技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及海上沉樁技術(shù)，尤其涉及一種灘涂地區(qū)利用海水重量沉樁裝置及其沉樁方法。

背景技術(shù)：
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樁基礎(chǔ)已被廣泛應(yīng)用于港口、海洋和橋梁工程領(lǐng)域中。目前，在海上進(jìn)行沉樁施工一般有兩類方法：一類是加動(dòng)態(tài)沖擊力將樁打入到海床土中，另一類是加靜態(tài)壓載將樁結(jié)構(gòu)壓入到海床土中。

海上潮間帶是指高潮位與低潮位之間的潮浸地帶或?yàn)┑亍Ｎ覈?guó)潮間帶土地資源豐富，具有面積大、分布集中、區(qū)位條件好、農(nóng)牧漁業(yè)綜合開(kāi)發(fā)潛力大的特點(diǎn)。通常，潮間帶地區(qū)土層松軟，承載力較低，且潮水漲落起伏的影響，部分潮間帶漲潮時(shí)平均水深只有1.5米，一天中高水位持續(xù)時(shí)間只有兩三個(gè)小時(shí)，對(duì)潮間帶的工程施工帶來(lái)新的技術(shù)挑戰(zhàn)。由于潮間帶水位無(wú)法供大型施工船進(jìn)入，使得潮間帶的沉樁施工存在較大困難。

若潮間帶樁基的施工過(guò)程中，因地制宜的利用海水重量協(xié)助樁基壓入海床，解決大型施工機(jī)械無(wú)法進(jìn)駐潮間帶的困難，必將促進(jìn)潮間帶沉樁技術(shù)的發(fā)展。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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為了彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)問(wèn)題的不足，本發(fā)明的目的是提供一種灘涂地區(qū)利用海水重量沉樁裝置及其沉樁方法，其操作簡(jiǎn)單、施工方便，為潮間帶沉樁施工提供了一種可靠方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

灘涂地區(qū)利用海水重量沉樁裝置，其特征在于，包括多個(gè)鋼楔、托架、托板與水箱，多個(gè)鋼楔相互串聯(lián)并圍成環(huán)狀組合鋼楔，環(huán)狀組合鋼楔套裝在待沉樁外壁上；所述托架是由方鋼、圓鋼把直套筒、斜套筒焊接組裝形成的軸對(duì)稱空間結(jié)構(gòu)，方鋼下端面中心焊接有直套筒，直套筒下方同軸設(shè)有斜套筒，斜套筒與方鋼下端面通過(guò)圓鋼焊接固定；所述待沉樁上端套裝于直套筒內(nèi)，環(huán)狀組合鋼楔套裝于斜套筒內(nèi)且緊密接觸；所述托架上端面鋪設(shè)托板，托板上端面放置有水箱。

所述的灘涂地區(qū)利用海水重量沉樁裝置，其特征在于，所述的鋼楔上端至下端厚度和寬度逐漸增大的長(zhǎng)條狀，內(nèi)側(cè)壁為與待沉樁外壁相配合的直凹弧面，外側(cè)壁為與斜套筒內(nèi)壁相配合的斜凸弧面，左右兩側(cè)面為梯形狀斜面，左右兩側(cè)面上下開(kāi)設(shè)兩個(gè)貫穿鋼楔的、供繩索穿插用孔洞。

所述的灘涂地區(qū)利用海水重量沉樁裝置，其特征在于，所述托架是由方鋼、圓鋼把直套筒、斜套筒焊接組裝形成的軸對(duì)稱空間結(jié)構(gòu)，

方鋼包括度多根短方鋼及多根長(zhǎng)方鋼，多根短方鋼圍成多邊形，多邊形中心至各角點(diǎn)呈輻射狀分布有多根長(zhǎng)方鋼，每根短方鋼和每根長(zhǎng)方鋼交點(diǎn)處的上端面設(shè)有定位棒；

方鋼下端面中心焊接有直套筒，直套筒正下方設(shè)有斜套筒，斜套筒外壁與方鋼中的長(zhǎng)方鋼下端面通過(guò)傾斜的圓鋼焊接固定。

所述的灘涂地區(qū)利用海水重量沉樁裝置，其特征在于，所述方鋼中多根短方鋼焊接成八邊形，八邊形中心至各邊交點(diǎn)處呈輻射狀焊接安裝有米字形的長(zhǎng)方鋼構(gòu)成整體。

所述的灘涂地區(qū)利用海水重量沉樁裝置，其特征在于，所述的托架上的直套筒為帶頂板的鋼筒，直套筒內(nèi)徑大于待沉樁的外徑。

所述的灘涂地區(qū)利用海水重量沉樁裝置，其特征在于，所述的托架上斜套筒內(nèi)孔與鋼楔外壁相配合，斜套筒頂部?jī)?nèi)徑略大于鋼楔綁定在待沉樁后的鋼楔頂部外輪廓半徑，斜套筒的底部?jī)?nèi)徑小于鋼楔綁定在待沉樁后的鋼楔底部外輪廓半徑。

所述的灘涂地區(qū)利用海水重量沉樁裝置的沉樁方法，其特征在于，具體實(shí)施步驟如下：

1）、把鋼楔綁定在待沉樁上部：

先把待沉樁直立且保持鉛垂?fàn)顟B(tài)貫入海床；用繩索穿過(guò)孔洞把若干個(gè)鋼楔串起來(lái)，再把鋼楔緊密綁定在待沉樁中上部的合適位置，使鋼楔的直凹弧面與待沉樁外壁緊密接觸，且各鋼楔均勻、對(duì)稱的分布于待沉樁外壁；

2）、把托架套入待沉樁頂部：

把托架套入待沉樁頂部，使托架上的斜套筒緊密的壓在鋼楔的斜凸弧面上，托架上直套筒的頂面壓在待沉樁的頂面，托架的中心軸線與待沉樁的中心軸線重合，且托架與待沉樁之間接觸緊密而不發(fā)生晃動(dòng)；

3）、把托板平鋪于托架頂面：

按照一定間距先沿一個(gè)方向把托板平鋪于托架上形成第一層托板，再按照一定間距沿與第一層托板垂直的方向把托板平鋪于第一層托板上形成第二層托板，第一層與第二層托板中的部分托板上的預(yù)留孔洞套住定位棒進(jìn)行固定，鋪好后的托板呈正方形形狀，且該正方形中心位于托架的中心軸線上；

4）、把水箱均勻放置于托板上，抽取海水填充水箱，把樁沉貫至設(shè)計(jì)深度：

把各水箱均勻、對(duì)稱的緊密排列于托板上，抽取海水均勻、對(duì)稱的填充水箱，使待沉樁在海水重量的作用下逐漸下沉，逐漸增加水箱的數(shù)量并依次充水，最終使待沉樁貫入海床至設(shè)計(jì)深度；

5）、完成沉樁作業(yè)，移除水箱與托架：

待沉樁貫入海床至設(shè)計(jì)深度且鉛垂度滿足要求后，均勻、對(duì)稱的移除水箱，拆除托板，移除托架，并解開(kāi)、取走鋼楔，最終完成沉樁作業(yè)。

本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明鋼楔、托架、托板等沉樁裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量小，制作與安裝方便，且可反復(fù)利用，造價(jià)低；

2、本發(fā)明在托架上放置系列水箱并抽取海水進(jìn)行填充，利用海水重量把待沉樁壓入海床，解決了潮間帶水位較低、施工機(jī)械難以進(jìn)入的難題，具有經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性與合理性；

3、本發(fā)明若沉樁過(guò)程中樁基礎(chǔ)發(fā)生一定的傾斜，可在其傾斜相反方向多施加一些水箱，通過(guò)不均勻加載形成的彎矩可對(duì)傾斜沉樁進(jìn)行一定的糾偏，從而確保沉樁的垂直度滿足要求。

附圖說(shuō)明：

圖1為本發(fā)明的鋼楔結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的若干鋼楔串聯(lián)示意圖。

圖3為本發(fā)明的鋼楔組合成環(huán)示意圖。

圖4為本發(fā)明的鋼楔與鋼樁組裝示意圖。

圖5為本發(fā)明的托架軸測(cè)圖。

圖6為本發(fā)明的托架仰視圖。

圖7為本發(fā)明的托架俯視圖。

圖8為本發(fā)明的托架主視圖。

圖9為本發(fā)明的斜套筒與鋼楔相互接觸前剖面圖。

圖10為本發(fā)明的直套筒與斜套筒套入鋼樁剖面圖。

圖11為本發(fā)明的鋼楔綁在鋼樁外壁示意圖。

圖12為本發(fā)明的托架安裝示意圖。

圖13為本發(fā)明的托板鋪于托架上部示意圖。

圖14為本發(fā)明的水箱輔助鋼樁壓入海床示意圖。

附圖標(biāo)記說(shuō)明：1、鋼楔；2、孔洞；3、直凹弧面；4、斜凸弧面；5、繩索；6、待沉樁；7、托架；8、直套筒；9、斜套筒；10、定位棒；11、托板；12、水箱；a、海平面；b、海床面。

具體實(shí)施方式：

參見(jiàn)附圖：

一種灘涂地區(qū)利用海水重量沉樁裝置，包括鋼楔1、托架7、托板11與水箱12，托架7是由方鋼、圓鋼把直套筒8、斜套筒9焊接組裝形成的軸對(duì)稱空間結(jié)構(gòu)，把若干鋼楔1綁定在待沉樁6上部后，基于斜套筒9與直套筒8把托架7套入待沉樁6頂部，并使斜套筒9與鋼楔1之間接觸緊密，再在托架7頂面鋪設(shè)托板11，把水箱12對(duì)稱、均勻的布置于托板11上，通過(guò)抽取海水填充水箱12，從而達(dá)到利用海水重量沉樁的目的。

鋼楔1的內(nèi)側(cè)為豎直的直凹弧面3，外側(cè)為傾斜的斜凸弧面4，兩側(cè)為梯形狀斜面，在兩側(cè)上下開(kāi)設(shè)兩個(gè)孔洞2貫穿鋼楔1，鋼楔1整體呈長(zhǎng)條形對(duì)稱狀態(tài)，其橫截面呈扇形形狀，如圖1所示。鋼楔1內(nèi)側(cè)直凹弧面3的曲率與待沉樁6的外輪廓圓周曲率相同，利用繩索5穿過(guò)孔洞2把若干鋼楔1串起來(lái)后，可緊密的綁定在待沉樁6上，如圖2~圖4所示。

可見(jiàn)，鋼楔1的內(nèi)側(cè)直凹弧面3能緊密與待沉樁6外壁接觸，鋼楔1的外側(cè)斜凸弧面4從上到下逐漸變大，綁定在待沉樁6外壁后呈錐臺(tái)體狀；使用結(jié)束后鋼楔1可從待沉樁6外壁取走，屬于臨時(shí)性構(gòu)件。

托架7是由方鋼、圓鋼把直套筒8、斜套筒9焊接組裝形成的軸對(duì)稱空間結(jié)構(gòu)，直套筒8、斜套筒9的中心軸線與托架整體的中心軸線重合，直套筒8位于斜套筒9的上方，直套筒8的頂部與方鋼焊接相連，各方鋼焊接形成米字形對(duì)稱結(jié)構(gòu)，各相鄰方鋼之間用短方鋼焊接相連形成整體，上部方鋼與下部斜套筒9之間用圓鋼傾斜焊接相連，各方鋼頂面焊接一個(gè)定位棒10，如圖5~圖8所示。

托架7頂面的方鋼處在同一水平上，米字形方鋼組合體上各方向的方鋼長(zhǎng)度相同，米字形方鋼組合體的中心軸線與直套筒8的中心軸線重合。定位棒10是為了固定部分托板11而設(shè)定的。

托架7上的直套筒8為帶頂板的鋼筒，直套筒8的內(nèi)徑大于待沉樁6的外徑，如圖10所示。托架7上的斜套筒9為傾斜的中空錐臺(tái)狀鋼筒，斜套筒9鋼壁的傾斜角度與鋼楔1上斜凸弧面4的傾斜角度相同，斜套筒9的頂部?jī)?nèi)徑略大于鋼楔1綁定在待沉樁6后的鋼楔1頂部外輪廓半徑，斜套筒9的底部?jī)?nèi)徑小于鋼楔1綁定在待沉樁6后的鋼楔1底部外輪廓半徑，如圖9與圖10所示。

托架7的作用是把水箱的荷載傳遞給待沉樁6，一部分荷載由直套筒8的頂板直接傳遞給待沉樁6的頂部，另一部荷載由斜向圓鋼壓在斜套筒9與鋼楔1上遞給待沉樁6的外壁。設(shè)立一定距離的直套筒8與斜套筒9，是為了提高托架7的整體穩(wěn)定性，使其呈空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的側(cè)向剛度。

斜套筒9的傾斜角度與鋼楔1上斜凸弧面4的傾斜角度相同，使斜套筒9能壓在鋼楔1上斜凸弧面4上且相互接觸緊密。假設(shè)鋼楔1固定不動(dòng)的情況下，斜套筒9越往下移動(dòng)，斜套筒9與鋼楔1接觸越緊密，即鋼楔1能阻止斜套筒9的向下移動(dòng)，且一部分上部荷載通過(guò)斜套筒9傳遞給待沉樁6。

故實(shí)際施工中鋼楔1的綁定位置應(yīng)需經(jīng)過(guò)計(jì)算且有足夠的準(zhǔn)確度。若鋼楔1的綁定位置偏上，使得斜套筒9與鋼楔1接觸緊密后而直套筒8的頂板尚未接觸到待沉樁6的頂部，造成上部荷載大部分通過(guò)斜套筒9傳遞給待沉樁6側(cè)面，而直套筒8分擔(dān)的荷載過(guò)??；若鋼楔1的綁定位置偏下，使得斜套筒9與鋼楔1尚未接觸緊密而直套筒8的頂板早已壓在待沉樁6的頂部，造成上部荷載全部通過(guò)直套筒8頂板傳遞給待沉樁6頂面，而斜套筒9不承擔(dān)荷載。較理想的狀態(tài)是，鋼楔1的綁定位置合理，使得直套筒8與斜套筒9均能合理的分擔(dān)一定比例的豎向荷載，避免局部應(yīng)力集中過(guò)大。

同時(shí)，應(yīng)避免荷載由斜向圓鋼壓在斜套筒9與鋼楔1上遞給待沉樁6外壁時(shí)，鋼楔1與待沉樁6之間因摩擦系數(shù)過(guò)小而發(fā)生相對(duì)移動(dòng)。為了增大摩擦，可在鋼楔1與待沉樁6之間增加一層橡膠薄墊。

另外，可在斜套筒9的內(nèi)壁及鋼楔1的外壁涂抹潤(rùn)滑劑，方便施工結(jié)束后移除托架7時(shí)斜套筒9與鋼楔1之間的有效脫離。

托架7均由鋼材焊接而成，各構(gòu)件、焊縫及整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度應(yīng)滿足復(fù)雜工況下組合荷載的作用需求而不發(fā)生屈服，各構(gòu)件應(yīng)滿足應(yīng)力集中需要而不發(fā)生超過(guò)規(guī)范允許的過(guò)大變形。

一種灘涂地區(qū)利用海水重量沉樁裝置的沉樁方法，詳細(xì)描述如下：

1）、把鋼楔綁定在待沉樁上部：

先把待沉樁6貫入海床一定深度，使其能夠直立且保持鉛垂?fàn)顟B(tài)。用繩索5穿過(guò)孔洞2把若干個(gè)鋼楔1串起來(lái)，再把鋼楔1緊密綁定在待沉樁6中上部的合適位置，使鋼楔1的直凹弧面3與待沉樁6外壁緊密接觸，且各鋼楔1均勻、對(duì)稱的分布于待沉樁6外壁，如圖11所示。

先使用施工機(jī)械把待沉樁6起吊并貫入海床一定深度，最好貫穿淤泥層到達(dá)硬土層，使其能夠直立且保持鉛垂?fàn)顟B(tài)，具有一定的強(qiáng)度與穩(wěn)定性。若待沉樁6初始剛度不夠，在后續(xù)水箱作用下容易發(fā)生傾斜與傾覆，必然影響后續(xù)沉樁作業(yè)。

鋼楔1的綁定位置應(yīng)使斜套筒9緊密壓迫鋼楔1時(shí)，直套筒8的頂板也與待沉樁6頂部接觸?？稍阡撔?與待沉樁6之間鋪設(shè)一層橡膠薄墊增大相互摩擦力，且在鋼楔1的斜凸弧面上涂上潤(rùn)滑劑。

2）、把托架套入待沉樁頂部：

把托架7套入待沉樁6頂部，使托架7上的斜套筒9緊密的壓在鋼楔1的斜凸弧面4上，托架7上直套筒8的頂面壓在待沉樁6的頂面，托架7的中心軸線與待沉樁6的中心軸線重合，且托架7與待沉樁6之間接觸緊密而不發(fā)生晃動(dòng)，如圖12所示。

組裝后，托架7與待沉樁6之間接觸緊密，托架7的中心軸線與待沉樁6的中心軸線相互重合，托架7的頂面處于水平狀態(tài)。

3）、把托板平鋪于托架頂面：

按照一定間距先沿一個(gè)方向把托板11平鋪于托架7上形成第一層托板，再按照一定間距沿與第一層托板垂直的方向把托板11平鋪于第一層托板上形成第二層托板，第一層與第二層托板中的部分托板11上的預(yù)留孔洞套住定位棒10進(jìn)行固定，鋪好后的托板呈正方形形狀，且該正方形中心位于托架7的中心軸線上。

托板11的長(zhǎng)度與擬放置的水箱尺寸及數(shù)量有關(guān)。若托板11的長(zhǎng)度偏短，則后續(xù)水箱層數(shù)過(guò)多，底部水箱受壓過(guò)大；若托板11的長(zhǎng)度偏長(zhǎng)，則后續(xù)水箱平鋪的面積過(guò)大，中部水箱的充水作業(yè)不方便。故托板11的長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境、水箱材料強(qiáng)度、沉樁難以程度綜合確定。

4）、把水箱均勻放置于托板上，抽取海水填充水箱，把樁沉貫至設(shè)計(jì)深度：

把各水箱均勻、對(duì)稱的緊密排列于托板上，抽取海水均勻、對(duì)稱的填充水箱，使待沉樁6在海水重量的作用下逐漸下沉，逐漸增加水箱的數(shù)量并依次充水，最終使待沉樁6貫入海床至設(shè)計(jì)深度，如圖14所示。

海水的密度一般為1.025g/cm³，即1m³的海水重1t左右。若數(shù)量較多的水箱累計(jì)充水后達(dá)到10m³，則可給樁基礎(chǔ)施加10t的豎向荷載；若水箱累計(jì)充水20m³，則可給樁基礎(chǔ)施加20t的豎向荷載；若水箱累計(jì)充水30m³，則可給樁基礎(chǔ)施加30t的豎向荷載。水箱一般由塑料制成，其費(fèi)用較低，可以反復(fù)利用。

水箱充水應(yīng)沿托架7的中軸線處對(duì)稱、均勻的開(kāi)展，避免產(chǎn)生不均勻荷載。且水箱本身應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，多層水箱層疊時(shí)，最下方的水箱應(yīng)能承受上部荷載而不發(fā)生破損。

應(yīng)循序漸進(jìn)、緩慢的增加水箱的總體重量，合理設(shè)計(jì)各級(jí)加載荷載與加載時(shí)間，使待沉樁6在由小變大的緩慢加載過(guò)程中逐漸下沉。應(yīng)時(shí)刻觀察、校對(duì)待沉樁6下沉的姿態(tài)，確保沉樁6下沉的垂直度。若沉樁過(guò)程中樁基礎(chǔ)發(fā)生一定的傾斜，可在其傾斜相反方向多施加一些水箱，通過(guò)不均勻加載形成的彎矩可對(duì)傾斜沉樁進(jìn)行糾偏，從而確保沉樁的垂直度滿足要求。

施工過(guò)程中，應(yīng)避免最底層的水箱浸泡于海水中。若水箱浸泡于海水中，其受到向上浮力，抵消了水箱的重量，顯然對(duì)沉樁不利。

最終的加載荷載即水箱總重量可超過(guò)該樁的后續(xù)使用荷載，使樁基礎(chǔ)使用過(guò)程中不再產(chǎn)生豎向沉降，提高樁基礎(chǔ)的整體穩(wěn)定性?？梢?jiàn)，因地制宜的抽取海水給樁基礎(chǔ)施加豎向荷載，是一種廉價(jià)、高效的施工方法。

5）、完成沉樁作業(yè)，移除水箱與托架：

待沉樁6貫入海床至設(shè)計(jì)深度且鉛垂度滿足要求后，均勻、對(duì)稱的移除水箱，拆除托板11，移除托架7，并解開(kāi)、取走鋼楔1，最終完成沉樁作業(yè)。

移除水箱過(guò)程中，應(yīng)保持剩余水箱荷載的均勻性與對(duì)稱性，不可產(chǎn)生不均勻荷載，不可使樁基礎(chǔ)產(chǎn)生傾斜與偏移。

本發(fā)明不局限于上述具體實(shí)施方式，根據(jù)上述內(nèi)容，按照本領(lǐng)域的普通技術(shù)知識(shí)和慣用手段，在不脫離本發(fā)明上述基本技術(shù)思想前提下，本發(fā)明還可以做出其它多種形式的等效修改、替換或變更，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。