专利名称：深水裸露基岩嵌岩桩施工人工基床稳桩技术的制作方法
技术领域：
本发明属于建筑领域中的桩基基础工程技术，尤其是一种用于深水裸露基岩环境中的码头、桥梁等桩基施工时采用人工基床的稳桩技术。
背景技术：
建筑基础工程是建筑物的根基，桩基又是各类建筑物经常采用的基础形式，对于码头、桥梁等重大工程项目，由于受海底地形影响，基岩埋藏较浅或基本裸露，不足以形成桩基稳定的地质条件。在上述裸露基岩进行嵌岩桩施工，必须采用稳桩措施，以满足桩基(桩或套管)的自身稳定、开展后续施工的条件。现行《港口工程嵌岩桩设计与施工规程》中提出参考方案为采用在基岩上安装钢筋砼套箱，套箱内填中粗砂并振冲密实，作为稳定桩措施，桩基打设在套箱内。虽然该措施已有实例，但用此工艺存在工序多、工艺复杂、潜水作业量大、工期长，必须依赖大型设备等缺陷，且成本较高。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足和缺陷，为深水裸露基岩嵌岩桩施工构造一种人工基床以满足桩基的自身稳定，确保安全开展后续嵌岩施工的条件。
为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为该深水裸露基岩嵌岩桩施工人工基床稳桩技术是指在裸露基岩(或覆盖层较薄)区域用抛填袋装碎石、袋装砂或泥土形成一定厚度Y和坡度X的人工基床。该人工基床的厚度Y应大于桩柱最小入土深度，桩柱的最小入土深度h根据相关外力计算；人工基床的底层、顶层以及周边外表面层抛填袋装碎石，人工基床的中间层抛填设袋装砂或泥土。所述人工基床的外表面层抛填袋装碎石的厚度约1～3米，中间层抛填袋装砂或泥土的厚度S＝人工基床厚度Y-2倍袋装碎石的厚度；人工基床的边坡度X约为1∶2～1∶3，人工基床的顶边线与桩中心线的距离B应大于2～2.5倍桩径。
本发明用抛填袋装碎石、袋装砂或泥土形成人工基床的稳桩技术，替代原有砼套箱稳桩技术，既简便易行，缩短工期，又提高工程质量、造价也相对较低，可节约可观的工程成本，介决了在深水裸露基岩或覆盖层较薄的地基上建造大型码头、桥梁或海上平台的桩基施工的技术难题。
图1是本发明人工基床横断面图。
图2是本发明计算简图。
图3是图2的波流共存时，CD、CM与(KC)P的关系图。
图4是图2的ωt＝0°时的ηmax值。
图5是本发明人工基床的施工步骤示意图。
具体实施例方式
图1所示，该深水裸露基岩嵌岩桩施工人工基床稳桩技术是指用抛填袋装碎石1、袋装砂或泥土2以形成厚度Y和边坡X的人工基床。由于桩基(钢桩或其它预制桩或套管)打设后，水流和波浪对桩基稳定影响较大，需要先进行稳定性计算，求解桩柱的最小入土层深度h，从而确定本发明人工基床厚度Y。
人工基床的形状顶面小、底部大，人工基床的顶边线与桩中心线的距离B应大于2～2.5倍桩径，基床周边坡度X为1∶2～1∶3。抛填的材料顶层、底层及周边用袋装碎石，其厚度为1～3米，最佳厚度为2米；中间抛填袋装砂或袋装泥土，其厚度S＝人工基床厚度Y-2倍袋装碎石的厚度，抛填袋装砂或袋装泥土的最佳厚度S＝人工基床厚度Y-周边用袋装碎石的厚度4米。
图2所示本发明计算简图，本发明的关键是确定人造基床的厚度Y。
图中D——桩柱的直径；η——波面在静水面以上的高度，ηmax为η的最大值；p——波浪和水流对桩基的分布作用力；P——波浪和水流对桩基的总作用力；d——计算处的水深；h——桩柱的最小入土层深度；Te、Tp——土压力；其他——为计算方便设定的标注；即通过波浪、水流和地基土的作用力，求解桩柱的最小入土层深度h值。
一、建立力学方程组。
作用力平衡方程P+Tp＝Te力矩平衡方程M(P)+M(Tp)＝M(Te)其中P——由波浪和水流参数计算；
Tp、Te——由地基土质参数计算；M(P)——由P产生的力矩；M(Tp)、M(Te)——由Tp、Te产生的力矩；二、Tp、Te的求解Tp＝γ’h1[tg2(45°+/2)-tg2(45°-/2)]×h2Te＝γ’h1[tg2(45°+/2)-tg2(45°-/2)]×h1/2γ’地基土的浮容重，地基土摩擦角图中D——桩柱的直径；η——波面在静水面以上的高度，ηmax为η的最大值；p——波浪和水流对桩基的分布作用力；P——波浪和水流对桩基的总作用力；d——计算处的水深；h——桩柱的最小入土层深度；Te、Tp——土压力；其他——为计算方便设定的标注；即通过波浪、水流和地基土的作用力，求解桩柱的最小入土层深度h值。
三、建立力学方程组。
作用力平衡方程P+Tp＝Te力矩平衡方程M(P)+M(Tp)＝M(Te)其中P——由波浪和水流参数计算；Tp、Te——由地基土质参数计算；M(P)——由P产生的力矩；M(Tp)、M(Te)——由Tp、Te产生的力矩；四、Tp、Te的求解Tp＝γ’h1[tg2(45°+/2)-tg2(45°-/2)]×h2Te＝γ’h1[tg2(45°+/2)-tg2(45°-/2)]×h1/2γ’地基土的浮容重，地基土摩擦角五、P的求解1、简易法。在水流是主要因素，波浪可以忽略的状况下P=Kn2RV22g---(1-1)]]>
其中K——水流阻力系数；n2——水深影响系数；R——水密度；V——计算流速；g——重力加速度；以上各参数均可通过《港口工程荷载规范》查取。
2、在水流、波浪因素都不能忽略的情况下，P值的求解较复杂，过程如下波浪和水流对桩基的作用计算波浪和水流作用力时，其波浪要素应采用在水流影响下的波浪要素。波浪和水流对D/L≤0.2的垂直小直径圆柱的作用力按下列规定确定，其中L为流水中的波长。
2-1.作用于水底面上高度z处桩柱断面上的正向波流力要按以下公式计算p(z,t)=KD|u(z,t)+uc|·[u(z,t)+uc]+KM∂u(z,t)∂t---(2-1)]]>KD=γ2gDCD---(2-2)]]>KM=πγ4gD2CM---(2-3)]]>u(z,t)=ωrH2chkzshkdcosωt---(2-4)]]>∂u(z,t)∂t=ωr2H2chkzshkdsinωt---(2-5)]]>ωr＝ω-kuc(2-6)式中p(z，t)——作用于桩柱断面上的正向波流力(kN/m)；u(z，t)——水质点轨道运动的水平速度(m/s)；z——柱体水底面以上计算处的高度值(m)；t——时间(s)，当波峰通过柱体中心线是t＝0；uc——水流流速(m/s)；g——重力加速度(m/s2)；d——计算处的水深(m)； ——水质点轨道运动的水平加速度(m/s2)；ω——波浪圆频率(s-1)；
CD、CM——分别为速度力和惯性力系数。
系数CD、CM值由图2-1确定2-2.波数k通过下式求解(ω-kuc)2＝gkthkd(2-7)2-3.图3中的KC数可按下列公式计算 当|uc|＜um(2-8)KC=π|uc|TD]]>当|uc|≥um(2-9)如图3所示，＝arccos(|uc|/um)(2-10)um=πHTcthkd---(2-11)]]>式中T——波浪周期，不规则波时取谱峰频周期TP，TP取1.05Ts，此时KC数以(KC)P表示；um——水面处水质点轨道运动的最大水平速度(m/s)；H——波高，不规则波时取有效波高。
2-4.求作用于整个桩柱上的总波流力，应沿柱体自水底z＝0到水面z＝d+ηη为该计算相位时波面在静水面以上的高度。计算不少于5个点的波流力，包括z＝0、d和d+η三点，然后用分段求和法求得总力。
2-5.波面在静水面以上的高度η值可按下式计算η＝ηmaxcosωt(2-12)式中的ηmax可按图4确定。
六、桩柱的最小入土层深度h的求解h值需要通过多次试算求解。
已知原先自然水深，以H表示，有效土层厚度Δ1，设人工基床厚度为Δ2，则有h＝Δ1+Δ2，d＝H-Δ2。从而求解方程组各元素，得出一个新的h值，由新h值修正Δ2，即修正d值，如此反复计算，求出最佳的h值。
七、人工基床厚度Y的确定人工基床的厚度Y应大于桩柱的最小入土层深度h，并参照地质资料和施工方法，适当考虑余量。
如图5所示，本发明的施工步骤包括
按上述a、b、c、d、e、f、g、h八个步骤依次进行。
如人工基床不影响结构使用和周围环境，可省略其中步骤h-清除人工基床。
人工基床工艺在上海国际航运中心洋山深水港一期工程、上海宝钢马迹山港二期工程中，很好地解决了在裸露基岩或覆盖层较薄区域进入桩基施工的难题，而且相对于钢筋砼套箱、钢管桁架等工艺，既简便易行，工期缩短，同时又节约了可观的工程成本。
权利要求
1.一种深水裸露基岩嵌岩桩施工人工基床稳桩技术，其特征在于在裸露基岩区域用抛袋装碎石、袋装砂的方法形成一厚度为Y和边坡为X的人工基床。
2.根据权利要求1所述的深水裸露基岩嵌岩桩施工人工基床稳桩技术，其特征在于所述人工基床的厚度Y应大于桩柱最小入土深度h，桩柱最小入土深度h根据相关规范和力学方程计算，并参照地质资料和施工方法，适当考虑余量。
3.根据权利要求2所述的深水裸露基岩嵌岩桩施工人工基床稳桩技术，其特征在于所述人工基床底层、顶层以及周边抛填袋装碎石，中间抛填袋装砂或泥土。
4.根据权利要求3所述的深水裸露基岩嵌岩桩施工人工基床稳桩技术，其特征在于所述人工基床底层、顶层及周边抛填袋装碎石的厚度为1～3米，中间层抛填袋装砂或泥土的厚度S＝人工基床厚度Y-2倍袋装碎石的厚度。
5.根据权利要求4所述的深水裸露基岩嵌岩桩施工人工基床稳桩技术，其特征在于所述人工基床底层、顶层及周边抛填袋装碎石厚度为2米。
6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的深水裸露基岩嵌岩桩施工人工基床稳桩技术，其特征在于所述人工基床的周边坡度X为1∶2～1∶3。
7.根据权利要求1或2或3或4或5所述的深水裸露基岩嵌岩桩施工人工基床稳桩技术，其特征在于所述人工基床的顶边线与桩中心线的距离B应大于2～2.5倍桩径。
8.根据权利要求6所述的深水裸露基岩嵌岩桩施工人工基床稳桩技术，其特征在于所述人工基床的顶边线与桩中心线的距离B应大于2～2.5倍桩径。
全文摘要
本发明涉及一种深水裸露基岩嵌岩桩施工人工基床稳桩技术，该稳桩技术是指在裸露基岩区域用抛袋装碎石、袋装砂的方法形成厚度为Y和边坡为X的人工基床。该人工基床的厚度Y应大于桩基最小入土深度，且其底层、顶层及周边表面层抛填1～3米左右的袋装碎石，中间层抛填袋装砂或泥土的厚度S＝人工基床厚度Y－周边层袋装碎石的厚度2～6米，人工基床的周边坡度为1∶2～1∶3。本发明与在基岩上安装钢筋砼套箱的现有技术相比，既简便易行，缩短工期，又提高工程质量、造价也相对较低，可节约了可观的工程成本，介决了在深水裸露基岩或覆盖层较薄的地基上建造大型码头、桥梁或海上平台的桩基施工的技术难题。
文档编号E02D27/52GK1908324SQ20061005288
公开日2007年2月7日 申请日期2006年8月10日 优先权日2006年8月10日
发明者尹海卿, 陈雪峰, 徐志栓, 华高明, 胡金雄, 王伟明 申请人:王伟明