CN110409488A - 一种深水基础及其施工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种深水基础及其施工方法，该深水基础包括钢壳混凝土管柱和多根钻孔桩，钢壳混凝土管柱由双壁钢壳和混凝土管壁组成，钢壳混凝土管柱下端通过混凝土实体段与多根钻孔桩连接，混凝土实体段上方设置混凝土十字隔墙。具体施工方法为：在墩位处施工钻孔桩的同时在工厂内制造双壁钢壳；利用钻孔桩的钢护筒作为导向系统整体下放双壁钢壳；双壁钢壳下放到位后，浇筑混凝土封底段，分先、后两层进行；再浇筑双壁钢壳内、外壁间的混凝土管壁；抽干钢壳混凝土管柱内的海水，割除混凝土封底段顶面以上的钢护筒，在无水状态下浇筑混凝土实体段及混凝土十字隔墙。本发明构造简单、受力明确、经济合理、施工风险可控。

Description

一种深水基础及其施工方法
技术领域
本发明涉及海洋工程技术领域，具体涉及一种深水基础及其施工方法。
背景技术
随着国民经济的高速发展，我国跨海大桥、风电工程以及石油钻井平台等大型海洋工程的建设越来越多，所面临的建设环境也越来越复杂多样。飓风、深水、急流、强涌浪、起伏不平的海床地形及裸岩地质条件等都是海洋工程深水基础向前推进的所需面临的挑战和必须克服的难题。
为了尽可能地减少在恶劣海洋环境中的水上施工工作量和作业时间，提高工程质量并缩短工期，发展出了一种大型化、整体化、工厂预制化及施工机械化的深水基础，即设置基础。但对于海床面地形起伏不平，高差较大时，设置基础施工需要进行大规模的基坑开挖。在水深流急、浪高风大的条件下进行水下爆破、清渣、整平及冲刷防护施工，难度非常大，效率非常低，且设置基础下放过程中精确定位受现场风、浪影响较大，施工风险难以把控。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种深水基础及其施工方法，可以避免在恶劣的深海环境下进行大规模的基坑开挖和地基处理，基础精确定位受风浪影响小，能够较好地适应起伏不平的海床地形，且施工风险和工期可控。
本发明所采用的技术方案如下：
一种深水基础，包括钢壳混凝土管柱、多根钢护筒、多根钻孔桩、混凝土封底段、混凝土实体段以及混凝土十字隔墙；
钢壳混凝土管柱设有双壁钢壳，双壁钢壳的外壁和内壁之间填充有混凝土管壁，双壁钢壳底端位于海床面以下，双壁钢壳顶端位于水面以上，混凝土管壁顶面高程根据基础承台底面标高确定；
多根钢护筒均位于所述钢壳混凝土管柱内腔中，钢护筒顶端高于钢壳混凝土管柱底端，钢护筒底端位于海床面以下；
多根钻孔桩是在多根钢护筒内进行钻孔、浇筑混凝土成桩的，钻孔桩底端位于基岩面以下，钻孔桩顶端与钢护筒顶端平齐，钻孔桩桩身钢筋笼超出钢护筒顶端的长度满足锚固长度要求；
混凝土封底段填充在多根钢护筒与钢壳混凝土管柱内壁之间；钢护筒顶端与混凝土封底段顶面平齐；
混凝土实体段浇筑于混凝土封底段顶面以上，用于将钻孔桩顶端与钢壳混凝土管柱下端连接成整体；
混凝土十字隔墙浇筑于混凝土实体段上方，混凝土十字隔墙与钢壳混凝土管柱内壁固结，且混凝土十字隔墙顶端与混凝土管壁顶端平齐。
在上述技术方案的基础上，钻孔桩的底端嵌入基岩的深度根据桩身抗弯锚固深度和地基竖向承载力确定，且钻孔桩顶端高于钢壳混凝土管柱底端的高度h1应满足式I：
式I中，H1为钢壳混凝土管柱(1)底端至水面的高度，D1为钢壳混凝土管柱(1)的内径，d1为钢护筒(3)的直径，n为钢护筒(3)的根数，rw为海水重度，rc为素混凝土的重度，C为单位面积上混凝土与钢材表面的粘结力。
在上述技术方案的基础上，双壁钢壳底部设有一段单壁钢管，单壁钢管内侧环向等间距焊接有一圈刃型加劲板。
在上述技术方案的基础上，双壁钢壳内壁与混凝土实体段接触的部分设有上层剪力凹槽。
在上述技术方案的基础上，双壁钢壳内壁与混凝土封底段接触的部分设有下层剪力凹槽。
在上述技术方案的基础上，双壁钢壳与钢护筒之间的混凝土封底段分先、后两层浇筑。
一种深水基础的施工方法，包括以下步骤：
施沉钢护筒，使钢护筒的顶端高于水面、底端位于海床面以下，施沉完毕，将多根钢护筒连接成整体；
将连成整体的钢护筒作为钻孔平台，进行钻孔桩施工，使钻孔桩的底端位于基岩面以下；
利用连成整体的钢护筒作为导向系统，将双壁钢壳套在钢护筒整体外部，下放双壁钢壳底端至海床面以下，并将双壁钢壳顶端与钢护筒连接牢固；
先在双壁钢壳和钢护筒之间浇筑第一层混凝土封底段，待第一层混凝土封底段将双壁钢壳和钢护筒初步固结后，再在第一层混凝土封底段顶面上浇筑第二层混凝土封底段，然后在双壁钢壳内壁和外壁之间浇筑混凝土管壁；
抽干钢壳混凝土管柱内腔及钢护筒内的水，割除第二层混凝土封底段顶面以上的钢护筒；
在第二层混凝土封底段顶面上浇筑混凝土实体段，混凝土实体段凝固后将钻孔桩顶端的钢筋与钢壳混凝土管柱连接为一体；
在混凝土实体段上方施工混凝土十字隔墙，使混凝土十字隔墙与钢壳混凝土管柱内壁固结，且混凝土十字隔墙顶端与混凝土管壁顶端平齐。
在上述技术方案的基础上，深水基础施工完毕后在混凝土管壁顶面和混凝土十字隔墙顶面以上施工基础承台。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明中，基础的上段采用超大直径的钢壳混凝土管柱，使得整个基础具有较大水平刚度和较好的抗弯承载能力，基础的下段采用钻孔桩嵌入基岩之中，使得整个基础具有较好的竖向承载能力。
2.相比设置基础，钢壳混凝土管柱的直径相对较小，管径范围内海床面高差较小，故对海床表面水下地形的适应性更强，且可以避免基坑开挖。
3.本发明中，钻孔桩的顶部通过混凝土实体段连接为一体，下部嵌入基岩之中，桩身受力基本以受压为主，充分发挥桩身混凝土抗压能力强的优势，节约基础材料用量。
4.本发明中，施工钻孔桩的同时，在工厂加工制造双壁钢壳，二者同步施工可有效缩短基础施工工期。
5.本发明中，双壁钢壳是以成桩后的钻孔桩钢护筒为导向系统整体下放，下放过程受涌浪影响较小，安全平稳，便于控制，且定位精准。
6.本发明中，双壁钢壳底部为一段单壁钢管，且钢管内侧焊接了一圈刃型加劲板，降低了双壁钢壳底部切入海床之中的阻力，使双壁钢壳下沉难度减小。
7.本发明中，下层剪力凹槽的设置使得混凝土封底段与双壁钢壳间剪力传递机制由单纯的钢板与混凝土之间的粘结力转化为凹槽踏面的压力和粘结力，传力更为可靠，同时，剪力凹槽的设置延长了海水沿钢壳混凝土管柱内壁向上的渗透路径，提高了混凝土封底段的抗渗性能。
8.本发明中，混凝土封底段分先、后两层浇筑，第一层混凝土封底段达到预定强度后，初步固结了双壁钢壳下端与钻孔桩，第二层混凝土封底段在此基础上浇筑，故该层混凝土初凝过程中受波浪、水流影响小，基本无扰动，混凝土封底段质量可靠，与钻孔桩钢护及双壁钢壳内壁粘结牢固，抗渗性能好，为混凝土实体段的无水环境施工提供可靠保障。
9.本发明中，上层剪力凹槽的设置使得钢壳混凝土管柱与混凝土实体段牢固地卡套为一体，二者之间的弯曲剪应力和轴向应力传递更为可靠。
10.本发明中，混凝土十字隔墙的设置增强了钢壳混凝土管柱与混凝土实体段的连接，使得竖向力在钢壳混凝土管柱、混凝土实体段及钻孔桩之间的传递更为直接、可靠，同时减小了钢壳混凝土管柱内腔的跨度，可以有效降低基础承台的所需厚度，节省材料用量。
11.本发明中，混凝土实体段及十字隔墙的施工均为无水环境下进行，施工质量可靠。
12.本发明提供的钢壳混凝土管桩结合深水基础构造简单，受力合理，实施方便，施工工期短，风险可控，经济性好。
附图说明
图1为本发明提供的钢壳混凝土管桩结合深水基础结构立面示意图；
图2为图1中A—A断面示意图；
图3为图1中大样“B”示意图；
图4为图3中C—C断面示意图；
图5为本发明的钢壳混凝土管桩结合深水基础施工步骤一的示意图；
图6为本发明的钢壳混凝土管桩结合深水基础施工步骤二的示意图；
图7为本发明的钢壳混凝土管桩结合深水基础施工步骤三的示意图；
图8为本发明的钢壳混凝土管桩结合深水基础施工步骤四的示意图；
图9为本发明的钢壳混凝土管桩结合深水基础施工步骤五的示意图；
图10为本发明的钢壳混凝土管桩结合深水基础施工步骤六的示意图；
图11为本发明的钢壳混凝土管桩结合深水基础施工步骤七的示意图。
其中，1：钢壳混凝土管柱；1a：双壁钢壳；1a1：单壁钢管；1a1-1：刃型加劲板；1a2：下层剪力凹槽；1a3：上层剪力凹槽；1b：混凝土管壁；2：钻孔桩；3：钢护筒；4：混凝土实体段；5：混凝土十字隔墙；6：混凝土封底段；6a：第一层混凝土封底段；6b：第二层混凝土封底段；7：基础承台。
具体实施方式
下面结合附图和较佳实施例，对依据本发明提出的一种钢壳混凝土管桩结合深水基础及其施工方法作进一步详细描述。
如图1～图4所示，本发明提供了的深水基础，其包括：钢壳混凝土管柱1、多根钻孔桩2、多根钢护筒3、混凝土实体段4，混凝土十字隔墙5和混凝土封底段6；
钢壳混凝土管柱1设有双壁钢壳1a，双壁钢壳1a的外壁和内壁之间填充有混凝土管壁1b，双壁钢壳1a底端位于海床面以下，双壁钢壳1a顶端位于水面以上，混凝土管壁1b顶面高程根据基础承台底面标高确定；
多根钢护筒3均位于钢壳混凝土管柱1内腔中，钢护筒3顶端高于钢壳混凝土管柱1底端，钢护筒3底端位于海床面以下；
多根钻孔桩2是在多根钢护筒3内进行钻孔、浇筑混凝土成桩的，钻孔桩2底端位于基岩面以下，钻孔桩2顶端与钢护筒3顶端平齐，钻孔桩2桩身钢筋笼超出钢护筒3顶端的长度满足锚固长度要求；
混凝土封底段6填充在多根钢护筒3与钢壳混凝土管柱1内壁之间；钢护筒3顶端与混凝土封底段6顶面平齐；
混凝土实体段4浇筑于混凝土封底段6顶面以上，用于将钻孔桩2顶端与钢壳混凝土管柱1下端连接成整体；
混凝土十字隔墙5浇筑于混凝土实体段4上方，与钢壳混凝土管柱1内壁固结，且混凝土十字隔墙5顶端与混凝土管壁1b顶端平齐。
钻孔桩2底端嵌入基岩的深度根据桩身抗弯锚固深度和地基竖向承载力确定，顶端高于钢壳混凝土管柱1底端的高度h1应满足式I:
式I中，H1为钢壳混凝土管柱1底端至水面的高度，D1为钢壳混凝土管柱1内径，d1为钢护筒3的直径，n为钻孔桩2和钢护筒3的根数，rw为海水重度，rc为素混凝土的重度，C为单位面积上混凝土与钢材表面的粘结力。
双壁钢壳1a底部设有一段单壁钢管1a1，单壁钢管1a1内侧环向等间距焊接有一圈刃型加劲板1a1-1。
双壁钢壳1a内壁与混凝土实体段4接触的部分设有上层剪力凹槽1a3。
双壁钢壳1a内壁与混凝土封底段6接触的部分设有下层剪力凹槽1a2。
双壁钢壳1a与钢护筒3之间的混凝土封底段6分先、后两层浇筑。
如图5-11所示，本发明提拱的深水基础的施工方法主要包括以下步骤：
步骤一：施沉钻孔桩2的多根钢护筒3，使钢护筒3的顶端高于水面、底端位于海床面以下，施沉完毕，采用钢管或型钢将钢护筒3连接成整体，与此同时，在工厂内加工制造双壁钢壳1a；
步骤二：将连成整体的钢护筒3作为钻孔平台，在钢护筒3内钻孔至基岩面以下，然后在孔内浇筑混凝土形成钻孔桩2；
步骤三：将制造完成的双壁钢壳1a运输至墩位，将双壁钢壳1a套在钢护筒3整体外部，利用连成整体的钢护筒3为导向系统，整体下放双壁钢壳1a底端至海床面以下，并采用钢管或型钢将双壁钢壳1a顶端与钢护筒3焊接牢固；
步骤四：先在双壁钢壳1a和钢护筒3之间浇筑第一层混凝土封底段6a，待第一层混凝土封底段6a将双壁钢壳1a和钢护筒3初步固结后，再在第一层混凝土封底段6a上方浇筑第二层混凝土封底段6b，第二层混凝土封底段6b顶面与钻孔桩2平齐，待第二层混凝土封底段6b达到设计强度后，再在双壁钢壳1a内壁和外壁之间浇筑混凝土管壁1b；
步骤五：抽干钢壳混凝土管柱1内腔及钢护筒3内的水，割除第二层混凝土封底段6b顶面以上的钢护筒3；
步骤六：在第二层混凝土封底段6b顶面上浇筑混凝土实体段4，待混凝土实体段4凝固到预定强度后将钻孔桩2顶部的钢筋与双壁钢壳1a内壁连为一体，然后在混凝土实体段4顶部施工混凝土十字隔墙(5)，使混凝土十字隔墙5顶端与混凝土管壁1b顶端平齐。
步骤七：待深水基础施工完毕后，在混凝土管壁1b顶面和混凝土十字隔墙5顶面以上施工基础承台7。
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 (8)

1.一种深水基础，其特征在于，包括：
钢壳混凝土管柱(1)，所述钢壳混凝土管柱(1)设有双壁钢壳(1a)，所述双壁钢壳(1a)的外壁和内壁之间填充有混凝土管壁(1b)，所述双壁钢壳(1a)底端位于海床面以下，所述双壁钢壳(1a)顶端位于水面以上，所述混凝土管壁(1b)顶面高程根据基础承台底面标高确定；
多根钢护筒(3)，所述多根钢护筒(3)均位于所述钢壳混凝土管柱(1)内腔中，所述钢护筒(3)顶端高于所述钢壳混凝土管柱(1)底端，所述钢护筒(3)底端位于海床面以下；
多根钻孔桩(2)，所述钻孔桩(2)是在所述钢护筒(3)内进行钻孔、浇筑混凝土成桩的，所述钻孔桩(2)底端位于基岩面以下，所述钻孔桩(2)顶端与钢护筒(3)顶端平齐，所述钻孔桩(2)桩身钢筋笼超出钢护筒(3)顶端的长度满足锚固长度要求；
混凝土封底段(6)，所述混凝土封底段(6)填充在多根钢护筒(3)与钢壳混凝土管柱(1)内壁之间；所述钢护筒(3)顶端与所述混凝土封底段(6)顶面平齐；
混凝土实体段(4)，所述混凝土实体段(4)浇筑于混凝土封底段(6)顶面以上，用于将钻孔桩(2)顶端与钢壳混凝土管柱(1)下端连接成整体；
混凝土十字隔墙(5)，所述混凝土十字隔墙(5)浇筑于混凝土实体段(4)上方，所述混凝土十字隔墙(5)与所述钢壳混凝土管柱(1)内壁固结，且所述混凝土十字隔墙(5)顶端与所述混凝土管壁(1b)顶端平齐。
2.根据权利要求1所述的深水基础，其特征在于：所述钻孔桩(2)的底端嵌入基岩的深度根据桩身抗弯锚固深度和地基竖向承载力确定，且所述钻孔桩(2)顶端高于所述的钢壳混凝土管柱(1)底端的高度h1应满足式I：
式I中，H1为钢壳混凝土管柱(1)底端至水面的高度，D1为钢壳混凝土管柱(1)的内径，d1为钢护筒(3)的直径，n为钢护筒(3)的根数，rw为海水重度，rc为素混凝土的重度，C为单位面积上混凝土与钢材表面的粘结力。
3.根据权利要求1所述的深水基础，其特征在于：所述双壁钢壳(1a)底部设有一段单壁钢管(1a1)，所述单壁钢管(1a1)内侧环向等间距焊接有一圈刃型加劲板(1a1-1)。
4.根据权利要求1所述的深水基础，其特征在于：所述双壁钢壳(1a)内壁与混凝土实体段(4)接触的部分设有上层剪力凹槽(1a3)。
5.根据权利要求1所述的深水基础，其特征在于：所述双壁钢壳(1a)内壁与混凝土封底段(6)接触的部分设有下层剪力凹槽(1a2)。
6.根据权利要求1所述的深水基础，其特征在于：所述双壁钢壳(1a)与所述钢护筒(3)之间的混凝土封底段(6)分先、后两层浇筑。
7.一种深水基础的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
施沉钢护筒(3)，使钢护筒(3)的顶端高于水面、底端位于海床面以下，施沉完毕，将多根钢护筒(3)连接成整体；
将连成整体的钢护筒(3)作为钻孔平台，进行钻孔桩(2)施工，使钻孔桩(2)的底端位于基岩面以下；
利用连成整体的钢护筒(3)作为导向系统，将双壁钢壳(1a)套在钢护筒(3)整体外部，下放双壁钢壳(1a)底端至海床面以下，并将双壁钢壳(1a)顶端与钢护筒(3)连接牢固；
先在双壁钢壳(1a)和钢护筒(3)之间浇筑第一层混凝土封底段(6a)，待第一层混凝土封底段(6a)将双壁钢壳(1a)和钢护筒(3)初步固结后，再在第一层混凝土封底段(6a)顶面上浇筑第二层混凝土封底段(6b)，然后在双壁钢壳(1a)内壁和外壁之间浇筑混凝土管壁(1b)；
抽干钢壳混凝土管柱(1)内腔及钢护筒(3)内的水，割除第二层混凝土封底段(6b)顶面以上的钢护筒(3)；
在第二层混凝土封底段(6b)顶面上浇筑混凝土实体段(4)，混凝土实体段(4)凝固后将钻孔桩(2)顶端的钢筋与钢壳混凝土管柱(1)连接为一体。
在混凝土实体段(4)上方施工混凝土十字隔墙(5)，使混凝土十字隔墙(5)与钢壳混凝土管柱(1)内壁固结，且混凝土十字隔墙(5)顶端与混凝土管壁(1b)顶端平齐。
8.根据权利要求7所述的施工方法，其特征在于：所述深水基础施工完毕后在混凝土管壁(1b)顶面和混凝土十字隔墙(5)顶面以上施工基础承台。
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