适用于深水软土地区的悬索桥锚碇复合基础及其施工方法与流程

本发明属于桥梁领域，更具体地，涉及适用于深水软土地区的悬索桥锚碇复合基础及其施工方法。

背景技术：

随着国民经济的快速发展，交通建设需求猛增，国内外正在修建和准备修建的大型桥梁越来越多，且随着跨海大桥的出现，桥梁跨径越来越大。这些长、大桥梁多采用悬索桥，修建在水深、流急的大江河上或环境恶劣的海上，往往遇到水深较深、覆盖层土质较差、冲刷很大等难题，非常不利于桥梁施工，基础兴建的难度也更大。

目前既有的大直径钻孔桩基础或沉井基础，应用在水深较深、覆盖层土质较差的内河、海洋环境中，主要存在以下问题：

1)高桩承台钻孔桩基础，冲刷深度深、自由长度大，侧向刚度低，对于大跨度桥梁在水流力、波浪力、防撞力等水平力作用下，往往需要采用大规模大直径高桩承台基础，基础规模大，施工周期长，经济效益差。施工需要平台搭设、钢护筒插打、钢围堰等，临时辅助工程多，施工工序复杂。

2)整体沉井基础，整体性好，承载力大，但需钢沉井浮运、精确定位、吸泥下沉等工序，施工工序多，周期长，施工风险高，且在覆盖层土质较差情况下，沉井下沉容易发生突沉。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了适用于深水软土地区的悬索桥锚碇复合基础及其施工方法，可应用于水深较深、覆盖层土质较差的内河、海洋环境中，不仅可满足悬索桥锚碇基础结构受力，其经济性和可实施性也优于目前常用的基础形式。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了适用于深水软土地区的悬索桥锚碇复合基础，其特征在于，包括打入桩组、垫层、预制沉箱、防冲刷层、预制盖板和承台，其中，

所述打入桩组具有多根打入桩并且这些打入桩密集分布在一圆形区域内，以用于钻入软土地区内对软土地区的既有软土进行加固，并与该既有软土共同形成刚性桩复合地基；此外，每根所述打入桩的上端均外露于所述既有软土；

所述垫层设置在所述刚性桩复合地基的既有软土上，并且每根所述打入桩的上端均刺入所述垫层内；

所述预制沉箱包括一体成型的底台、第一箱体和第二箱体，所述底台搁置在所述垫层上，所述第一箱体和第二箱体均搁置在所述底台上，所述第一箱体包括第一圆筒体和第二圆筒体，所述第一圆筒体和第二圆筒体的中心线均竖直设置，第一圆筒体位于所述第二圆筒体内，所述第二箱体包括一体成型的圆台形筒体和第三圆筒体，所述圆台形筒体呈上小下大的形状，并且所述圆台形筒体和第三圆筒体的中心线均竖直设置，所述圆台形筒的上端连接在所述第二圆筒体的外壁上而下端连接所述第三圆筒体的上端，所述第三圆筒体的下端抵接在所述底台上；此外，所述第一圆筒体、第二圆筒体、圆台形筒体和第三圆筒体的中心线重合；

所述防冲刷层环绕所述第三圆筒体的外壁设置；

所述第一箱体的上部承接所述预制盖板，所述预制盖板承接所述承台。

优选地，所述第一圆筒体的内壁设置有十字肋，所述十字肋的每个侧端均与所述第一圆筒体的内壁抵接。

优选地，所述第一圆筒体和第二圆筒体之间存在间隙，并且在此间隙内中心对称布置有多根肋条，每根肋条的两侧端分别与所述第一圆筒体和第二圆筒体抵接。

优选地，所述第一圆筒体和第二圆筒体的下端均抵接在所述底台上。

优选地，所述第二圆筒体和第三圆筒体之间存在间隙，并且在此间隙内中心对称布置有多根肋条，每根肋条的两侧端分别与所述第二圆筒体和第三圆筒体抵接。

优选地，所述垫层包括反滤沙层、鹅卵石层和碎石层并且它们按从下至上的顺序布置。

优选地，所述第二圆筒上部的外侧环绕有外凸台帽，以适应上部承载结构。

按照本发明的另一个方面，还提供了所述的适用于深水软土地区的悬索桥锚碇复合基础的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)先利用挖泥船放坡开挖并整平海底基坑，然后利用打桩船将打入桩插打入软土地区的既有软土并让打入桩的上端露出既有软土；

2)在既有软土上铺设垫层；

3)在船坞内或者陆地上整体预制沉箱后下水浮运至桥址处，然后将预制沉箱注水定位下沉至设计标高。

4)利用船舶抛投预制沉箱周围的防冲刷层。

优选地，所述打入桩组为钢管桩或预制管柱。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1)本发明的预制沉箱上部的柱体具有圆弧形的型面，水流适应性好，局部冲刷深度小，柱体结构所承受的水流力及波浪力小，而且预制沉箱为中心对称结构，在预制沉箱下沉过程中易于定位，不会出现预制沉箱扭转难以纠正的问题。

2)预制沉箱下部的第二箱体的设计可增加基础的竖向和水平承载力，减小基础规模；

3)第二圆筒上部设置外凸台帽以适应上部承载结构构造，减少预制沉箱直径，降低基础规模；

4)采用在既有软土中设置打入桩对既有软土进行加固，形成刚性桩复合地基，增加既有地基土承载力，提高基础抗冲刷性能。

5)预制沉箱与打入桩之间的垫层可提高基础承载力，改善基础抗震性能，而且预制沉箱周围设置防冲刷层，可进一步提高基础抗冲刷性能。

6)本复合基础的底台、第一箱体和第二箱体由于是一体成型的，采用了整体沉箱，整体刚度大，而且侧向刚度大，抗水平力强，水平位移小，非常适合于深水软土地区修建的悬索桥锚碇基础。

7)打入桩可以利用大型打桩船施工，预制沉箱可在船坞内或者陆地上整体预制，下水浮运至桥址处，注水定位下沉至设计标高，整个过程施工效率高、安全性好，工艺流程简单，操作容易，施工质量容易控制，施工风险低。

8)与现有的桩基础相比，本复合基础刚度大、混凝土方量省、抗船撞能力强、且不需要大型的导管架等临时的施工辅助设施；与整体大型沉井相比，本复合基础不需要长时间吸泥下沉，施工周期短，施工风险小、抗冲刷性能好。

附图说明

图1是本发明的悬索桥锚锭复合基础的示意图；

图2是本发明中预制沉箱的示意图；

图3是图2中沿a-a线的剖面图；

图4是图2中沿b-b线的剖面图；

图5是图1中沿c-c线的剖面图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参照图1～图5，适用于深水软土地区的悬索桥锚碇复合基础，包括打入桩4组、垫层3、预制沉箱1、防冲刷层2、预制盖板6和承台5，其中，

所述打入桩4组具有多根打入桩4并且这些打入桩4密集分布在一圆形区域内，以用于钻入软土地区内对软土地区的既有软土进行加固，并与该既有软土共同形成刚性桩复合地基；此外，每根所述打入桩4的上端均外露于所述既有软土；

所述垫层3设置在所述刚性桩复合地基的既有软土上，并且每根所述打入桩4的上端均刺入所述垫层3内；垫层3可提高基础的抗震性能，可以优化基础的抗震性能；

所述预制沉箱1包括一体成型的底台11、第一箱体12和第二箱体13，所述底台11搁置在所述垫层3上，所述第一箱体12和第二箱体13均搁置在所述底台11上，所述第一箱体12包括第一圆筒体121和第二圆筒体122，所述第一圆筒体121和第二圆筒体122的中心线均竖直设置，第一圆筒体121位于所述第二圆筒体122内，所述第二箱体13包括一体成型的圆台形筒体131和第三圆筒体132，所述圆台形筒体131呈上小下大的形状，并且所述圆台形筒体131和第三圆筒体132的中心线均竖直设置，所述圆台形筒的上端连接在所述第二圆筒体122的外壁上而下端连接所述第三圆筒体132的上端，所述第三圆筒体132的下端抵接在所述底台11上；此外，所述第一圆筒体121、第二圆筒体122、圆台形筒体131和第三圆筒体132的中心线重合；

本发明的预制沉箱1的第一箱体12采用了圆形截面，水流适应性好，局部冲刷深度小，结构所承受的水流力及波浪力小，而且预制沉箱1为中心对称结构，在预制沉箱1下沉过程中易于定位，不会出现预制沉箱1扭转难以纠正的问题。

本发明的下部采用了圆台形筒体131，使得下部结构局部增大，而不是上下同截面，可以减少整个上部预制沉箱1的混凝土规模，减轻结构本身的重量提高结构刚度，达到增加基础的竖向和水平承载力的效果，并且能减小基础规模，节约成本。

所述防冲刷层2环绕所述第三圆筒体132的外壁设置；

所述第一箱体12的上部承接所述预制盖板6，所述预制盖板6承接所述承台5。

进一步，所述第一圆筒体121的内壁设置有十字肋14，所述十字肋14的每个侧端均与所述第一圆筒体121的内壁抵接。十字肋14可以增加结构的局部刚度和整体性。

进一步，所述第一圆筒体121和第二圆筒体122之间存在间隙，并且在此间隙内中心对称布置有多根第一肋条15，每根第一肋条15的两侧端分别与所述第一圆筒体121和第二圆筒体122抵接。设置这些第一肋条15起到增加结构的局部刚度和整体性的作用。

进一步，所述第一圆筒体121和第二圆筒体122的下端均抵接在所述底台11上。

进一步，所述第二圆筒体122和第三圆筒体132之间存在间隙，并且在此间隙内中心对称布置有多根第二肋条16，每根第二肋条16的两侧端分别与所述第二圆筒体122和第三圆筒体132抵接。这些间隙间的第二肋条16都是为了起到增加结构的局部刚度和整体性的作用。

进一步，所述垫层3包括反滤沙层、鹅卵石层和碎石层并且它们按从下至上的顺序布置。优选地，垫层3的总厚度3m，从下至上依次为50cm厚反滤沙层，2m厚直径10cm～80cm的鹅卵石层，50cm厚的碎石层，铺设范围为预制沉箱1周围外加0.1-0.2倍的预制沉箱1直径。这样设计可以提高结构的局部抗冲刷性能。

进一步，所述第二圆筒上部的外侧环绕有外凸台帽17，以适应上部承载结构。上部承载结构为悬索桥的锚碇。

可采用如下施工方法进行施工：

(1)利用大型挖泥船放坡开挖、整平海底基坑，利用打桩船插打钢管桩或预制管柱。

(2)利用船舶在打入桩4上铺设3m厚的垫层3。

(3)预制沉箱1可在船坞内或者陆地上整体预制，下水浮运至桥址处，注水定位下沉至设计标高。

(4)利用船舶抛投预制沉箱1周围防冲刷层2。

上述复合基础施工完成后，可以再施工上部承载结构。

该发明可应用于水深较深、覆盖层土质较差的内河、海洋环境中，不仅可满足悬索桥锚碇基础结构受力，其经济性和可实施性也优于目前常用的基础形式，在桥梁领域为桥梁设计者提供另一种经济合理的深水基础形式，而且本复合基础刚度大、水流适应性好、结构所承受的水流力及波浪力小、减少基础规模，降低工程投资，此外，施工效率高、安全性好，工艺流程简单，操作容易，施工质量容易控制，施工风险低。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。