大直径高性能UHPC-钢管复合桩基及其施工方法与流程

本发明涉及土木工程领域中的桩基础结构形式，特别涉及海洋腐蚀环境下跨海大桥及风电工程中的大直径桩基础建造技术。更具体地说，本发明涉及大直径高性能uhpc-钢管复合桩基及其施工方法。

背景技术：

目前，国家对海洋资源的开发力度越来越大，跨海大桥和风电等工程的建设项目的增长可观，由于风高浪急和腐蚀性强的海洋环境，其基础结构的建造是工程项目建设的重难点。

对于海洋环境下结构物基础的建设而言，目前主要采用钻孔灌注桩和大直径钢管桩，传统钻孔灌注桩施工效率低，大直径钢管桩虽然提高了施工效率，但造价高昂，且需进行长期耐腐蚀防护，经济性不佳。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提供大直径高性能uhpc-钢管复合桩基及其施工方法，相较于传统的桩基，不仅能加快施工速度，且具备较好的经济性、承载能力和良好耐久性。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了大直径高性能uhpc-钢管复合桩基，包括：uhpc-rc复合桩、钢管复合桩和接头，所述接头将uhpc-rc复合桩和钢管复合桩连接，所述接头位于最低冲刷线以下。

优选的是，所述uhpc-rc复合桩包括外侧uhpc护筒和内部现浇混凝土；所述钢管复合桩包括外侧钢管桩和内部现浇混凝土。

优选的是，复合桩基的直径大于2米。

优选的是，所述uhpc护筒的壁厚为5-12公分，所述钢管桩的壁厚为1.5-3公分。

优选的是，所述uhpc护筒内壁含环向凹凸槽，以形成抗剪键齿。

优选的是，所述接头为环形钢板，其预埋于uhpc护筒内，所述钢板底部与钢管桩的上端焊接为一体。

优选的是，所述钢板预埋于uhpc护筒内的部分包括内侧的环形内钢板和外侧的环形外钢板，所述内钢板外壁与外钢板内壁之间在周向和纵向上均交错设置有多根螺纹钢筋，所述内钢板内壁与外钢板外壁均朝外在周向和纵向上也设置有多根螺纹钢筋。

优选的是，所述uhpc护筒位于海面处还设置有防撞结构，其包括：

预埋护筒，其与所述uhpc护筒中轴线重合且紧贴uhpc护筒外侧壁设置，所述预埋护筒与所述uhpc护筒一体成型浇筑而成；

预埋件，其为多个且预埋于所述预埋护筒内，沿所述预埋护筒的同一周向均匀间隔设置多个预埋件，且沿所述预埋护筒的同一纵向也设置多个预埋件，每个预埋件均连接有延伸出所述预埋护筒外的连接绳；

第一浮柱，其为多个且通过同一纵向的多个预埋件上的连接绳绑扎为紧贴预埋护筒，绑扎第一浮柱的连接绳还固定绑扎第二浮柱，多个第二浮柱均匀间隔位于同一周向且均位于第一浮柱的外侧；

第三浮柱，其紧贴所述预埋护筒设置，所述第三浮柱在每相邻的两个第一浮柱之间均设置一个，所述第三浮柱与第一浮柱之间通过绑扎绳绑扎为一体且第三浮柱与第一浮柱相互紧贴，所述第三浮柱上表面向下凹陷形成有凹腔，其内配合有第五浮柱，所述第五浮柱上端凸出于所述第三浮柱上表面外；

第四浮柱，其在每相邻的两个第二浮柱之间均设置一个，所述第四浮柱与第二浮柱之间通过绑扎绳绑扎为一体且第四浮柱与第二浮柱相互紧贴，所述第四浮柱上设置有多个贯通的通孔；

连接浮柱，其连接第三浮柱和第四浮柱并在纵向设置多个，所述连接浮柱具有贯通的水流通道，所述水流通道的一端贯通第三浮柱的凹腔、另一端贯通第四浮柱上的通孔。

优选的是，所述第一浮柱、第三浮柱、第四浮柱和第五浮柱均为弧形，所述第五浮柱下端通过绳索与凹腔底部连接以使得所述第五浮柱下端不凸出于所述第三浮柱外。

本发明还提供一种大直径高性能uhpc-钢管复合桩基的施工方法，包括如下步骤：

s1：工厂预制uhpc护筒和钢管桩，并通过接头连接为一体式结构；

s2：将连接后的uhpc护筒和钢管桩运输至桩位附近，进行吊装、定位和锤击下沉；

s3：沉桩至指定标高，钻孔、清渣、下放钢筋笼并浇筑内部核心混凝土；

s4：完成复合桩施工。

本发明至少包括以下有益效果：

1、本发明的复合桩基特别适用于荷载条件复杂和腐蚀性强的海洋环境下跨海大桥和风电工程的基础工程施工，不仅能加快施工速度，且具备较好的经济性、承载能力和良好耐久性。

2、本发明的复合桩基直径覆盖范围广，可达到3米，甚至4米。

3、本发明的复合桩基能充分发挥uhpc护筒和钢管桩的优点，提升灌注桩的施工效率和钢管桩的经济性。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明复合桩基的结构示意图；

图2为本发明复合桩基未浇筑混凝土时的结构示意图；

图3为本发明接头的局部剖视图；

图4为本发明防撞结构的俯视图；

图5为本发明第三浮柱与第四浮柱连接结构示意图。

附图标记说明：

1、uhpc-rc复合桩，2、钢管复合桩，3、接头，4、现浇混凝土，5、uhpc护筒，6、钢管桩，7、承台，8、螺纹钢筋，9、预埋护筒，10、连接绳，11、第一浮柱，12、第二浮柱，13、第三浮柱，14、第四浮柱，15、第五浮柱，16、连接浮柱，17、通孔，18、凹腔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1至2所示，本发明提供一种大直径高性能uhpc-钢管复合桩基，包括：uhpc-rc复合桩1、钢管复合桩2和接头3，所述接头3将uhpc-rc复合桩1和钢管复合桩2连接，所述接头3位于最低冲刷线以下。所述uhpc-rc复合桩1包括外侧uhpc护筒5和内部现浇混凝土4；所述钢管复合桩2包括外侧钢管桩6和内部现浇混凝土4。

在上述技术方案中，uhpc护筒5和钢管桩6可作为钻孔和内部核心现浇混凝土4浇筑时的护壁，uhpc护筒5能提升结构耐久性，降低钢管桩6防腐费用，钢管桩6能提高可插打性，加快施工进度、确保施工质量。内部核心现浇混凝土4浇筑完成后，uhpc护筒5和钢管桩6可参与结构受力，提高复合桩基抗弯及抗压承载力；uhpc护筒5密实性良好，可作为内部核心现浇混凝土4的保护层，降低水位变动区和浪溅区核心混凝土中氯离子的侵蚀速度，提升桩基结构的耐久性。为确保下节段钢管复合桩2的受力性能及耐久性，应将接头3部分设置在最低冲刷线以下，降低钢管桩6的腐蚀速度。本发明的复合桩基施工方法如下：

1)根据设计要求，确定uhpc护筒和钢管桩的合理直径及长度，并进行工厂化预制、连接及质量检测；

2)将连接后的uhpc护筒和钢管桩运输至桩位附近，进行吊装、定位和锤击下沉；

3)沉桩至指定标高，钻孔、清渣、下放钢筋笼并浇筑内部核心混凝土；

4)完成复合桩施工并预留与承台7的连接构造，也就是内部下放的钢筋笼上端凸出于承台7内部，与承台7连接为一体。

在另一种技术方案中，复合桩基的直径大于2米。本发明的复合桩基直径至少可做到大于2米，根据实际施工情况，小直径的桩基也可以同样施工。

在另一种技术方案中，所述uhpc护筒5的壁厚为5-12公分，所述钢管桩6的壁厚为1.5-3公分。

在上述技术方案中，uhpc护筒5的壁厚相对设置较厚一些，一般为5-12公分，一方面保证在锤击下沉时能承受较强的锤击力，实际上，uhpc护筒5的壁厚设置的较厚后，其比钢管桩6更容易承受锤击力；另一方面保证uhpc护筒5在制作、运输和锤击时不会出现破损开裂的情况，而钢管桩6设置为常规的壁厚，1.5-3公分即可。

在另一种技术方案中，所述uhpc护筒5内壁含环向凹凸槽，以形成抗剪键齿，增强uhpc-rc复合桩的受力性能。

在上述技术方案中，uhpc护筒5与普通现浇混凝土4的界面结合比传统钢管桩6与现浇混凝土4的结合优异，共同受力的程度也更为优异；钢管桩6在其内壁焊接环形的钢筋等，形成类似连接件，再浇筑混凝土，钢管桩6与现浇混凝土4两者结合起来形成钢管复合桩2，但是还是容易出现现浇混凝土4的滑移；而在uhpc护筒5内壁形成凹凸的抗剪键齿，uhpc护筒5与现浇混凝土4结合后基本上不会产生滑移，从而极大增加了两者的结合力，使得本发明的复合桩基承载性能增强。

在另一种技术方案中，所述接头3为环形钢板，其预埋于uhpc护筒5内，所述钢板底部与钢管桩6的上端焊接为一体。

在上述技术方案中，在uhpc护筒5进行工厂预制时，将接头3的上部一起浇筑于uhpc护筒5，使得接头3的上部与uhpc护筒5为一体式固定结构，然后凸出于uhpc护筒5外的接头3的下部与钢管桩6焊接，从而通过接头3将uhpc护筒5和钢管桩6连接起来，uhpc护筒5和钢管桩6连接后，其外侧壁重合，内部浇筑混凝土。

在另一种技术方案中，所述钢板预埋于uhpc护筒5内的部分包括内侧的环形内钢板和外侧的环形外钢板，所述内钢板外壁与外钢板内壁之间在周向和纵向上均交错设置有多根螺纹钢筋8，所述内钢板内壁与外钢板外壁均朝外在周向和纵向上也设置有多根螺纹钢筋8。

在上述技术方案中，接头3为钢板，其是连接uhpc护筒5和钢管桩6的，钢板预埋于uhpc护筒5内，为了保证uhpc护筒5和钢管桩6连接的稳定性，钢板预埋于uhpc护筒5的牢固性是非常重要的。预埋于uhpc护筒5内的钢板部分分为两层，呈内外的环形设置，两层间设置有螺纹钢筋8，两层的外侧也设置有螺纹钢筋8，通过设置两层结构同时设置螺纹钢筋8使得uhpc护筒5在浇筑时，混凝土与钢板之间的结合力较普通的一层钢板结合力更为优异，在很大程度了保证了接头3与uhpc护筒5结合的牢固性。

在另一种技术方案中，所述uhpc护筒5位于海面处还设置有防撞结构，其包括：

预埋护筒9，其与所述uhpc护筒5中轴线重合且紧贴uhpc护筒5外侧壁设置，所述预埋护筒9与所述uhpc护筒5一体成型浇筑而成；

预埋件，其为多个且预埋于所述预埋护筒9内，沿所述预埋护筒9的同一周向均匀间隔设置多个预埋件，且沿所述预埋护筒9的同一纵向也设置多个预埋件，每个预埋件均连接有延伸出所述预埋护筒9外的连接绳10；

第一浮柱11，其为多个且通过同一纵向的多个预埋件上的连接绳10绑扎为紧贴预埋护筒9，绑扎第一浮柱11的连接绳10还固定绑扎第二浮柱12，多个第二浮柱12均匀间隔位于同一周向且均位于第一浮柱11的外侧；

第三浮柱13，其紧贴所述预埋护筒9设置，所述第三浮柱13在每相邻的两个第一浮柱11之间均设置一个，所述第三浮柱13与第一浮柱11之间通过绑扎绳绑扎为一体且第三浮柱13与第一浮柱11相互紧贴，所述第三浮柱13上表面向下凹陷形成有凹腔18，其内配合有第五浮柱15，所述第五浮柱15上端凸出于所述第三浮柱13上表面外；

第四浮柱14，其在每相邻的两个第二浮柱12之间均设置一个，所述第四浮柱14与第二浮柱12之间通过绑扎绳绑扎为一体且第四浮柱14与第二浮柱12相互紧贴，所述第四浮柱14上设置有多个贯通的通孔17；

连接浮柱16，其连接第三浮柱13和第四浮柱14并在纵向设置多个，所述连接浮柱16具有贯通的水流通道，所述水流通道的一端贯通第三浮柱13的凹腔18、另一端贯通第四浮柱上的通孔17。

在上述技术方案中，桩基是由两种复合桩通过接头连接而成，在海面上如果碰到船舶等的撞击，会影响桩基施工过程中的稳定性，因此在uhpc护筒5外侧的海面处设置有防撞结构，可在一定程度上减小船舶等对uhpc护筒5较大的直接撞击力。预埋护筒9设置在uhpc护筒5外侧，且两者是在工厂预制时浇筑为一体，沉桩后，预埋护筒9部分在海面下、部分在海面上，在工厂预制时，预埋护筒9内事先预埋多个预埋件且预埋件上的连接绳10延伸出预埋护筒9外，以方便后期绑扎浮柱，预埋护筒9以及预埋件的设置使得后期不再需要单独的连接结构或者在uhpc护筒5外侧壁钻孔等用以连接浮柱。多个第一浮柱11以及多个第三浮柱13紧贴预埋护筒9设置，是防撞的内侧结构，而多个第二浮柱12以及多个第四浮柱14位于预埋护筒9的外侧，并与预埋护筒9具有一定的间隔，是防撞的外侧结构，起到第一层的防撞作用，第三浮柱13是通过第一浮柱11连接，而第四浮柱14是通过第二浮柱12连接，从而减小了预埋件的数量，保证了预埋护筒9结构的稳定性和牢固性。第一浮柱11、第二浮柱12、第三浮柱13和第四浮柱14的高度相差不大，均竖直漂浮于海面上，在船舶撞击的情况下，掀起的巨大海浪可能直接越过外侧的浮柱进入内侧，然后冲击uhpc护筒5外侧壁，对uhpc护筒5起到一定程度的冲击，另外可能引起外侧和内侧的浮柱下沉，因此设置了第五浮柱15，海面以下设置的连接浮柱16使得水流进入凹腔18中，第五浮柱15处于漂浮状态，可在一定程度上增加内侧浮柱的高度；海面以上设置的连接浮柱16，当船舶等撞击时，可将一部分海浪水流快速引至凹腔18中，使得第五浮柱15进一步上浮，在一定程度上使得内侧浮柱可抵抗船舶的直接撞击。

在另一种技术方案中，所述第一浮柱11、第三浮柱13、第四浮柱14和第五浮柱15均为弧形，弧形可使得相互之间的贴合以及与预埋护筒9的贴合更好，更有利于防撞；所述第五浮柱15下端通过绳索与凹腔18底部连接以使得所述第五浮柱15下端不凸出于所述第三浮柱13外。

本发明的复合桩基与常规桩基各方面对比如下表所示：

上述表格中，受力性能、材料成本计算前提：

(1)单根桩基外径1.6m、长60m，泥面以上水深30m，入持力层30m；

(2)灌注桩临时钢护筒厚1.6cm，复合桩钢管厚3cm，uhpc管桩厚11cm；

(3)灌注桩混凝土及核心混凝土均为c30。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。