一种水下礁灰岩桩基压载扩大端附件结构及施工方法

技术领域

本发明涉及海洋土木工程领域，具体涉及一种水下礁灰岩桩基压载扩大端附件结构及施工方法。

背景技术

在礁灰岩上采用传统方法沉桩存在以下缺陷：

1)珊瑚礁灰岩孔隙率大，结构极易发生脆性破坏，钢管桩在珊瑚礁灰岩成桩穿透力强且贯入度大，沉桩深度难以控制，沉桩规律难以把握。2)在珊瑚礁灰岩上沉桩，往往会因桩基础承载力不足而采用后处理方法，较为常见的后处理方法是后压浆法以提高桩侧摩阻力和桩端阻力。然而注浆过程中存在着大量的缺点：注浆压力、注浆量、浆液浓度和注浆节奏难以把握。3)礁灰岩地层钢管桩侧摩阻力非常有限，地层分布深度以及胶结程度越高，侧摩阻力越大，因而侧摩阻力很依赖钢管桩的入土深度和礁灰岩的种类，通常，实际工程中往往需要打入几十米甚至上百米的钢管桩才能保证桩基础的承载力，从而容易导致因桩长过长引起的工程成本增加。珊瑚礁灰岩地质风化程度不均，软硬交互出现，桩端阻力难以把握，且极限荷载作用下存在桩身刺入破坏的风险。4)海洋桩基同时面临着水浪动荷载，倾覆力矩，整体稳定性差的特点。

针对上述不足，亟需一种桩基优化手段以提高在礁灰岩上沉桩力学特性和经济效益。

发明内容

针对现有后压浆法诸多缺点，旨在提供一种水下礁灰岩桩基压载扩大端附件结构，结构简单，施工效率高，无返浆，具有一定装配化。

针对珊瑚礁灰岩物理性质、桩基承载特性复杂，旨在提供一种水下礁灰岩桩基压载扩大端附件结构，控制桩基入土深度，节约钢材，提高桩基础承载力。

针对水浪、风动荷载频繁，沉桩稳定性难以保证，倾覆力矩存在，在提供一种水下礁灰岩桩基压载扩大端附件结构，解决以上不足。

为解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案实现：

一种水下礁灰岩桩基压载扩大端附件结构，包括钢管桩和套装于所述钢管桩上的扩展附件，所述钢管桩外壁上固定有支撑件，所述扩展附件包括环状的附件基础、和固定于所述附件基础内侧壁上的受力台，所述受力台与所述附件基础内侧壁之间设置有空口；所述支撑件被设置为：所述支撑件旋转后与所述受力台重叠时、所述支撑件与所述受力台之间在所述钢管桩长度方向上形成限位配合关系，所述支撑件旋转后与所述空口重叠时、所述支撑件能够沿所述钢管桩长度方向在所述空口内穿梭；所述受力台顶面与所述附件基础顶面之间具有间距；所述支撑件被设置为：所述支撑件嵌入所述间距内时，所述支撑件与所述附件基础之间在所述钢管桩径向上形成限位配合关系。

优选地，所述扩展附件底面设置有用于插入礁灰岩中的尖角。

进一步优选地，所述尖角包括与水平夹角呈45-60°的大角度尖角、和与水平夹角小于45°的小角度尖角，所述大角度尖角分别设置于所述附件基础底面外边缘和所述受力台底面内边缘，所述小角度尖角设置于所述附件基础外边缘和所述受力台内边缘之间的扩展附件底面上。

优选地，多个所述支撑件沿圆周方向均匀固定于所述钢管桩外壁上，多个所述受力台沿圆周方向均匀固定于所述附件基础内侧壁上，所述支撑件与所述受力台一一对应设置。

优选地，所述支撑件和所述受力台的平面均呈扇形形状，所述支撑件嵌入所述间距内时，所述支撑件的外圆弧面与所述附件基础内侧壁紧密贴合；所述支撑件的平面宽度小于所述受力台的平面宽度。

优选地，所述礁灰岩在与所述钢管桩的桩身范围和桩端范围内均设置有碎石。

进一步优选地，所述碎石选用公称粒径范围为5-10mm、含泥量控制在0.5％以内、泥块含量为0、孔隙率控制在43％以内的特细碎石，或者所述碎石选用同等粒径级配的特细卵石。

一种水下礁灰岩桩基压载扩大端附件结构的施工方法，包括如下步骤：

S1：计算、设计钢管桩的入岩深度；

S2：预制钢管桩及桩身上的支撑件、预制扩展附件；

S3：将钢管桩插入设计深度时，自钢管桩上部向下套入扩展附件，待空口通过支撑件后，再旋转放置于支撑件下；

S4：继续插入钢管桩，直至支撑件坐落压实在受力台上，使得扩展附件底面的尖角插入礁灰岩中。

优选地，步骤S3中，在套入扩展附件之前，从钢管桩的桩端自下而上吹填碎石至地基顶部，并在地基顶部压实碎石。

优选地，全风化珊瑚礁灰岩作为持力层偏软时，将扩展附件尺寸设计为宽而薄；强风化珊瑚礁灰岩作为持力层偏硬时，将扩展附件尺寸设计为窄而厚。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

本发明的一种水下礁灰岩桩基压载扩大端附件结构，其结构简单，抗水浪动荷载和抗倾覆力矩能力强，整体稳定性好；扩展附件弥补了礁灰岩桩基桩端承载力的不足，上部荷载通过扩展附件有效的挤密扩展附件以下的地基进而增大了桩基与地基之间的侧摩阻力，侧摩阻力和端阻力随后期堆载增大而发挥更好，有效的缩短了钢管桩的入岩深度，极大程度上节约了钢管桩的耗材，桩体沉降得到更好的控制。扩展附件作为一个整体，便于结构失效后的回收再利用。本发明应用广泛，主旨是应用在海洋礁灰岩地基基础之上，亦可应用于海上风力发电机的单桩结构、地基承载力不足的陆地桩基工程，具有着施工过程少、速度快、装配化、桩基承载力高、良好的经济效益等优点。

该水下礁灰岩桩基碎石物理压实处置技术利用物理吹填、压实碎石的方法代替传统的注浆地基，保护礁灰岩地基、海水不受化学物质污染，克服了注浆地基“返浆”这一弊端。经过模拟试验证明，吹填碎石有效的提高了桩总承载力，包括桩侧阻力和桩端阻力，进而减少桩的入土深度，节约钢材。

附图说明

图1本发明实施例1涉及的桩基压载扩大端附件的结构示意图。

图2本发明实施例1涉及的桩基压载扩大端附件的俯视图。

图3本发明实施例1涉及的桩基压载扩大端附件的仰视图。

图4本发明实施例1涉及的桩基压载扩大端附件的剖面图。

图5本发明实施例1涉及的钢管桩的立面图。

图6本发明实施例1涉及的钢管桩的平面图。

图7本发明实施例1涉及的扩展附件的结构示意图。

图8本发明实施例1涉及的扩展附件的结构示意图。

图9本发明实施例1涉及的扩展附件的断面图。

图10本发明实施例1与实例2涉及的桩基压载扩大端附件的立面图。

图11本发明实施例1涉及的桩基压载扩大端附件沉入地基的立面图。

图12本发明实施例1涉及的桩基压载扩大端附件施工流程S4时的结构示意图。

图13本发明实施例1涉及的桩基压载扩大端附件的受力图。

图14本发明实施例1涉及的桩基压载扩大端附件的各部位承载力曲线图。

图15本发明实施例1涉及的桩基压载扩大端附件的FLAC模型剖面图。

图16本发明实施例3涉及的桩基碎石物理压实处置的剖面图。

图17本发明实施例1、3涉及的有无扩展附件、有无吹填碎石桩基承载力对比图。

图中：1、钢管桩；11、支撑件；2、扩展附件；21、附件基础；22、受力台；23、间距；24、空口；25、尖角；251、大角度尖角；252、小角度尖角；3、地基；4、应力影响区域；5、碎石。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合附图1-17对本发明的实施例作进一步详细说明。

实施例一：

根据现有的技术不足，本发明旨在提供一种水下礁灰岩桩基压载扩大端附件结构，本发明提供如图1-12所示的一种水下礁灰岩桩基压载扩大端附件结构，针对珊瑚礁灰岩上桩基承载特性、动荷载频繁、后处理技术不足，提出一种施工步骤少、结构简单、应用效率高、预制化、承载特性好的礁灰岩桩基压载扩大端附件，更加高效的为礁灰岩上打桩提供帮助。

扩展附件2作为一个整体，便于结构失效后的回收再利用。扩展附件2是应用在海洋礁灰岩地基3基础之上，亦可应用于海上风力发电机的单桩结构、地基3承载力不足的陆地桩基工程，具有着施工过程少、速度快、装配化、桩基承载力高、良好的经济效益等优点。

如图1-12所示，一种水下礁灰岩桩基压载扩大端附件结构，包括钢管桩1和套装于钢管桩1上的扩展附件2，钢管桩1外壁上固定有支撑件11，扩展附件2包括环状的附件基础21、和固定于附件基础21内侧壁上的受力台22，受力台22与附件基础21内侧壁之间设置有空口24；支撑件11被设置为：支撑件11旋转后与受力台22重叠时、支撑件11与受力台22之间在钢管桩1长度方向上形成限位配合关系，支撑件11旋转后与空口24重叠时、支撑件11能够沿钢管桩1长度方向在空口24内穿梭。受力台22顶面与附件基础21顶面之间具有间距23；支撑件11被设置为：支撑件11嵌入间距23内时，支撑件11与附件基础21之间在钢管桩1径向上形成限位配合关系。

由上述结构设计可知，钢管桩1和扩展附件2共同承担波浪荷载、倾覆力矩、上部结构荷载，扩展附件2有效的控制钢管桩1后期的沉降。

具体的，支撑件11压设于受力台22顶面时，受力台22上部承受支撑件11以及支撑件11传递下来的荷载，由于支撑件11与受力台22在竖直方向上形成限位配合、支撑件11与附件基础21在水平方向上形成限位配合，使得钢管桩1与扩展附件2之间的装配更紧密，同时扩展附件2的设置增加了与礁灰岩的接触面积，扩展附件2弥补了礁灰岩桩基桩端承载力的不足，上部荷载通过扩展附件2有效的挤密扩展附件2以下的地基3进而增大了桩基与地基3之间的侧摩阻力，侧摩阻力和端阻力随后期堆载增大而发挥更好，有效的缩短了钢管桩1的入岩深度，极大程度上节约了钢管桩1的耗材，桩体沉降得到更好的控制，该水下礁灰岩桩基压载扩大端附件结构结构简单，抗水浪动荷载和抗倾覆力矩能力强，整体稳定性好。

如图4、8和9所示，扩展附件2底面设置有用于插入礁灰岩中的尖角25。尖角25包括与水平夹角呈45-60°的大角度尖角251、和与水平夹角小于45°的小角度尖角252，大角度尖角251分别设置于附件基础21底面外边缘和受力台22底面内边缘，小角度尖角252设置于附件基础21外边缘和受力台22内边缘之间的扩展附件2底面上。

由上述结构设计可知，因礁灰岩易脆性，扩展附件只需在竖向荷载和尖角的加持下，插入、固定到地基之中。其中大角度尖角251旨在轻松插入礁灰岩中，小角度尖角252旨在与礁灰岩地基3接触紧密，尖角25在扩展附件2的自重下，能轻易的插入礁灰岩当中，使扩展附件2与礁灰岩地基3接触紧密，使得扩展附件更具有抓地力，不易在水浪或其他因素干扰下与地基产生相对位移。

如图6和7所示，多个支撑件11沿圆周方向均匀固定于钢管桩1外壁上，多个受力台22沿圆周方向均匀固定于附件基础21内侧壁上，支撑件11与受力台22一一对应设置。

由上述结构设计可知，分别均匀设置多个支撑件11和受力台22，可以使得上部载荷通过支撑件11和受力台22均匀地传递至附件基础21和地基3上，避免由于受力不均而导致的易倾覆问题。

如图2和3所示，支撑件11和受力台22的平面均呈扇形形状，支撑件11嵌入所述间距23内时，支撑件11的外圆弧面与附件基础21内侧壁紧密贴合；支撑件11的平面宽度小于受力台22的平面宽度。

由上述结构设计可知，扇形支撑件11的外圆弧面可以与附件基础21内侧壁紧密叠合，更利于传导水平载荷，同时还可以增加支撑件11与附件基础21之间的摩擦阻力，用以抵抗桩身在海底土中由浮力所产生的向上方向的上拔力；当水平荷载(微小的、随机的动荷载)作用在地基以上的桩基时，所产生的(微小的)弯矩通过支撑件传递给扩展附件；再由扩展附件传递给地基；因为扩展附件下部的尖角存在，使得扩展附件更有“抓地力”，更易将水平荷载传递到地基之上。支撑件11的平面宽度小于受力台22的平面宽度，可以增加支撑件11在受力台22上的活动范围，避免由于钢管桩1或扩展附件2意外旋转而导致支撑件11与受力台22错开的情况发生。

如图2和3所示，扩展附件2采用一体成型设置方式，其材质为钢筋混凝土或钢材；扩展附件2的平面呈圆形形状。

由上述结构设计可知，一体成型的扩展附件2的结构强度和稳定性更好，平面呈圆形形状的扩展附件2，可以更好地抵消海水的剧烈冲刷作用。

桩基压载扩大端附件的受力机理大致为：上部荷载Q全部传递至钢管桩1后分化为三部分力传导，经支撑件11将一部分上部荷载Q传递至扩展附件2进而传递给扩展附件2下部礁灰岩，称为基底压力(即扩展附件的端阻力)；一部分上部荷载Q通过桩身传递至桩端(即桩基的端阻力)；一部分上部荷载Q传递给桩土之间的摩擦力(即桩身的侧阻力)。基底压力挤密桩周土进而提高侧摩阻力。受力图见图13。

桩基及扩展附件2竖向承载力组成为：

Q＝Q端+Q侧+Q附端

基于上述结构设计，本发明提供一种水下礁灰岩桩基压载扩大端附件结构的施工方法，包括如下步骤：

S1：计算、设计钢管桩1的入岩深度；

S2：预制钢管桩1及桩身上的支撑件11、预制扩展附件2；

S3：将钢管桩1插入设计深度时，自钢管桩1上部向下套入扩展附件2，待空口24通过支撑件11后，再旋转放置于支撑件11下，如图12所示；

S4：继续插入钢管桩1，直至支撑件11坐落压实在受力台22上，使得扩展附件2底面的尖角25插入礁灰岩中。

传统方法先入桶再沉桩，极易在沉桩过程中，造成桩倾斜、位置偏移等情况进而扰动桶体，后期纠偏不仅要纠偏桩体还要纠偏桶体，因此，在入桶后，要想控制打桩不扰动桶体，难度较高。本发明先成桩，再入桶，在成桩基本结束后(后期要微小向下位移，才能使桩和扩展附件更好的共同作用于地基之上)将扩展附件沿桩身自上而下放置于地基之上，再旋转。这个过程，只需要控制扩展附件的垂直下降和旋转，操作相对容易，纠偏困难度相对也小了。

如图15所示，为了验证桩基压载扩大端附件对桩基承载力的提升，将本发明与无桩基压载扩大端附件的桩基承载力进行模拟试验对比，如图17所示，在相同的地质条件和沉桩工况下，采用本发明桩基压载扩大端附件对提升桩基承载力的效果极其显著，并且随着入土深度的提升，本发明桩基承载力随之提升，因此，本发明应用于超长入土深度的桩基优势极为明显，且大大的节约了钢材消耗。

桩基压载扩大端附件的各部位承载力如图14所示，发现扩展附件2对提升桩侧阻力非常明显。

实施例二

本实施例二与实施例一中不同的是：实施例一是设计应用于礁灰岩作为持力层地基3相对较弱的全风化珊瑚礁灰岩，扩展附件2与地基3接触面积需要加大，因此设计尺寸为“宽而薄”，如图10a；实施例二是设计应用于礁灰岩作为持力层地基3相对较强的强风化珊瑚礁灰岩，扩展附件2与地基3接触面积相较于实施例一较小，因此设计尺寸为“窄而厚”如图10b；在较弱的全风化珊瑚礁灰岩上，薄可以减少扩展附件2的自重，在较强的强风化珊瑚礁灰岩上，厚可以增加扩展附件2的自重，提高自身稳定性。

其中，海洋桩基的直径范围，小的直径1-2米，大的直径也可达5-7米，具体的，在小直径桩时，扩展附件的宽度可以略小一点(2.5-4倍桩直径)；对群桩基础时，因考虑到桩与桩之间的间距和桩的有效影响范围，此时扩展附件的直径也可以设置小一点；当地基处于强风化珊瑚礁灰岩作为持力层时(地基较好)，扩展附件宽度亦可设小点。厚：是因为须有足够的厚度，抵抗弯矩和作用在扩展附件上的剪力。当桩径较大的群桩、全风化珊瑚礁灰岩作为持力层(地基偏软)、直径较大的单桩结构(风力发电机)时，一方面适配于大直径桩，一方面加大扩展附件端阻力节约桩体材料，另一方面增加大扩展附件平面面积以至不插入(刺入)地基当中，直径一般为桩体直径的5-6倍，此处的薄，是相对于宽度、相对于小直径桩的扩展附件而言，成为薄。

实施例三

统计已见的工程现场的珊瑚礁砂土级配，发现礁灰岩的粗骨料粒径范围为10-30mm，珊瑚粗骨料不规则粒型组配偏高，且珊瑚礁灰岩的孔隙率大，使得向礁灰岩地基吹填碎石压实成为可能。

本实施例二与实施例一中不同的是：如图16所示，礁灰岩在与钢管桩1的桩身范围和桩端范围内均设置有碎石5。其中，，碎石选用公称粒径范围为5-10mm、含泥量控制在0.5％以内、泥块含量为0、孔隙率控制在43％以内的特细碎石，或者碎石选用同等粒径级配的特细卵石。选用特细碎石或者特细卵石主要是因为这种类型的碎石或卵石粒径相对转小，适配礁灰岩的空隙大小，容易吹进破碎的礁灰岩中。碎石还可以抵抗桩身在海底土中由浮力所产生的向上方向的上拔力。

一种水下礁灰岩桩基压载扩大端附件结构的施工方法，包括如下步骤：

S1：计算、设计钢管桩1的入岩深度；

S2：预制钢管桩1及桩身上的支撑件11、预制扩展附件2；

S3：将钢管桩1插入设计深度时，从钢管桩1的桩端自下而上吹填碎石5至地基3顶部，并在地基顶部压实碎石，然后再自钢管桩1上部向下套入扩展附件2，待空口24通过支撑件11后，再旋转放置于支撑件11下；

S4：继续插入钢管桩1，直至支撑件11坐落压实在受力台22上，使得扩展附件2底面的尖角25插入礁灰岩中。

其中，碎石的压实方法可用传统的强夯与振冲法。用于碎石的吹填装置使用专利“吹砟联合聚合物固化道床维护装置”所述的吹填装置，吹填装置沿桩身左右前后各布置一个，利用高速气流将碎石吹入桩身和桩端。

为了验证实施例三的效果，利用FLAC软件进行沉桩模拟，与无碎石填充无扩展附件的工况对比，如图17所示，实施例三工况对桩基承载力有提升，吹填碎石与扩展附件配合使用，效果最为明显，提升桩基承载力达到最大程度。

为了验证水下礁灰岩桩基碎石物理压实处置技术对桩基承载力的提升，将本发明与无吹填碎石、无扩展附件的工况对比，如图17所示，在相同的地质条件和沉桩工况下，采用本发明吹填碎石压实处置技术对桩基承载力有提升，吹填碎石与扩展附件配合使用，效果最为明显，提升桩基承载力达到最大程度。特别是在对沉桩入土深度不大的工况下，水下礁灰岩桩基碎石物理压实处置技术效果发挥更好。因此，本发明应用于入土深度不大的桩基优势极为明显，且很大程度上节约了钢材消耗。

以上仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所发明的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。