋笼和环形FRP笼拼装成一体，再吊装于外层钢管内。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：
(1)本发明通过外层钢管与中间钢管、中间钢管与内层钢管之间形成的双环形空腔结构，并在其中填充FRP混凝土和/或钢筋混凝土，有效增加了整体结构的截面模量，提高结构承载能力至少50％；同时可减小基桩使用期间的位移变形量、外层钢管的壁厚与重量，壁厚可减小至10～15mm；此外，双环形空腔管桩能将钢筋混凝土和FRP混凝土结合，充分发挥出FRP的高抗拉强度与钢筋混凝土高抗压的特点，使其管桩不仅具有更高的抗压强度，同时也具有更好的抗拉强度。
(2)由于FRP重量仅为钢材的20％，相比传统单管桩更轻，能降低桩基起吊设备要求，降低了水上施工的难度；同时在起重能力一定时，通过减小外层钢管的壁厚，可实现更大直径管桩的起吊施工，使得深水双夹心式钢管桩基础可适用于水深更深的工程区域；采用FRP混凝土代替部分或全部的钢筋混凝土，在承载力一定的情况下，可以进一步减小钢管壁厚和总钢材的使用量，减少生产制造成本；此外用FRP混凝土代替部分钢筋混凝土还可以解决水中腐蚀的问题，钢筋防氯盐腐蚀仅15年左右，而FRP对氯盐耐腐蚀性更高，可以在酸、碱、氯盐和潮湿环境中长期使用，含FRP混凝土的双环形管桩能满足水中永久和半永久的结构的耐久性要求。
(3)在使用工况与荷载要求一定时，该双环形空腔管桩与直径更大的单环形空腔钢管桩具有同样的抗荷载及抗变形的能力，即本发明的小直径桩可代替普通大直径桩。
(4)通过局部增厚外钢管的管壁使得在打桩施工过程中不易变形，减轻了先施打外钢桩的重量，降低了桩基础在水上施工的设备要求和海上施工难度，节省了施工费用。
(5)双环形空腔管桩能实现工厂化生产，现场安装，有利于保证工程质量，提高劳动效率和建筑工业化。
附图说明
图1为本发明的纵向剖面示意图；
图2为图1中的A-A向的剖面示意图；
图3为本发明的外层钢管的结构示意图；
图4为本发明的中间钢管的结构示意图；
图5为本发明的内层钢管的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所示，本发明深水双夹心式钢管桩基础，包括外层钢管1、中间钢管2、内层钢管3、钢筋混凝土和FRP混凝土，外层钢管1、中间钢管2和内层钢管3分别从外向内依次套设，且外层钢管1和中间钢管2之间形成外环形空腔4，在该外环形空腔4内填充钢筋混凝土；中间钢管2和内层钢管3之间形成内环形空腔5，在该内环形空腔5内填充FRP混凝土。本发明通过外层钢管与中间钢管、中间钢管与内层钢管之间形成的双环形空腔结构，并在其中填充FRP混凝土和/或钢筋混凝土，有效增加了整体结构的截面模量，提高结构承载能力至少50％；同时可减小基桩使用期间的位移变形量、外层钢管的壁厚与重量，壁厚可减小至10～15mm，降低了对桩基起吊设备的要求和水上施工的难度；同时在起重能力一定时，通过减小外层钢管的壁厚，可实现更大直径管桩的起吊施工，使得深水双夹心式钢管桩基础可适用于水深更深的工程区域。
本发明中的钢筋混凝土包括固定于外环形空腔4内的环形钢筋笼9和混凝土11，FRP混凝土包括固定于内环形空腔或外环空腔内的环形FRP笼10和混凝土11，还可以将钢筋混凝土全部替换为FRP混凝土，钢筋混凝土包括固定于外环形空腔4内的环形钢筋笼9和混凝土11。用FRP混凝土代替部分或全部的钢筋混凝土，在提高整体结构的承载能力的同时可以进一步减小钢管壁厚和总钢材的使用量，减少生产制造成本。
FRP(纤维增强聚合物)混凝土是一种采用高性能纤维，加固复合材料混凝土结构， 该FRP混凝土包括固定于内环形空腔或外环形空腔内的环形FRP笼和混凝土。其中环形FRP笼具有高抗拉强度、耐腐蚀、抗老化轻质、施工便捷等优点，无需长期维护，经济性高，适用范围广。
如图2所示，外层钢管1、中间钢管2和内层钢管3三者在同一中心轴线上，三者同轴使得钢管的四周外壁的承载强度一致，使得整体结构的使用寿命得到进一步延长。
如图3-5所示，本发明的中间钢管2和内层钢管3的顶、底两面齐平，外层钢管1顶端的高出中间钢管2和内层钢管3的顶端，且高出部分为加强段6，该外层钢管1的底面与中间钢管2和内层钢管3的底面齐平。底面三根钢管齐平，使得外、内环形空腔的面积最大化，且其中的FRP混凝土和钢筋混凝土可以协同受力，增大承载面积。而加强段的设置则是为了便于施工作业，便于打桩装备以及上部施工平台与钢管桩基础的连接。
且该加强段6的壁厚为外层钢管1壁厚的1.5～2倍，该加强段6作为打桩加强段及与上部基础施工平台的连接段，增厚的管壁使得在打桩施工过程中不易变形，减轻了先施打外钢桩的重量，降低了桩基础在水上施工的设备要求，降低了桩基础海上施工难度，节省了施工费用。
外层钢管1的内壁和中间钢管2的外壁均设有与钢筋混凝土或FRP混凝土相配合的剪力键7，所述外层钢管的外壁设有防冲刷护体8。剪力键7的设置进一步增强了钢管桩的侧向承载能力，防冲刷护体8被钢管桩处于水流紊动强度较小的区域，极大减弱了钢管桩基础周围的冲刷，提高了冲刷防护的可靠性，增强了钢管桩基础的稳定性和安全性。
第一种深水双夹心式钢管桩基础的施工方法，包括如下步骤：
A、预备外层钢管1、中间钢管2、内层钢管3、环形FRP笼10以及混凝土；
B、水上沉桩施工：利用专用打桩设备将外层钢管1沉入地基；
C、在外层钢管1的顶部搭建施工平台，利用专用取土设备将外层钢管1内侧的土取出，土体取出后，用高压水枪清洗外层钢管1内壁，清除内壁附着的泥土；
D、利用起重船将中间钢管2、内层钢管3和环形FRP笼10吊装于外层钢管1内，且环形FRP笼10分别固定于外环形空腔4和内环形空腔5内，还可预先将中间钢管2、内层钢管3和环形FRP笼10拼装成一体，可采用焊接方式，再吊装于外层钢管内；
E、利用水上搅拌船及泵往内环形空腔5和外环形空腔4内灌注混凝土11，待凝固 后形成整体式夹心钢管桩；
F、在整体式夹心钢管桩四周的水底预设范围内抛设防冲刷护体8。
第二种深水双夹心式钢管桩基础的施工方法，包括如下步骤：
A、预备外层钢管1、中间钢管2、内层钢管3、环形FRP笼10、环形钢筋笼9以及混凝土；
B、水上沉桩施工：利用专用打桩设备将外层钢管1沉入地基；
C、在外层钢管1的顶部搭建施工平台，利用专用取土设备将外层钢管1内侧的土取出，土体取出后，用高压水枪清洗外层钢管1内壁，清除内壁附着的泥土；
D、利用起重船将中间钢管2、内层钢管3、环形钢筋笼9和环形FRP笼10吊装于外层钢管1内，且环形钢筋笼9和环形FRP笼10分别固定于外环形空腔4和内环形空腔5内，还可预先将中间钢管2、内层钢管3、环形钢筋笼9和环形FRP笼10拼装成一体，可采用焊接方式，再吊装于外层钢管1内；
E、利用水上搅拌船及泵往内环形空腔5和外环形空腔4内灌注混凝土11，待凝固后形成整体式夹心钢管桩；
F、在整体式夹心钢管桩四周的水底预设范围内抛设防冲刷护体8。
本发明在使用工况与荷载要求一定时，该钢管桩与直径更大的普通钢管桩具有同样的抗荷载及抗变形的能力，即本发明的小直径桩可代替普通大直径桩，能适用于水更深的工程区域。

Claims (10)

1.一种深水双夹心式钢管桩基础，其特征在于：包括从外向内依次套设的外层钢管(1)、中间钢管(2)和内层钢管(3)，所述外层钢管(1)和中间钢管(2)之间形成外环形空腔(4)，该中间钢管(2)和内层钢管(3)之间形成内环形空腔(5)；其中在外环形空腔(4)内填充钢筋混凝土或FRP混凝土，内环形空腔(5)内填充FRP混凝土。
2.根据权利要求1所述的深水双夹心式钢管桩基础，其特征在于：所述外层钢管(1)、中间钢管(2)和内层钢管(3)在同一中心轴线上。
3.根据权利要求1所述的深水双夹心式钢管桩基础，其特征在于：所述中间钢管(2)和内层钢管(3)的顶、底两面齐平。
4.根据权利要求1所述的深水双夹心式钢管桩基础，其特征在于：所述外层钢管(1)顶端高出中间钢管(2)和内层钢管(3)的顶端，且高出部分为加强段(6)。
5.根据权利要求4所述的深水双夹心式钢管桩基础，其特征在于：所述加强段(6)的壁厚为外层钢管(1)壁厚的1.5～2倍。
6.根据权利要求1所述的深水双夹心式钢管桩基础，其特征在于：所述外层钢管(1)的底面与中间钢管(2)和内层钢管(3)的底面齐平。
7.根据权利要求1所述的深水双夹心式钢管桩基础，其特征在于：所述外层钢管(1)的内壁和中间钢管(2)的外壁均设有与钢筋混凝土或FRP混凝土相配合的剪力键(7)。
8.根据权利要求1所述的深水双夹心式钢管桩基础，其特征在于：所述钢筋混凝土包括固定于外环形空腔内的环形钢筋笼(9)和混凝土(11)，所述FRP混凝土包括固定于内环形空腔或外环形空腔内的环形FRP笼(10)和混凝土(11)。
9.根据权利要求1所述的深水双夹心式钢管桩基础的施工方法，其特征在于包括如下步骤：
A、预备外层钢管(1)、中间钢管(2)、内层钢管(3)以及FRP混凝土，或FRP混凝土和钢筋混凝土；
B、水上沉桩施工：利用专用打桩设备将外层钢管(1)沉入地基；
C、利用专用取土设备将外层钢管(1)内侧的土取出；
D、将中间钢管(2)、内层钢管(3)吊装于外层钢管(1)内，且外层钢管(1)和中间钢管(2)之间形成外环形空腔(4)，中间钢管(2)和内层钢管(3)之间形成内环形空腔(5)；
E、向内环形空腔(5)内填充FRP混凝土，外环形空腔(4)内填充钢筋混凝土或FRP混凝土，待凝固后形成整体式夹心钢管桩。
10.根据权利要求9所述的深水双夹心式钢管桩基础的施工方法，其特征在于：步骤E中，先将环形FRP笼(10)吊装于所述内环形空腔(5)或外环形空腔(4)内，环形钢筋笼(9)吊装于所述外环形空腔(4)内，再灌注混凝土(11)。
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