利用桩周钢-碎砂石筒结构提升桩基水平承载力的方法与流程

本发明涉及一种利用桩周附加钢-碎砂石筒体结构从而提升桩基水平承载力的方法，运用领域为桩基承载领域。

背景技术：

近年来，随着近海结构物的不断兴建，海上风电固定式基础类型逐渐增多，主要有单桩基础、高桩承台基础、导管架基础、重力式基础和复合筒基础，桩身出露地表较多的单桩结构由于形式简单最为常用。为承受基础上部的风电结构自重等竖向荷载，此类单桩基础往往高达几十米以上，其通常直径较大且为钢桩，桩体入土较深，竖向承载力通常易满足要求。

由于海上风电结构基础在使用过程中常常受到波浪或风荷载作用，刚性短桩在极限荷载作用下桩身发生转动，需要承受较大的水平荷载和倾覆力矩，这就要求单桩基础应具有足够大的水平承载能力才能保证上部风机的安全运行。目前我国近海区域较大部分是淤泥、粉质黏土等软弱地基，无法满足受荷较大时的地基承载力和基础变形要求，单桩结构易出现较大的水平位移及桩身转角。此时，单桩基础往往需要增大其直径或者将桩打至持力能力较好的土层以抵抗较大水平荷载作用。但如果过度增大单桩基础尺寸，不仅增加了材料用量，影响造价，并且在基础安装时也会受到施工设备的限制，在具体施工上也存在一定困难。

技术实现要素：

针对我国近海软土地质条件差及普通单桩基础无法较好承受水平荷载的弊端，本发明拟设计提出一种在单桩与地表相接处增设一钢-碎砂石筒体结构的方法与施工技术。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种利用桩周钢-碎砂石筒结构提升桩基水平承载力的方法，其步骤如下：

s1：将预制的钢筒构件运至预定的单桩基础打桩位置，所述钢筒构件为一个具有中空内腔的钢制筒状壳体，其顶盖和底板分别开设有同轴的顶部预留孔和底部预留孔，且顶部预留孔和底部预留孔的孔径均大于单桩基础的外径；所述顶盖上还设有用于向中空内腔内填充碎砂石材料的填筑孔；

s2：将单桩基础初步打入预定桩位处的软弱地基中，然后将钢筒构件通过顶部预留孔和底部预留孔穿入单桩基础顶部，并借助单桩基础的导向作用穿过桩身缓慢沉放，直至底板到达软弱地基顶面处，沉放完成；

s3：待钢制筒状壳体沉放完成后，通过顶盖上预留的填筑孔往钢制筒状壳体的中空内腔中填充碎砂石材料，待碎砂石材料材料填筑密实后，形成环绕单桩基础的钢-碎砂石筒体结构；

s4：在单桩基础的桩身一侧施加水平作用力，使桩身受到水平力作用绕着底部桩端发生倾斜摆动，通过桩身倾斜产生的位移使桩侧地基土体受到压缩，同时受荷侧桩身和底部预留孔之间的间隙扩大形成供碎砂石材料下落的空隙，碎砂石材料在自重下从空隙中落入地基土中，替代部分原始的桩侧土体；再重新对单桩基础的桩身施加水平作用力使桩身恢复未倾斜状态；

s5：然后针对桩身的其余侧，也按照与s4中相同的方法通过施加相应方向的水平作用力，使碎砂石材料进入受荷侧的地基土中，替代部分原始的桩侧土体；

s6：在单桩基础打桩过程中不断重复s4和s5，直至桩底到达预计深度且稳定后，使桩身侧部原始的软弱地基土被替换为碎砂石包裹；最后从填筑孔中向筒体内进行注浆，使整个钢筒构件与单桩基础浇筑成整体。

作为优选，所述的钢制筒状壳体、顶盖和底板均为钢材质，通过焊接形成整体结构。

作为优选，所述的顶部预留孔和底部预留孔的孔径均为单桩基础桩径的1.1倍。

作为优选，所述顶盖的外径为单桩基础桩径的4～6倍，所述底板的外径为单桩基础桩径的2～4倍，所述钢制筒状壳体的高度为单桩基础桩径的5倍。

作为优选，所述的填筑孔的直径孔径与单桩基础桩径相同。

作为优选，所述钢制筒状壳体的壁厚为单桩基础桩径的1/100。

作为优选，所述软弱地基所处地质条件为粘土、淤泥或粉质粘土。

作为优选，所述单桩基础的桩身与碎砂石接触面预先进行喷砂处理，以提高二者连接整体性及摩擦系数。

作为优选，打桩过程中，所述钢制筒状壳体内的碎砂石材料需不断补充。

作为优选，为使单桩基础的桩身产生一定倾斜量，施加的水平外力将随着桩身的打入深度增大而逐渐增大；且在使单桩基础向不同侧倾斜时施加的水平力的方向也需适应性变化。

本发明的有益效果是：

本发明通过在打桩过程中对地表高度处的桩周增设一钢-碎砂石筒复合基础，附属结构处由于相当于给桩身增设了一个约束，限制了单桩基础的水平位移和转角；同时桩身横截面面积增大，截面惯性矩增大，增加了基础的整体刚度；使复合桩基础的整体水平承载力得到提高，达到了共同抵抗弯矩荷载的效果；除此以外，本发明方法利用桩身在水平外力作用下发生倾斜位移时与筒体底板脱离从而产生空隙，原先填筑在筒体内部的砂石料落入地基土中，将浅部土体换填，土性得到改良，以此提高基础在软弱地基上的水平抗力和有效地控制桩身变形问题。筒型基础由于其自身结构的特点具有很好的抗倾覆性能，与单桩结合而成的复合筒型基础可以充分发挥整体性能，有利于风机基础结构满足海洋环境下的水平承载条件。

附图说明

图1是本发明提出的钢-碎石筒复合结构分解示意图；

图2(a)是桩基打入一定深度后，将本发明提出的钢-碎砂石筒复合结构进行定位安装的施工过程示意图；图2(b)是将碎砂石料通过孔口填筑进筒体结构的过程示意图；

图3是当桩身受外力倾斜时，筒中碎石料下落至地基土的过程示意图；

图4(a)是桩身持续打入过程中，进行砂石料的二次填筑过程示意图；图4(b)是在桩身对侧施加荷载，使对侧土体得到换填加固的过程示意图；

图5是打桩至预定深度后，通过本发明方法预期达到的效果示意图；

附图标记如下：1-顶盖、2-填筑孔、3-顶部预留孔、4-钢制筒状壳体、5-底板、6-底部预留孔、7-软弱地基、8-单桩基础、9-碎砂石材料、10-地基土换填区、11-混凝土浇筑节管、12-混凝土。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及效果，兹举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

参见图1所示，本发明设计了一种附加于桩周的钢筒构件，该钢筒构件为一个具有中空内腔的钢制筒状壳体4，钢制筒状壳体4的底部呈漏斗状，有利于内部物料向中心集中。钢制筒状壳体4的顶部和底部通过焊接顶盖1和底板5进行密封，但其顶盖1和底板5分别开设有顶部预留孔3和底部预留孔6，顶部预留孔3和底部预留孔6的目的是能够将该钢筒构件整体套在单桩桩身上，因此顶部预留孔3和底部预留孔6需要保持同轴的状态。而且，顶部预留孔3和底部预留孔6的孔径均应当大于单桩基础8的外径，使得单桩基础8能否穿入两个预留孔中。另外，钢制筒状壳体4的中空内腔的作用是填充碎砂石材，因此顶盖1上还需要设有用于向中空内腔内填充碎砂石材料9的填筑孔2。本实施例中，填筑孔2一个有两个，对称布置于顶部预留孔3的两侧。

该钢筒构件可在工厂中预先加工而成，此时其内部不填充碎砂石材料9，待其套在单桩桩身上并置于软土地基上后，再向内部填充碎砂石材料9，填充满后即形成了一个钢-碎砂石筒结构。其中，所谓的碎砂石材料9可以根据实际需要用砂、碎石填料进行级配而成。

在该钢筒构件中，个部件的具体尺寸可根据预加固的桩身尺寸确定，建议取值：

钢制筒状壳体4、顶盖1和底板5均为钢材质，通过焊接形成整体结构。顶部预留孔3和底部预留孔6的孔径均为单桩基础8桩径的1.1倍。顶盖1的外径为单桩基础8桩径的4～6倍，底板5的外径为单桩基础8桩径的2～4倍，钢制筒状壳体4的高度为单桩基础8桩径的5倍。顶盖1上两个填筑孔2的直径孔径与单桩基础8桩径保持相同。复合筒体结构的筒壁厚影响基础刚度，壁厚过薄会导致基础在施工或使用过程中发生自身破坏，故建议钢制筒状壳体4的壁厚取为单桩基础8桩径的1/100。

当然，上述尺寸参数的具体取值仅为建议值，在实际的施工中可以根据现场试验进行优化调整。

在打桩的过程中，将本结构穿过桩身进行安装并填筑碎砂石材料。对桩基施加水平外力使桩身产生位移，倾斜桩身将使下部地基土产生压缩变形，从而使受荷侧桩身与钢-碎砂石筒的底板处相互脱离产生一定空隙。此时，筒体内部填筑的碎砂石可从该空隙中下落至地基土里，从而进行浅层地基土的换填。由于砂、碎石排水能力强，可以促进软弱地基土的排水固结速度，剪切强度得到提升；同时接触面由桩-软土接触变为了桩与砂、碎石接触，增大了基础与地基接触面的摩阻力；除此以外碎砂石材料弹性模量大于软弱土弹性模量，综上所述通过换填可显著提高软土地基水平承载力。同时由于筒体结构随着桩身位移逐步刺入土层，使基础与地基的接触面增大，最后再通过注浆将单桩与筒体结构形成整体，其共同作用使该复合基础抵抗水平荷载及弯矩的能力得到提升。该复合基础形式使单桩基础直径、长度等大幅降低，减小了制作时的材料费；附属筒体结构内部填筑的砂石料成本低，施工费用比重很小，经济性好；结构施工方法也具有便捷、安全、可靠的特点。

因此，本发明提供的在桩周附加钢-碎砂石筒结构提升桩基水平承载力的方法，尤其适用于基础所处地质条件为粘土、淤泥及粉质粘土等工况。为了进一步说明该钢-碎砂石筒结构的使用过程，下面结合附图进一步详细描述一种利用桩周钢-碎砂石筒结构提升桩基水平承载力的方法，其特步骤如下：

s1：参照图1，首先在加工厂内根据预定尺寸制作筒体结构的钢筒构件包括钢制筒状壳体4、顶盖及底板，通过焊接形成整体结构。然后将预制的钢筒构件转运至预定的单桩基础8打桩位置，准备下沉筒型基础筒壁。

s2：现场施工时，首先在预定桩位处进行单桩基础8的打桩工序，将单桩基础8初步打入软弱地基72～3m左右初步固定后，即可将预制的钢筒构件通过顶部预留孔3和底部预留孔6穿入单桩基础8顶部，并借助单桩基础8的导向作用穿过桩身缓慢沉放，防止沉放过程筒壁发生倾斜，直至底板5到达软弱地基7顶面处，沉放完成。

s3：待钢制筒状壳体4沉放完成后，如图2b所示，通过顶盖1上预留的填筑孔2往钢制筒状壳体4的中空内腔中填充碎砂石材料9，待碎砂石材料9材料填筑密实后，形成环绕单桩基础8的钢-碎砂石筒体结构。由于桩筒之间的连接对本复合结构的整体承载性能有一定影响，条件允许情况下可在桩基与砂石接触面进行喷砂处理，提高二者连接整体性及摩擦系数对减少材料用量、提高承载能力有积极作用。

s4：如图3所示，在钢-碎砂石筒体结构安装完成后，即可在单桩基础8的桩身一侧施加水平作用力，使桩身受到水平力作用绕着底部桩端发生倾斜摆动，通过桩身倾斜产生的位移使桩侧地基土体受到压缩，受荷侧桩身即受到荷载的一侧桩身与地基土之间形成了空间，同时受荷侧桩身和底部预留孔6之间的间隙扩大形成供碎砂石材料9下落的空隙，碎砂石材料9在自重下从空隙中落入地基土与受荷侧桩身之间的空间中并填充满该空间，由此这些落下的碎砂石材料9即替代了部分原始的桩侧软弱土体。然后可再重新对单桩基础8的桩身另一侧施加更大的反向水平作用力，使桩身恢复未倾斜状态。

s5：然后针对桩身的其余侧，可以也按照与s4中相同的方法通过施加相应方向的水平作用力，使碎砂石材料9进入受荷侧的地基土中，替代部分原始的桩侧土体。例如参见图4所示，当桩身在前述的反向水平作用力下恢复未倾斜状态后，由于钢制筒状壳体4内的碎砂石材料9部分被消耗，因此重新向填筑孔2中填充碎砂石材料9，然后再施加反向水平作用力，使得桩身向与s4中相反的一侧倾斜摆动，由此完成桩身对侧的碎砂石材料9填充。在桩身倾斜位移的过程中，钢筒构件的底部会逐渐刺入软弱地基土层中，形成部分嵌入的状态。

另外，需要说明的是，此处桩身的哪些方向需要通过倾斜进行碎砂石材料9填充，可根据施工设计的实际要求而定，可以仅填充两侧方向，也可以填充更多的方向形成包围整个桩身的碎砂石填充区域。

s6：在单桩基础8打桩过程中，每当桩身向软弱地基7中打入一定距离，即可不断重复s4和s5，直至桩底到达预计深度且稳定。此时，预期筒内砂石已全部下落至表层地基土中，即可在桩身侧部形成原始的软弱地基土被替换为碎砂石包裹的强化区域，即图5中的地基土换填区10，由此地基抗剪强度和地基承载力得到了很大的增强。最后将一条混凝土浇筑节管11连接至填筑孔2处，将混凝土12从填筑孔2中向钢筒构件的中空内腔中进行注浆，使整个钢筒构件与单桩基础8浇筑成整体。

需要注意的是，为使单桩基础8的桩身产生一定倾斜量，施加的水平外力将随着桩身的打入深度增大而逐渐增大；且在使单桩基础8向不同侧倾斜时施加的水平力的方向也需适应性变化。在实际施工时，筒型基础由于受到桩的约束在水平荷载作用下近似发生滑动，但可忽略其发生的小转动。在刚度满足要求的情况下，筒型基础自身即使存在形变对极限承载力的影响也很小，所以可以忽略筒型基础自身形变对水平承载力的影响。

尽管上述表述结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。