CN109024578B - 一种钢柱砼根深水基础结构及其施工方法 - Google Patents

一种钢柱砼根深水基础结构及其施工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钢柱砼根深水基础结构及其施工方法，其中钢柱砼根深水基础结构包括上钢柱和下砼根，上钢柱内部中空，直径为3.2m以上，上钢柱的底部深入海床的局部冲刷线以下；下砼根至少为3根，实心结构，直径为0.8m～2.5m，且下砼根置于上钢柱内，且上端通过第一承台与上钢柱的内壁固接，第一承台高于海床面，上钢柱的下端通过封底段与下砼根的外壁固接，封底段由混凝土浇筑而成。本发明，构造简单、受力合理，既具有优异的水平承载能力，又具有可靠的竖向承载能力，且充分发挥不同材料的力学性能优点，节省基础材料用量，降低恶劣深海环境下深水基础的建设成本，适用于水深流急、波长浪高、冲刷严重且覆盖层深厚的海洋工程深水基础。

Description

一种钢柱砼根深水基础结构及其施工方法
技术领域
本发明涉及海洋工程技术领域，具体涉及一种钢柱砼根深水基础结构及其施工方法。
背景技术
应国家发展战略之势，我国海洋工程如跨海桥梁、海上风电工程以及海洋钻井平台等大型工程的建设逐渐由海岸向深海推进。恶劣的深海环境给海洋工程的建设带来了巨大的挑战，尤其体现在结构物基础的设计和施工方面。水深流急、强涌浪、强冲刷及超厚覆盖层等都是我们必须克服的难题。
我国甬舟铁路及高速复线工程金塘水道公铁两用大桥基础深水将达到40～60m，百年一遇流速达到3.27m/s，百年一遇波高H1％达到8.64m，覆盖层厚度约90m左右。在甬舟铁路及高速公路复线工程可行性研究中，对主跨1080m斜拉桥方案主塔基础的研究结果表明，主塔基础的设计波流力将达到2万吨以上，上部结构传递至主塔基础的极限横风荷载约1万吨，横桥向船撞荷载达到2.12万吨。在如此巨大的水平力作用下，为满足主塔基础的水平承载能力和水平刚度要求，混凝土群桩基础的桩径将达到5m以上，且桩数规模巨大。
在深水情况下采用高桩承台群桩基础可以避免水下施工，降低施工风险，但同时由于水深较大，桩基的竖向承载力很大一部分被用来平衡水中部分的桩身自重。在覆盖层深厚的地质条件下，桩底难以进入基岩，桩基通常按摩擦桩设计。而对于摩擦桩，由于大直径桩基比表面积较小，其提供桩侧摩阻力的效率较低。在满足相同竖向承载力的情况下，采用大直径桩基，桩长必会增加，故经济性较差。在恶劣的深海环境下，虽然超大直径群桩基础能够适应海洋工程对深水基础承载能力和变形的要求，但是其经济性较差，建设成本昂贵。
有鉴于此，迫切需要从深水基础的受力机理出发，创新设计一种受力可靠、技术可行且经济合理的基础形式来适应海洋工程的发展。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有的深水基础结构存在受力较差、经济成本高的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种钢柱砼根深水基础结构，其特征在于，包括：
上钢柱，内部中空，直径为3.2m以上，所述上钢柱的底部深入海床的局部冲刷线以下；
下砼根，至少为3根，实心结构，直径为0.8m～2.5m，且下砼根置于所述上钢柱内，且上端通过第一承台与所述上钢柱的内壁固接，所述第一承台高于海床面，所述上钢柱的下端通过封底段与下砼根的外壁固接，所述封底段由混凝土浇筑而成。
在另一个优选的实施例中，所述下砼根是以所述上钢柱的截面中心为圆心环向均匀布置，且最外圈的所述下砼根的外表面与所述上钢柱的内表面存在径向的间距s。
在另一个优选的实施例中，所述下砼根的底部支承在基岩时，所述下砼根的直径与所述上钢柱的直径之比满足：d/D≤1/(3.33+2s/d)；
所述下砼根的底部未支承在基岩上时，所述下砼根的直径与所述上钢柱的直径之比满足：d/D≤1/(3.91+2s/d)；
式中，d为下砼根的直径，D为上钢柱的直径，s为最外圈下砼根的外表面与上钢柱的内表面之间的径向的间距。
在另一个优选的实施例中，所述上钢柱的底部进入海床局部冲刷线以下的深度H1满足：
H1≥3.0/(mb1/EI)^0.2；
式中，m为非岩石地基水平向抗力系数的比例系数，b1为上钢柱的计算宽度，E为上钢柱的弹性模量，I为上钢柱的截面惯性矩。
在另一个优选的实施例中，所述封底段的长度H2满足：
H2＞ρ水gH[(D-2t)^2-nd^2]/[4(D-2t+nd)c+ρ砼g((D-2t)^2-nd^2)]；
式中，ρ水为海水密度，ρ砼为混凝土密度，g为重力加速度，H为上钢柱的底面距水面的高度，D为上钢柱的直径，t为上钢柱的壁厚，n为下砼根的数量，d为下砼根的直径，c为混凝土与钢材表面的粘结力。
本发明还提供了一种利用上述结构的钢柱砼根深水基础结构的施工方法，包括以下步骤：
施沉上钢柱至设计标高；
清除上钢柱内的土层；
整体下放下砼根的钢护筒至上钢柱的底部；
浇筑封底段的水下混凝土；
逐根施工下砼根；
抽干上钢柱内的海水；
施工上钢柱内的第一承台；
施工第二承台形成单柱基础或群柱基础。
在另一个优选的实施例中，利用下放架，整体下放下砼根的钢护筒至上钢柱的底部，抽干上钢柱内的海水后，拆除并移走下放架。
与现有技术相比，本发明构造简单、受力合理，既具有优异的水平承载能力，又具有可靠的竖向承载能力，且充分发挥不同材料的力学性能优点，节省基础材料用量，降低恶劣深海环境下深水基础的建设成本，受力可靠、技术可行且经济合理，适用于水深流急、波长浪高、冲刷严重且覆盖层深厚的海洋工程深水基础，其有益效果是：
1.上钢柱为大直径空心圆形截面，水平承载能力高且水平刚度大，可有效控制波流力、上部结构风荷载及船撞力作用下基础顶面的水平位移；
2.上钢柱内部中空，有效的降低了结构自重，减小基础所需的竖向承载力，大幅缩短下砼根的长度，节约基础材料用量；
3.下砼根为小直径实心圆形截面，其比表面积大，提供桩侧摩阻力的效率高，满足相同竖向承载力时，所需桩长较短；
4.第一承台的底面高程若位于海床面以上，上钢柱内壁与第一承台连接处的剪力键则可在工厂内完成加工焊接，质量可靠，并且由于剪力键未进入海床面以下的土层，因此可以避免对上钢柱打桩和海床面以下上钢柱内土层清除造成不利影响；
5.封底段的设置为第一承台施工提供一个无水环境，降低水下施工风险，提高基础施工质量；
6.上钢柱底部进入局部冲刷以下深度H1，保证了弯矩和水平力绝大部分由上钢柱承担，下砼根只承受竖向轴力和一小部分弯矩，故上钢柱以压弯为主，下砼根以受压为主，充分发挥了钢材抗拉和混凝土耐压的材料力学性能优点；
7.上钢柱施沉至局部冲刷线以下一定深度即可，降低了打桩难度，下砼根为小直径钻孔桩，降低了钻孔设备规模，施工可靠；
8.以本发明为基桩的群柱基础，由于两相邻上钢柱的平面间距是由下砼根的直径来决定，故其间距可以小于规范规定的桩间距，从而减小了群柱基础第二承台的平面尺寸，在降低群柱基础顶面竖向荷载的同时也节省材料用量；
9.构造简单，受力合理，实施方便，施工风险小，经济性好。
附图说明
图1为本发明提供的钢柱砼根深水基础的结构立面示意图；
图2为图1中A—A断面示意图；
图3为本发明的钢柱砼根深水基础施工步骤一的示意图；
图4为本发明的钢柱砼根深水基础施工步骤二的示意图；
图5为本发明的钢柱砼根深水基础施工步骤三的示意图；
图6为本发明的钢柱砼根深水基础施工步骤四的示意图；
图7为本发明的钢柱砼根深水基础施工步骤五的示意图；
图8为本发明的钢柱砼根深水基础施工步骤六的示意图；
图9为本发明的钢柱砼根深水基础施工步骤七的示意图；
图10为本发明的钢柱砼根深水基础施工步骤八形成单柱基础的示意图。
图11为本发明的钢柱砼根深水基础施工步骤八形成群柱基础的示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种钢柱砼根深水基础结构及其施工方法，大直径的上钢柱刚度大，抵抗水平力能力强，在波流荷载、船撞力及桥梁横风荷载作用下产生的基础顶面位移较小，小直径下砼根比表面积大，提供竖向侧摩阻大。构造简单、受力合理，既具有优异的水平承载能力，又具有可靠的竖向承载能力，且充分发挥不同材料的力学性能优点，节省基础材料用量，降低恶劣深海环境下深水基础的建设成本，受力可靠、技术可行且经济合理，适用于水深流急、波长浪高、冲刷严重且覆盖层深厚的海洋工程深水基础。下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做出详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种钢柱砼根深水基础结构，包括上钢柱1和下砼根2。上钢柱1内部中空，直径为3.2m以上，上钢柱1的底部深入海床的局部冲刷线以下；下砼根2至少为3根，实心结构，直径为0.8m～2.5m，且下砼根2置于上钢柱1内，且上端通过第一承台3与上钢柱1的内壁固接，第一承台3高于海床面，上钢柱1的下端通过封底段4与下砼根2的外壁固接，封底段4由混凝土浇筑而成。
上钢柱1为大直径空心圆形截面，水平承载能力高且水平刚度大，可有效控制波流力、上部结构风荷载及船撞力作用下基础顶面的水平位移。上钢柱1内部中空，有效降低了结构自重，减小基础所需的竖向承载力，大幅缩短下砼根2的长度，节约基础材料用量。下砼根2为小直径实心圆形截面，其比表面积大，提供桩侧摩阻力的效率高，满足相同竖向承载力时，所需桩长较短。
第一承台3的底面高程若位于海床面以上，上钢柱1内壁与第一承台3连接处的剪力键则可在工厂内完成加工焊接，质量可靠，并且由于剪力键未进入海床面以下的土层，因此可以避免对上钢柱1打桩和海床面以下上钢柱1内土层清除造成不利影响。
封底段4的设置为第一承台3施工提供一个无水环境，降低水下施工风险，提高基础施工质量。
如图2所示，下砼根2以上钢柱1的截面中心为圆心环向均匀布置，且最外圈的下砼根2的外表面与上钢柱1的内表面存在径向的间距s。下砼根2环绕上钢柱1设置，受力更为均匀，结构更为合理。
其中优选的，下砼根2的底部支承在基岩时，下砼根2的直径与上钢柱1的直径之比满足：d/D≤1/(3.33+2s/d)；
下砼根2的底部未支承在基岩上时，下砼根2的直径与上钢柱1的直径之比满足：d/D≤1/(3.91+2s/d)；
式中，d为下砼根2的直径，D为上钢柱1的直径，s为最外圈下砼根2的外表面与上钢柱1的内表面之间的径向的间距。
其中优选的，上钢柱1的底部进入海床局部冲刷线以下的深度H1满足：
H1≥3.0/(mb1/EI)^0.2；
式中，m为非岩石地基水平向抗力系数的比例系数，b1为上钢柱1的计算宽度，E为上钢柱1的弹性模量，I为上钢柱1的截面惯性矩。
按照此种算法计算上钢柱1底部进入局部冲刷线的深度H1，保证了弯矩和水平力绝大部分由上钢柱1承担，下砼根2只承受竖向轴力和一小部分弯矩。故上钢柱1以压弯为主，下砼根2以受压为主，充分发挥了钢材抗拉和混凝土耐压的材料力学性能优点。上钢柱1施沉至局部冲刷线以下一定深度即可，相比现有技术降低了打桩难度，下砼根2为小直径钻孔桩，降低了钻孔设备规模，施工可靠。
其中优选的，封底段4的长度H2满足：
H2＞ρ水gH[(D-2t)^2-nd^2]/[4(D-2t+nd)c+ρ砼g((D-2t)^2-nd^2)]；
式中，ρ水为海水密度，ρ砼为混凝土密度，g为重力加速度，H为上钢柱1的底面距水面的高度，D为上钢柱1的直径，t为钢柱壁厚，n为下砼根2的数量，d为下砼根2的直径，c为混凝土与钢材表面的粘结力。
本发明还提供了一种利用上述结构的钢柱砼根深水基础结构的施工方法，包括以下步骤：
步骤一，施沉上钢柱1至设计标高(如图3)；
步骤二，清除上钢柱1内的土层(如图4)；
步骤三，利用下放架5，整体下放下砼根2的钢护筒6至上钢柱1的底部(如图5)；
步骤四，浇筑封底段4的水下混凝土(如图6)；
步骤五，逐根施工下砼根2(如图7)；
步骤六，抽干上钢柱1内的海水，拆除并移走下放架5(如图8)；
步骤七，施工上钢柱1内的第一承台3(如图9)；
步骤八，施工第二承台7形成单柱基础(如图10)或群柱基础(如图11)。
在另一个优选的实施例中，利用下放架5，整体下放下砼根2的钢护筒6至上钢柱1的底部，抽干上钢柱1内的海水后，拆除并移走下放架5。一次到位，施工方便。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.上钢柱为大直径空心圆形截面，水平承载能力高且水平刚度大，可有效控制波流力、上部结构风荷载及船撞力作用下基础顶面的水平位移。
2.上钢柱内部中空，有效降低了结构自重，减小基础所需的竖向承载力，大幅缩短下砼根的长度，节约基础材料用量。
3.下砼根为小直径实心圆形截面，其比表面积大，提供桩侧摩阻力的效率高，满足相同竖向承载力时，所需桩长较短。
4.第一承台的底面高程若位于海床面以上，上钢柱内壁与第一承台连接处的剪力键则可在工厂内完成加工焊接，质量可靠，并且由于剪力键未进入海床面以下的土层，因此可以避免对上钢柱打桩和海床面以下上钢柱内土层清除造成不利影响。
5.封底段的设置为第一承台施工提供一个无水环境，降低水下施工风险，提高基础施工质量。
6.上钢柱的底部进入局部冲刷线以下深度，保证了弯矩和水平力绝大部分由上钢柱承担，下砼根只承受竖向轴力和一小部分弯矩。故上钢柱以压弯为主，下砼根以受压为主，充分发挥了钢材抗拉和混凝土耐压的材料力学性能优点。
7.上钢柱施沉至局部冲刷线以下一定深度即可，降低了打桩难度，下砼根为小直径钻孔桩，降低了钻孔设备规模，施工可靠。
8.以本发明为基桩的群柱基础，由于两相邻上钢柱的平面间距是由下砼根的直径来决定，故其间距可以小于规范规定的桩间距，从而减小了群柱基础第二承台的平面尺寸，在降低群柱基础顶面竖向荷载的同时也节省材料用量。
9.构造简单，受力合理，实施方便，施工风险小，经济性好。
本发明并不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种钢柱砼根深水基础结构，其特征在于，包括：
上钢柱，内部中空，直径为3.2m以上，所述上钢柱的底部深入海床的局部冲刷线以下；
下砼根，至少为3根，实心结构，直径为0.8m～2.5m，且下砼根置于所述上钢柱内，且上端通过第一承台与所述上钢柱的内壁固接，所述第一承台高于海床面，所述上钢柱的下端通过封底段与下砼根的外壁固接，所述封底段由混凝土浇筑而成；
所述下砼根是以所述上钢柱的截面中心为圆心环向均匀布置，且最外圈的所述下砼根的外表面与所述上钢柱的内表面存在径向的间距s；
所述下砼根的底部支承在基岩时，所述下砼根的直径与所述上钢柱的直径之比满足：d/D≤1/(3.33+2s/d)；
所述下砼根的底部未支承在基岩上时，所述下砼根的直径与所述上钢柱的直径之比满足：d/D≤1/(3.91+2s/d)；
式中，d为下砼根的直径，D为上钢柱的直径，s为最外圈下砼根的外表面与上钢柱的内表面之间的径向的间距。
2.根据权利要求1所述的钢柱砼根深水基础结构，其特征在于，所述上钢柱的底部进入海床局部冲刷线以下的深度H1满足：
H1≥3.0/(mb1/EI)^0.2；
式中，m为非岩石地基水平向抗力系数的比例系数，b1为上钢柱的计算宽度，E为上钢柱的弹性模量，I为上钢柱的截面惯性矩。
3.根据权利要求1所述的钢柱砼根深水基础结构，其特征在于，所述封底段的长度H2满足：
H2＞ρ水gH[(D-2t)^2-nd^2]/[4(D-2t+nd)c+ρ砼g((D-2t)^2-nd^2)]；
式中，ρ水为海水密度，ρ砼为混凝土密度，g为重力加速度，H为上钢柱的底面距水面的高度，D为上钢柱的直径，t为上钢柱的壁厚，n为下砼根的数量，d为下砼根的直径，c为混凝土与钢材表面的粘结力。
4.利用权利要求1～3任意一项所述的钢柱砼根深水基础结构的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
施沉上钢柱至设计标高；
清除上钢柱内的土层；
整体下放下砼根的钢护筒至上钢柱的底部；
浇筑封底段的水下混凝土；
逐根施工下砼根；
抽干上钢柱内的海水；
施工上钢柱内的第一承台；
施工第二承台形成单柱基础或群柱基础。
5.根据权利要求4所述的施工方法，其特征在于，利用下放架，整体下放下砼根的钢护筒至上钢柱的底部，抽干上钢柱内的海水后，拆除并移走下放架。
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