一种深水桥梁复合基础及其施工方法

本发明涉及一种桥梁结构及其施工方法，尤其涉及一种深水桥梁复合基础及其施工方法。

背景技术：

1、目前，深水大跨桥梁的建设技术亟待进一步突破。带垫层的桩箱复合基础是其中主塔桥墩的主要基础形式之一，现有的桩箱复合基础主要包括沉箱、颗粒垫层和钢管桩群桩基础等部分。同时部分深水基础常年受洋流影响，产生的冲刷坑降低了基础的承载能力，现有的防冲刷措施主要包括抛石、沙袋和砂被防护。

2、然而现有的桩箱复合基础作为一种有待深入发展的深水桥梁基础，在承载性能和抗冲刷两个方面依然存在一些亟待解决的难题。首先在强震条件下，现有基础隔震性能并不突出。在最有利于隔震性能发挥的环境中，基础隔震率依然不足30％，和传统上部结构铅芯橡胶支座40％～80％的隔震率相比，依然存在巨大的提升潜力。其次，现有桩箱复合基础的垫层厚度约2.0m～4.0m，在动力作用下，垫层可能会产生不可接受的竖向压缩变形，甚至是一定程度的差异沉降从而致使上部结构倾斜，影响结构安全。最后，现有桩箱复合基础的水平刚度不可控。基础的水平刚度太大会导致隔震效果下降，水平刚度太小则会导致在风、浪、流荷载作用下结构产生较大位移，影响桥梁工作能力。因此需要平衡两种不利效应，达到合理的平衡状态，然而现有基础形式缺少调节水平刚度的措施与手段，导致设计工作陷入被动。在防冲刷方面，现有措施同样存在两点不利影响。其一，现有技术防护力持续性差，以抛石防护为例，在部分工程中抛石会逐渐流失，最终失去防护效果，无法长久的保持。其二，现有技术费用较高，基础本身不考虑冲刷影响，不优化结构外形，仅依靠被动措施，防护成本高昂。

3、面对以上问题，可以通过改进基础结构，大幅优化基础隔震和抗冲刷性能。因此有必要设计一种高隔震率且防冲刷的深水桥梁复合基础，以解决上述问题。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提供一种具有兼具强隔震效果及防冲刷效果的深水桥梁复合基础；

2、本发明的第二个目的是提供上述的深水桥梁复合基础的施工方法。

3、技术方案：本发明所述的深水桥梁复合基础，包括桥墩、沉箱、颗粒垫层、群桩基础，所述沉箱位于桥墩下方并与桥墩上下贯通，所述沉箱底部设有底板，上部设有倾斜顶板，侧边设有连接底板和倾斜顶板的侧墙，所述沉箱的倾斜顶板上敷设有用于引导水流的土工布；所述倾斜顶板固定于桥墩底部，所述桥墩与沉箱内部设有将桥墩和沉箱连为一体的内隔墙；所述沉箱下部埋入海床中；所述颗粒垫层位于沉箱的底板下方；所述颗粒垫层设有碎石区域、包围在碎石区域外圈的卵石区域，所述碎石区域和卵石区域内的颗粒均以单层排布；所述垫层下方与群桩基础上方之间设有筏板，所述群桩基础桩头嵌入筏板内。

4、其中，所述沉箱的倾斜顶板下半部分敷设有作为裙边的加筋土工布，所述加筋土工布向外水平延伸。倾斜顶板为小角度倾斜，具体的倾斜角度可以为15～40°。延伸的长度可以为5～10米。

5、其中，所述碎石区域内的碎石呈方形分布于垫层中部，所述卵石区域内的卵石呈“回”字形分布于碎石区域四周。卵石区域面积与碎石区域面积比值范围优选为1/3～3。

6、其中，所述碎石区域的碎石和卵石区域的卵石均为特制超大均匀粒径颗粒，粒径范围均为350mm～400mm。

7、其中，所述沉箱底板、侧墙和倾斜顶板自底部至倾斜顶板顶部高度1/3～3/4位置处埋入海床中。

8、其中，所述筏板的厚度为1.0m～4.0m，为混凝土或钢筋混凝土板结构。

9、其中，所述内隔墙包括设于桥墩和沉箱内位于中部位置的中置内隔墙、位于侧边位置的偏置内隔墙。

10、其中，所述群桩基础桩头与筏板浇筑为整体。

11、上述的深水桥梁复合基础的施工方法，包括如下步骤：

12、a、在桥梁建设地址附近选取或建造船坞，搭建模板，浇筑沉箱和桥墩的预制段，同时建造桥墩及沉箱连体中的内隔墙，并开展结构密闭性测试；

13、b、在预制沉箱和桥墩的预制段的同时，于桥墩设计地点将海床开挖至设计开挖面，打桩完成群桩基础施工；

14、c、在群桩基础上浇筑筏板，在筏板上敷设颗粒垫层；

15、d、沉箱和桥墩的预制段完成后，船坞开闸进水，保持整体机构平衡，将沉箱和桥墩的预制段移动至桥墩设计位置，注水下沉；

16、e、现场浇筑桥墩的非预制段和内隔墙，在桥墩侧墙和内隔墙全部完成后，浇筑桥墩顶板作为上部结构的作业平台；

17、f、在浇筑桥墩非预制段的同时，回填沉箱周边土体，先将开挖出的土体回填至与沉箱侧墙顶部齐平，然后在沉箱顶板四周敷设加筋土工布，最后继续回填至沉箱顶板中部，使得回填土完全覆盖土工布。

18、有益效果：本发明与现有技术相比，取得如下显著效果：

19、(1)在强震作用下，颗粒垫层的颗粒在沉箱底板和筏板两个硬层之间产生滚动，由于仅存在一层颗粒，且上下两个相互错动的硬层影响，垫层颗粒的滚动阻力很小，相比于现有技术中主要靠厚垫层颗粒错动的隔震原理，本发明可以隔绝大部分的水平地震力向上传播，因此隔震效果显著提升；同时，本发明通过将沉箱顶板设计为小角度倾斜状，并将沉箱下部埋入海床中，使得水体在流经基础与海床交界处时，被引导沿顶板斜向上绕流，而非向下冲击土体形成冲刷坑，从而保护了基础免受冲刷影响。

20、(2)垫层压缩变形小；由于垫层仅布置了一层颗粒，相比于现有技术，垫层厚度极小，因此若不考虑颗粒破碎，垫层不会发生压缩变形，即便在考虑颗粒破碎的情况下，垫层竖向压缩量也微乎其微，更不会产生差异沉降，因此完全克服了现有技术中垫层变形大的困难；

21、(3)水平刚度可控；本发明中垫层中部为碎石区域，周边为卵石区域，由于卵石颗粒接近理想球形，滚动阻力较小，反之碎石滚动阻力则较大，因此可以通过调整两者的分布范围控制基础水平刚度；

22、(4)在沉箱顶板周围敷设土工布，小部分斜向下流动的水体也会在土工布的引导下不断降低流速，从而更好的保护基础免受冲刷影响。

技术特征：

1.一种深水桥梁复合基础，包括桥墩(1)、沉箱(3)、颗粒垫层、群桩基础(7)，其特征在于，所述沉箱位于桥墩下方并与桥墩上下贯通，所述沉箱(3)底部设有底板(303)，上部设有倾斜顶板(301)，侧边设有连接底板和倾斜顶板的侧墙(302)，所述倾斜顶板(301)上敷设有用于引导水流的土工布(2)；所述倾斜顶板固定于桥墩(1)底部，所述桥墩(1)与沉箱内部设有将桥墩和沉箱连为一体的内隔墙；所述沉箱下部埋入海床中；所述颗粒垫层位于沉箱(3)的底板(303)下方；所述颗粒垫层设有碎石区域、包围在碎石区域外圈的卵石区域，所述碎石区域和卵石区域内的颗粒均以单层排布；所述垫层下方与群桩基础(7)上方之间设有筏板(6)，所述群桩基础(7)桩头嵌入筏板(6)内。

2.根据权利要求1所述的深水桥梁复合基础，其特征在于，所述倾斜顶板(301)底部至倾斜顶板(301)顶部高度的1/4～1/2位置处敷设有作为裙边的土工布(2)，所述加筋土工布向外水平延伸。

3.根据权利要求1所述的深水桥梁复合基础，其特征在于，所述碎石区域呈方形分布于垫层中部，所述卵石(5)区域呈“回”字形分布于碎石区域四周。

4.根据权利要求1所述的深水桥梁复合基础，其特征在于，所述卵石区域面积与碎石区域面积比值范围为1/3～3。

5.根据权利要求1所述的深水桥梁复合基础，其特征在于，所述碎石区域和卵石区域的颗粒的粒径范围均为350mm～400mm。

6.根据权利要求1所述的深水桥梁复合基础，其特征在于，所述沉箱底板(303)、侧墙(302)和倾斜顶板(301)自底部至倾斜顶板(301)顶部高度1/3～3/4位置处埋入海床中。

7.根据权利要求1所述的深水桥梁复合基础，其特征在于，所述筏板(6)的厚度为1.0m～4.0m，为混凝土或钢筋混凝土板结构。

8.根据权利要求1所述的深水桥梁复合基础，其特征在于，所述内隔墙包括设于桥墩和沉箱内位于中部位置的中置内隔墙(103)、位于侧边位置的偏置内隔墙(104)。

9.根据权利要求1所述的深水桥梁复合基础，其特征在于，所述群桩基础(7)桩头与筏板浇筑为整体。

10.一种权利要求1所述的深水桥梁复合基础的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

技术总结
本发明公开了一种深水桥梁复合基础及其施工方法，该复合基础包括桥墩、沉箱、颗粒垫层、群桩基础，沉箱位于桥墩下方并与桥墩上下贯通，沉箱设有底板、倾斜顶板、侧墙，倾斜顶板下半部分敷设有土工布；倾斜顶板固定于桥墩底部，桥墩与沉箱内部设有内隔墙；沉箱下部埋入海床中；颗粒垫层位于底板下方，颗粒垫层设有以单层排布的碎石区域和卵石区域；垫层下方与群桩基础上方之间设有筏板，群桩基础桩头嵌入筏板内。本发明通过在筏板与沉箱之间设置颗粒垫层，在强震作用下颗粒产生滚动和滑动位移从而隔绝地震作用向上传导，同时沉箱的倾斜顶板外形及土工布可引导水流、减弱冲刷，保证了强震、急流环境下深水大跨桥梁基础的承载性能。

技术研发人员：李忠伟,戴国亮,龚维明,陈智伟,柳鸿博,朱文波,罗力伟
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24