專利名稱：雙環(huán)灌芯單樁基礎(chǔ)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提出了一種由內(nèi)外雙環(huán)硬質(zhì)構(gòu)件組成，并在內(nèi)外環(huán)之間部分區(qū)域灌芯連接的單樁基礎(chǔ)。該基礎(chǔ)形式可以提供較大的水平抗力和基礎(chǔ)剛度，適用于采用樁基來(lái)承受較大水平荷載或被動(dòng)土壓力的情況，適合應(yīng)用于陸上風(fēng)力發(fā)電、海上風(fēng)力發(fā)電、港口碼頭、海上石油平臺(tái)等基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，屬于相關(guān)各行業(yè)的地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
各行業(yè)的工程實(shí)際中，經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行或環(huán)境荷載使得水平荷載較大而需要工程基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)提供足夠的水平抗力和水平變形剛度，如海上風(fēng)力發(fā)電風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，由于風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)水平荷載和彎矩非常大，同時(shí)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)對(duì)基礎(chǔ)的變形和傾斜要求較高，此時(shí)多采用樁基礎(chǔ)來(lái)滿足承載力和變形剛度要求。由于單樁基礎(chǔ)與多樁基礎(chǔ)相比，樁數(shù)少，施工速度
快，占用的人力和設(shè)備租賃周期較短，因此具有較大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，國(guó)際上海上風(fēng)電場(chǎng)中65%以上的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)均采用單樁基礎(chǔ)形式。傳統(tǒng)的大直徑單樁基礎(chǔ)主要是鋼管樁，是由不同厚度的鋼板卷制而成。為了提供足夠大水平承載力或要求的基礎(chǔ)變形剛度，鋼管單樁直徑可達(dá)5 7m。當(dāng)水平荷載較大時(shí)或基礎(chǔ)變形要求較嚴(yán)格時(shí)，為了滿足相關(guān)要求往往通過(guò)加大單樁直徑或增加單樁壁厚的措施來(lái)予以實(shí)施。這種方式的弊端主要是①增加樁徑后使得打樁或壓樁的難度增加，對(duì)打樁錘的要求較高，施工難度大，而且國(guó)內(nèi)具備大直徑打樁能力的施工單位非常少，施工局限性大；②在海洋環(huán)境條件下，隨著樁徑增大，海水和海面以上部分的單樁基礎(chǔ)部位所受的海洋環(huán)境荷載(包括波浪力、冰壓力、水流力和風(fēng)荷載等)急劇增大，進(jìn)一步增加了基礎(chǔ)所承受的荷載；③單獨(dú)的依靠增加樁徑或壁厚來(lái)增加樁基的水平承載力和變形剛度，使得單樁的用鋼量急劇增加，工程經(jīng)濟(jì)性較差。鑒于傳統(tǒng)的鋼管樁單樁基礎(chǔ)的上述局限性，在滿足承載力和基礎(chǔ)剛度前提下如何有效地減小樁基直徑，降低施工難度、減小基礎(chǔ)所受的環(huán)境荷載和工程造價(jià)顯得尤為迫切。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服常規(guī)應(yīng)用的鋼管單樁基礎(chǔ)的諸多缺點(diǎn)，本發(fā)明提出了雙環(huán)灌芯單樁基礎(chǔ)形式。雙環(huán)灌芯單樁基礎(chǔ)形式在較小的樁徑大小下，通過(guò)雙環(huán)內(nèi)部灌芯的方式大大增加了樁基的抗彎剛度，可以滿足對(duì)基礎(chǔ)承載力和剛度的相關(guān)要求。當(dāng)基礎(chǔ)處于海洋或內(nèi)河環(huán)境條件下，在同樣的承載力和剛度前提下有效減小了樁徑，進(jìn)而使得基礎(chǔ)所受的環(huán)境荷載明顯減小，間接降低了基礎(chǔ)所受到的荷載大小。由于采用了較小直徑的外環(huán)和內(nèi)環(huán)，對(duì)于打樁施工設(shè)備的要求顯著降低，施工難度大大降低。由于采用了較小直徑和壁厚的內(nèi)環(huán)和外環(huán)，總體用鋼量大幅度降低，工程經(jīng)濟(jì)性較強(qiáng)。通過(guò)對(duì)單樁基礎(chǔ)的受力與變形性狀的研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)單樁承載力和剛度影響較為顯著的因素包括樁徑大小、地面或泥面附近一定深度的土體、樁身剛度等，而地基深處的樁身剛度和土性對(duì)水平承載力和基礎(chǔ)水平剛度影響較弱。采用雙環(huán)灌芯單樁基礎(chǔ)時(shí)可僅在地面或泥面附近區(qū)域設(shè)置內(nèi)環(huán)，并在內(nèi)外環(huán)之間灌注混凝土，從而增強(qiáng)該區(qū)域的樁身剛度，在同樣的工程量使用前提下可有效提高基礎(chǔ)的水平承載力和基礎(chǔ)水平剛度。對(duì)于單樁水平受力狀態(tài)下樁身受力狀態(tài)研究發(fā)現(xiàn)樁身兩側(cè)一邊承受拉力，一邊承受壓力，此時(shí)可充分發(fā)揮鋼材受拉能力較強(qiáng)，抗壓能力弱，但混凝土等材料抗壓性能好的特點(diǎn)。雙環(huán)灌芯單樁基礎(chǔ)在受拉側(cè)充分利用內(nèi)外環(huán)的鋼材受拉，受壓側(cè)充分利用灌芯部分的混凝土來(lái)承擔(dān)壓力，在同樣抗壓力前提下混凝土的造價(jià)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋼材的造價(jià)，因此體現(xiàn)出了較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)內(nèi)外環(huán)的設(shè)置還可以充當(dāng)混凝土澆注時(shí)的模板。對(duì)于構(gòu)件在海洋或水體環(huán)境中的受荷分析發(fā)現(xiàn)，構(gòu)件的直徑越小，其受到的環(huán)境荷載越小，雙環(huán)灌芯單樁基礎(chǔ)由于能有效減小樁徑大小，因此該基礎(chǔ)間接減小了作用到基礎(chǔ)上的水平荷載和彎矩，在同樣的上部荷載作用下，更容易滿足水平承載力和水平剛度的要求。本發(fā)明雙環(huán)灌芯單樁基礎(chǔ)的技術(shù)實(shí)施方案是(一 )在陸地環(huán)境條件下采用如下技術(shù)實(shí)施方案。I)當(dāng)土體較好且具備放坡空間時(shí)采用放坡開(kāi)挖方式，當(dāng)土體較差或周邊空間較小時(shí)可采用支擋開(kāi)挖方式挖至基礎(chǔ)底部，開(kāi)挖后的棄土放置到遠(yuǎn)離基礎(chǔ)的區(qū)域。2)通過(guò)吊車放置內(nèi)環(huán)和外環(huán)結(jié)構(gòu)，并設(shè)置內(nèi)外環(huán)固定裝置，固定裝置可在基礎(chǔ)底部澆注混凝土固定槽或采用連接內(nèi)環(huán)與外環(huán)的鋼桿進(jìn)行焊接連接。3)綁扎豎向和環(huán)向布置的鋼筋籠或鋼筋網(wǎng)片，并用吊車起吊下放鋼筋籠至內(nèi)環(huán)與外環(huán)之間的區(qū)域。4)鋼筋籠定位好后采用混凝土分段灌注內(nèi)環(huán)與外環(huán)之間的區(qū)域。5)在澆注基礎(chǔ)頂部區(qū)域的混凝土前，預(yù)埋好與上部結(jié)構(gòu)連接的錨桿或基礎(chǔ)環(huán)等，最后澆注頂部混凝土結(jié)構(gòu)。6)然后將之前挖除的部分土方運(yùn)回，回填到內(nèi)環(huán)之間，也可直接澆注素混凝土到內(nèi)環(huán)里面，直至填實(shí)內(nèi)環(huán)內(nèi)部區(qū)域至基礎(chǔ)頂部。7)外環(huán)外側(cè)與開(kāi)挖剩余土體之間的空間采用級(jí)配良好的砂石分層回填至密實(shí)狀態(tài)，當(dāng)回填難以達(dá)到密實(shí)度要求時(shí)，或遇到濕陷性土、膨脹土條件時(shí)，可采用注漿加固等措施對(duì)外側(cè)土體予以加固。也可以直接澆注低標(biāo)號(hào)的素混凝土。(二)在海洋或內(nèi)河等水體環(huán)境條件下采用如下技術(shù)實(shí)施方案。I)采用駁船將內(nèi)環(huán)和外環(huán)鋼管運(yùn)至基礎(chǔ)預(yù)打設(shè)位置附近，進(jìn)行樁基定位，利用打樁船分別打設(shè)內(nèi)環(huán)和外環(huán)鋼管。2)利用水沖法和循環(huán)法挖除內(nèi)環(huán)和外環(huán)鋼管之間泥面下部預(yù)定深度范圍內(nèi)的土體。3)采用混凝土攪拌樁拌制混凝土，導(dǎo)管法進(jìn)行水下混凝土澆注，直至填滿內(nèi)環(huán)和外環(huán)鋼管之間指定高度范圍內(nèi)的區(qū)域。4)將預(yù)設(shè)的過(guò)渡連接段鋼管調(diào)至樁基頂部，定位好高度后進(jìn)行灌漿連接。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有以下幾個(gè)突出點(diǎn)①內(nèi)環(huán)和外環(huán)之間灌注混凝土，使得基礎(chǔ)剛度增加，相比鋼管樁基礎(chǔ)可有效減小外環(huán)直徑，同時(shí)壁厚也可以相應(yīng)減小；②外環(huán)直徑減小使得在水體環(huán)境中基礎(chǔ)部分受到的環(huán)境荷載減小在20%左右；③內(nèi)環(huán)和外環(huán)直徑均較小，打設(shè)時(shí)動(dòng)阻力較小，施工方便；④盡管增加了部分混凝土的用量，但用鋼量減小明顯，總體工程造價(jià)較省，經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)。

圖I是本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例的開(kāi)挖施工時(shí)剖面2是本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例的施工完畢后的剖面3是本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例的施工過(guò)程中剖面4是本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例的施工完畢后剖面5是圖4中I-I剖視中各數(shù)字的含義分別為①頂板；②錨桿；③外環(huán)；④內(nèi)環(huán)；⑤縱向與環(huán)向鋼筋；⑥底板；⑦墊層開(kāi)挖面；⑨地面或泥面；⑩外環(huán)外側(cè)回填土或素混凝土；(11)灌芯混凝土；(12)地基土；(13)內(nèi)環(huán)內(nèi)側(cè)回填土或素混凝土；(14)過(guò)渡段灌漿；(15)海水或河水；
(16)波面；(17)防沖刷碎石層；(18)過(guò)渡連接段。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的實(shí)施方式結(jié)合具體實(shí)施例說(shuō)明如下。實(shí)施例一為適用于陸上環(huán)境時(shí)雙環(huán)單樁基礎(chǔ)形式，如圖I和圖2所示。I)基礎(chǔ)施工前，根據(jù)場(chǎng)地土層分布和土性，采用放坡開(kāi)挖方式，坡比I : 0.6，開(kāi)挖至基礎(chǔ)底部標(biāo)高，形成開(kāi)挖面⑧，如圖I所示，要求開(kāi)挖的棄土搬運(yùn)到遠(yuǎn)離基礎(chǔ)的位置進(jìn)行堆放；2)施工單樁底部墊層，如圖I中⑦所示，然后采用木模板支模，并綁扎好底板鋼筋，底板鋼筋中預(yù)先放置與上部鋼筋的連接鋼筋，同時(shí)在頂部放置固定槽，然后澆注混凝土，形成底板⑥；3)綁扎好單樁基礎(chǔ)的鋼筋網(wǎng)⑤，鋼筋網(wǎng)由縱向鋼筋和環(huán)向鋼筋綁扎而成，然后通過(guò)吊車將鋼筋網(wǎng)起吊并放置到底板⑥頂部，然后將鋼筋網(wǎng)底端與底板的預(yù)連接鋼筋進(jìn)行焊接，從而固定鋼筋網(wǎng)；4)通過(guò)吊車將內(nèi)環(huán)③和外環(huán)④分別吊至底板⑥頂部的固定槽中，進(jìn)行定位；5)然后分段澆注灌芯混凝土(11)，當(dāng)澆筑到雙環(huán)單樁基礎(chǔ)頂部區(qū)域時(shí)，預(yù)先放置好與上部結(jié)構(gòu)或設(shè)備連接的錨桿②，接著繼續(xù)澆注混凝土；6)進(jìn)行土體回填，采用級(jí)配良好的土料或砂石對(duì)稱分層回填，并進(jìn)行夯實(shí)達(dá)到要求的密實(shí)度，如圖2中外環(huán)外側(cè)回填土⑩所示；7)內(nèi)環(huán)內(nèi)側(cè)將前期開(kāi)挖的部分土方運(yùn)回，傾倒至內(nèi)化內(nèi)側(cè)至基礎(chǔ)頂部，回填土無(wú)密實(shí)度要求，如圖2中(13)所示；8)最后在基礎(chǔ)頂部布設(shè)頂板鋼筋，然后澆筑混凝土，形成基礎(chǔ)頂板①，整個(gè)雙環(huán)單樁基礎(chǔ)施工完畢。實(shí)施例二為適用于海上環(huán)境時(shí)雙環(huán)單樁基礎(chǔ)形式，如圖3和圖4所示。I)采用運(yùn)輸船運(yùn)輸防沖刷石料至樁位區(qū)域，采用導(dǎo)管牽引法將指定粒徑級(jí)配的砂石料堆填至樁基周邊指定范圍，泥面⑨以上碎石層堆積厚度需滿足防沖刷要求，形成防沖刷碎石層(17)；2)當(dāng)波面(16)處于低潮位時(shí)進(jìn)行打樁作業(yè)，打樁時(shí)需配備運(yùn)輸駁船和打樁船，定位好打樁位置后，將內(nèi)環(huán)鋼管④打至指定標(biāo)高，如圖3所示；3)接著將外環(huán)鋼管③打至指定標(biāo)高；
4)挖除內(nèi)環(huán)與外環(huán)之間的地基土，挖除范圍為內(nèi)環(huán)鋼管④底部至泥面⑨之間的區(qū)域，保留內(nèi)環(huán)內(nèi)部原狀地基土(12)；5)采用混凝土攪拌船將骨料、水泥和淡水運(yùn)至打樁區(qū)域，進(jìn)行混凝土拌制，采用導(dǎo)管法進(jìn)行水下混凝土澆注，澆注范圍如圖4所示；
6)為了方便雙環(huán)灌漿單樁基礎(chǔ)頂部與上部結(jié)構(gòu)或設(shè)備相連接，預(yù)先加工好過(guò)渡連接段(18)，過(guò)渡連接段(18)頂部預(yù)先焊接法蘭，將過(guò)渡連接段吊放至雙環(huán)單樁基礎(chǔ)頂部，采用灌漿(14)連接，整個(gè)基礎(chǔ)施工完畢。
權(quán)利要求
1.雙環(huán)灌芯單樁基礎(chǔ)作為一種樁基形式，其特征在于雙環(huán)由2個(gè)直徑大小不同的鋼質(zhì)環(huán)組成，鋼質(zhì)環(huán)可由各種鋼材加工而成的波紋鋼板，或不同材料型號(hào)的鋼板卷制而成的鋼桶或鋼樁組成，內(nèi)外鋼質(zhì)雙環(huán)的長(zhǎng)度可以不同，內(nèi)外雙環(huán)的壁厚和鋼材型號(hào)也可以不同。
2.雙環(huán)灌芯單樁基礎(chǔ)作為一種樁基形式，其特征在于雙環(huán)的制作或施工既可以采用大開(kāi)挖形式，然后支模架設(shè)來(lái)固定，又可以通過(guò)靜壓或錘擊等方式來(lái)壓入或打設(shè)，內(nèi)外雙環(huán)施工時(shí)順序不分先后，可以先施工外環(huán)后施工內(nèi)環(huán)，也可以先施工內(nèi)環(huán)后施工外環(huán)。
3.雙環(huán)灌芯單樁基礎(chǔ)作為一種樁基形式，其特征在于內(nèi)外雙環(huán)之間部分區(qū)域或全部區(qū)域灌注混凝土、水泥砂漿或其它連接材料，包括各種強(qiáng)度等級(jí)和級(jí)配的混凝土或各種強(qiáng)度的其它連接材料。
4.雙環(huán)灌芯單樁基礎(chǔ)作為一種樁基形式，其特征在于內(nèi)外雙環(huán)之間灌注的材料中可以放置加強(qiáng)體，加強(qiáng)體包括插入不同長(zhǎng)度、直徑、壁厚和型號(hào)的鋼管，縱向和環(huán)向布置的由鋼筋組成的鋼筋網(wǎng)或鋼筋籠。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙環(huán)灌芯單樁基礎(chǔ)，其特征還在于內(nèi)外雙環(huán)不限于由鋼板組成,也可以由其它硬質(zhì)材料組成的構(gòu)件。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙環(huán)灌芯單樁基礎(chǔ)，其特征還在于內(nèi)外環(huán)不限于環(huán)形幾何形狀，也可以由其它幾何外形組成，同時(shí)內(nèi)外環(huán)也可以由不同幾何外形交叉組合而成。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙環(huán)灌芯單樁基礎(chǔ)，其特征還在于不限于在內(nèi)外環(huán)之間灌注連接材料，內(nèi)環(huán)內(nèi)部區(qū)域可以保留原先土體或中空，也可以在內(nèi)環(huán)內(nèi)部區(qū)域灌注相關(guān)連接材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙環(huán)灌芯單樁基礎(chǔ)，其特征還在于無(wú)論是內(nèi)外環(huán)之間區(qū)域灌芯或者是內(nèi)環(huán)內(nèi)部灌芯，灌芯長(zhǎng)度或區(qū)域不局限于內(nèi)環(huán)長(zhǎng)度大小。
9.雙環(huán)灌芯單樁基礎(chǔ)作為一種樁基形式，其特征在于基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)連接時(shí)既可以在灌芯部位的頂部埋設(shè)基礎(chǔ)環(huán)來(lái)連接，又可以在該區(qū)域預(yù)埋錨桿或預(yù)應(yīng)力錨桿來(lái)連接，還可以通過(guò)在外環(huán)外側(cè)設(shè)置過(guò)渡連接段構(gòu)件通過(guò)焊接或注漿來(lái)連接。
10.雙環(huán)灌芯單樁基礎(chǔ)作為一種樁基形式，其特征在于樁身不僅可以全部位于地基土體中，也可以部分長(zhǎng)度埋在土體中，部分長(zhǎng)度位于泥面或地面以上處于懸臂狀態(tài)，單樁基礎(chǔ)懸臂部分可處于水體或大氣環(huán)境中。
全文摘要
雙環(huán)灌芯單樁基礎(chǔ)，是一種由內(nèi)外雙環(huán)硬質(zhì)構(gòu)件組成，并在內(nèi)外環(huán)之間部分區(qū)域灌芯連接的基礎(chǔ)。該基礎(chǔ)可提供較大的水平抗力和基礎(chǔ)剛度，適合于風(fēng)力發(fā)電、港口碼頭、海上平臺(tái)等基礎(chǔ)領(lǐng)域。根據(jù)水平受荷樁受力變形性狀，充分發(fā)揮鋼材和混凝土的材料特性，采用內(nèi)外直徑不同的雙環(huán)或鋼管，通過(guò)各種方式(開(kāi)挖放置、打入、壓入、震入)將內(nèi)外雙環(huán)先后沉入地基土中，然后挖除靠近地面(泥面)內(nèi)外環(huán)之間區(qū)域的地基土，并灌注混凝土等材料，必要時(shí)可插入加強(qiáng)體，從而形成雙環(huán)灌芯單樁基礎(chǔ)。該基礎(chǔ)充分利用混凝土抗壓和鋼材抗拉的特點(diǎn)，相比大直徑鋼管樁能有效減小樁基外徑和用鋼量，當(dāng)處在海洋等水體環(huán)境下基礎(chǔ)所受的環(huán)境荷載大大降低，施工難度也相應(yīng)降低。基礎(chǔ)形式可以提供較大的水平抗力和基礎(chǔ)剛度，適用于采用樁基來(lái)承受較大水平荷載或被動(dòng)土壓力的情況，適合應(yīng)用于陸上風(fēng)力發(fā)電、海上風(fēng)力發(fā)電、港口碼頭、海上石油平臺(tái)等基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。
文檔編號(hào)E02D5/34GK102733407SQ20111008395
公開(kāi)日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2011年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月1日
發(fā)明者楊敏, 王偉 申請(qǐng)人:上海同濟(jì)啟明星科技發(fā)展有限公司