CN106930313A - 一种近海风电工程桩桶组合基础及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种近海风电工程桩桶组合基础及其施工方法，包括桶体与套筒，桶体外壁上部连接有三个套筒，还包括施工时预先竖直打入海床内的三根钢桩，三根钢桩与筒体外周三个套筒位置相对应，钢桩外壁上设有桩翼，钢桩上端插装有辅助钢棒；桶体通过三个套筒套装于三根辅助钢棒上沉入海中，套筒下端压住相应钢桩上的桩翼；通过打入三根钢桩、套入桶形基础、桶形基础贯入海床、移除辅助钢棒等步骤完成施工。本发明三桶基与桩基之间的连接方式简单，组合后的整体抗侧移刚度大，稳定性大大提高；桶形基础套住钢桩下沉，只要三根钢桩的垂直度满足要求，则桶形基础的垂直度自动满足要求，且无需后续的调平与校正，降低了施工难度。

Description

一种近海风电工程桩桶组合基础及其施工方法

技术领域：

本发明涉及近海风电基础，具体涉及一种近海风电工程桩桶组合基础及其施工方法。

背景技术：

桶形基础产生于二十世纪九十年代的挪威，是一种带裙的圆板基础，由于其具有减小工程量、节约投资、缩短海上施工时间、可重复使用等特点，逐渐被运用至海洋平台与海上风电基础中。

桶形基础属于大直径宽浅型基础，其具有较大的竖向刚度与竖向承载力，但其水平承载力与稳定性较差；且在沉贯海床过程中容易发生偏移，其铅垂度难以保证，施工难度较大。特别地，海上风电工程受到较大的水平荷载，尤其在台风作用下海上风电工程的基础稳定性是控制因素之一。

而桩基础能承受较大的水平承载力，施工过程中其铅垂度较容易得到保证，且积累了丰富的施工经验。因此，把桩基础与桶形基础组合起来，能够实现优势互补，形成合理的组合基础形式。

已有文献公开了多种桩基础与桶形基础的组合模式。如中国专利授权公告号CN204551518U公开了一种大直径宽浅桶负压桩组合基础，在桶基内部设置四个负压桩，其局限性在于：各负压桩之间的距离较小，使得整体抗侧移刚度较小，水平承载力提高有限；且桶形基础内部分隔过多，增加了桶形基础的制作难度。授权公告号CN102251534B公开了桶基中部设置一根钢桩的桩-桶基础形式，其局限性在于：施工过程中桶形基础的气密性难以得到保证；且在先沉桶后沉桩施工方法中，若桶形基础的垂直度若发生较小偏差，势必影响后续沉桩施工及桩与桶之间的有效连接。授权公告号CN102808419B公开了一种桩桶组合基础，其局限性在于：仅设置一根桩，其对提高组合基础抗侧移刚度有限；桩与桶之间的连接复杂，增加了制作与施工难度。

桶形基础在沉贯过程中需保持竖直贯入，若产生一定程度的倾斜，需通过调平使其保持竖直状态，否则影响其使用功能。如何有效控制与维持桶形基础沉贯过程中的垂直度，是桶形基础施工过程中的关键技术之一。现行桶形基础的各类设计构型，对施工过程的方便性、可行性考虑较少。

若在桩-桶组合基础中，既利用桩基础来提高组合基础的水平承载力，又利用桩基础来引导桶形基础的沉贯施工，确保桶形基础施工的垂直度，则可充分发挥桩基础与桶形基础的各自优势，大大降低组合基础的施工难度与施工成本，缩短海上施工时间，进而促进桶形基础在海上风电工程中的应用。可见，有必要探讨适应海上风电工程的桩-桶组合基础新构型，促进现有组合基础施工技术的革新与进步。

发明内容：

为了弥补现有技术问题的不足，本发明的目的是提供一种近海风电工程桩桶组合基础及其施工方法，在桶形基础的外围设置三个套筒套住三根钢桩，整体抗侧移刚度大，施工方便。

本发明的技术方案如下：

近海风电工程桩桶组合基础，其特征在于，包括倒置的桶体与套筒构成的桶形基础，桶体外壁上部连接有三个呈品字型分布的套筒；

还包括施工时预先竖直打入海床内的三根钢桩，三根钢桩与筒体外周三个套筒位置相对应，钢桩外壁上设有桩翼，钢桩上端插装有辅助钢棒；

桶体通过三个套筒套装于三根辅助钢棒上沉入海中，套筒下端压住相应钢桩上的桩翼。

所述的近海风电工程桩桶组合基础，其特征在于，所述的桶体倒置，桶体外壁上部通过钢管焊接有三个呈品字型分布的套筒，钢管与桶体及套筒的连接处设有加筋肋，桶体的顶部设有进入桶内的进出水阀。

所述的近海风电工程桩桶组合基础，其特征在于，所述的钢桩末端设有锥状桩尖，钢桩外壁靠近上端设有均匀、对称的设有梯形状桩翼，各桩翼的上部呈水平状且在同一平面上，钢桩上端面中心处设有与辅助钢棒插装配合的插装孔。

所述的近海风电工程桩桶组合基础，其特征在于，所述的辅助钢棒下端设有底部加粗段，底部加粗段下端设有与钢桩插装配合的凸榫。

所述的近海风电工程桩桶组合基础，其特征在于，所述的套筒的内径大于钢桩外径1~2cm。

一种近海风电工程桩桶组合基础的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）、打入三根钢桩：

根据设计参数，在设计指定的海域竖直的打入三根钢桩，最终使三根钢桩的中心距、铅垂度、入土深度等参数满足设计要求；

2）、套入桶形基础：

把辅助钢棒的凸榫插入钢桩的插装孔中，起吊桶形基础使三个套筒套住三根辅助钢棒并逐渐下沉，使桶形基础沿着辅助钢棒缓慢沉入海中直至接触海床且套在三根钢桩的上部；

3）、桶形基础贯入海床：

打开连接桶形基础进出水阀上的抽水系统抽取负压，使桶形基础在自重及负压作用下沿着钢桩贯入海床至设计深度；

4）、移除辅助钢棒：

从三根钢桩上取出、移除辅助钢棒，进而开展桶形基础与风机塔筒的连接，最终完成组合基础的施工。

本发明的有益效果是：

1、本发明三根钢桩对称的位于桶形基础外侧的一定距离处，各桩之间的距离相对较大，组合后的整体抗侧移刚度大，能承受较大的水平荷载，稳定性大大提高。

2、本发明桶形基础基于套筒套住钢桩下沉，其只能发生竖向沉降而不发生水平侧移，只要三根钢桩的垂直度满足要求，则桶形基础的垂直度自动满足要求，且无需后续的调平与校正；把桶形基础沉贯过程中的垂直度问题转化为钢桩的垂直度问题，定位钢桩的垂直度较容易实现，从而整体上降低了桶形基础的施工难度；

3、本发明桶基与桩基之间的连接方式简单，无复杂的连接构件及施工要求。只要桶形基础的套筒能套住钢桩并下陷一定的深度，则桶基与桩基不可能发生脱离，能共同抵抗竖向荷载与水平荷载；

4、本发明若需拆卸、移除本发明所提的桩桶组合基础，在移除桶形基础过程中，由于桶形基础仅仅套在桩基础上，桩基础对桶形基础的上浮无阻碍作用，施工简便，利于拆卸与反复利用。

附图说明：

图1本发明的桶形基础俯视图。

图2本发明的桶形基础仰视图。

图3本发明的钢桩结构示意图。

图4本发明的施工辅助钢棒结构示意图。

图5本发明三根钢桩施工完毕示意图。

图6本发明桶形基础套入三根钢桩示意图。

图7本发明桶形基础贯入海床示意图。

图8本发明桶形基础施工完毕示意图。

附图标记说明：1、桶体；2、进出水阀；3、钢管；4、加筋肋；5、套筒；6、钢桩；7、锥状桩尖；8、桩翼；9、插装孔；10、辅助钢棒；11、底部加粗段；12、凸榫；A、海平面；B、海床面。

具体实施方式：

参见附图：

一种近海风电工程桩桶组合基础，包括桶体1与套筒5，在桶体1的上部桶侧基于钢管3对称、均匀的焊接三个套筒5，钢管3与桶体1及套筒5的连接处设有加筋肋4，施工时预先打设三根竖直的钢桩6，再把辅助钢棒10插入钢桩6上部，把桶形基础的三个套筒5套住三根辅助钢棒10沉入海中接触海床，在自重及桶内外压力差作用下把桶形基础贯入海床至设计深度，整个过程桶形基础的垂直度能自动满足，最终桶形基础的三个套筒5套住钢桩6且压在桩翼8上，由此构成桩桶组合基础。

桶体1的上部桶侧基于钢管3对称、均匀的焊接三个套筒5，钢管3与桶体1及套筒5的连接处设有加筋肋4，桶形基础的顶面设有进出水阀2，如图1与图2所示。

桶体1上三个套筒5与桶形基础中心轴的连线互成120º。钢管3的一端与上部桶侧焊接相连，钢管3的另一端与套筒5焊接相连，各焊接处设有加筋肋4。三个套筒5处于桶形基础的外围，其对桶体内部的封闭性无影响，且与桶形基础中心轴有一定的距离，使得今后三根钢桩6的距离相对较大，提高整体的抗侧移刚度。三个套筒5基本位于桶形基础的顶部，其不会明显增加桶形基础的沉贯难度。设计三个套筒5，是为了利用三角形的稳定性，使后续组合基础的稳定性较高。

钢桩6底部设锥状桩尖7，钢桩6靠近上端附近均匀、对称的设有梯形状桩翼8，各桩翼8的上部呈水平状且在同一平面上，钢桩6上端顶面中心处设置一定深度的插装孔9，如图3所示。

多个梯形状桩翼8均匀、对称的焊接在钢桩6上部同一位置处，桩翼8靠近桩顶一侧的顶面呈水平状且在同一平面上。组合基础中的桶形基础下沉一定深度后，其套筒5将压在桩翼8上，即桩翼8可阻止桶形基础的进一步下沉，从而把部分竖向荷载传递给钢桩6，使得桶形基础与三根钢桩6共同承担竖向荷载，实现桩与桶形基础的有效组合。

设计过程中应合理计算桩翼8的位置。若桩翼8的位置较深，桶形基础承担较大竖向荷载发生充分沉降后，套筒5仍触碰不到桩翼8，则竖向荷载无法传递给钢桩6，使得钢桩6的竖向承载力未有效利用；若桩翼8的位置较浅，桶形基础承担竖向荷载发生较小沉降后，套筒5就压在桩翼8上，使竖向荷载大部分传递给钢桩6，造成桶形基础的竖向承载力未充分利用。较合理的情况是，桶形基础与钢桩6的竖向承载力均得到有效利用，两者的竖向荷载分配合理，共同承担上部风机传递过来的荷载。

桶形基础套筒5的内径大于钢桩6外径1~2cm，使得施工过程中套筒5较容易套住钢桩6。为了减少相互摩擦，甚至可以在套筒5的内壁及钢桩6的上端外壁上涂抹润滑剂。

辅助钢棒10的底部设置底部加粗段11，其直径由细到粗逐渐过渡，且底部加粗段11的外径与钢桩6的外径相同，辅助钢棒10的底端设置凸榫12，如图4所示。凸榫12的直径略小于钢桩6上插装孔9的内径，凸榫12的长度略小于钢桩6上插装孔9的深度。

桶形基础、钢桩6、辅助钢棒10均由钢材焊接而成，各构件、焊缝及整体结构的强度应满足复杂工况下组合荷载的作用需求而不发生屈服，各构件应满足应力集中需要而不发生超过规范允许的过大变形。

一种近海风电工程桩桶组合基础的施工方法，详细描述如下：

1）、打入三根钢桩：

根据设计参数，在设计指定的海域竖直的打入三根钢桩6，最终使三根钢桩6的中心距、铅垂度、入土深度等参数满足设计要求，如图5所示。

三根钢桩6之间的中心距与桶形基础上三个套筒5之间的中心距相等。只有三根钢桩6的垂直度与间距满足要求，才能确保后续桶形基础的垂直度满足要求。本技术把确保桶形基础的垂直度要求转化为钢桩的垂直度要求，而钢桩的垂直度较容易得到保障，且各类钢桩施工经验丰富，从而达到降低桶形基础施工难度的目的。

2）、套入桶形基础：

把辅助钢棒10的凸榫12插入钢桩6的插装孔9中，起吊桶形基础使三个套筒5套住三根辅助钢棒10并逐渐下沉，使桶形基础沿着辅助钢棒10缓慢沉入海中直至接触海床且套在三根钢桩6的上部，如图6所示。

桶形基础的沉贯姿态依靠钢桩6的引导与约束，故钢桩6应能抵抗施工过程中的各类荷载而不发生侧移与倾斜。桶形基础及钢桩各构件的强度应能承受复杂工况下组合荷载的作用而不发生屈曲与变形。

3）、桶形基础贯入海床：

打开连接桶形基础进出水阀2上的抽水系统抽取负压，使桶形基础在自重及负压作用下沿着钢桩6贯入海床至设计深度，如图7所示。

在三根钢桩6垂直度满足要求的情况下，桶形基础沿着三根钢桩6贯入海床，其垂直度自动满足要求，施工过程无需调平与反复校核。施工过程大大简化，施工难度大大降低，缩短了海上作业时间，从而降低了施工成本。

4）、移除辅助钢棒：

从三根钢桩6上取出、移除辅助钢棒10，进而开展桶形基础与风机塔筒的连接，最终完成组合基础的施工，如图8所示。

在后续使用荷载作用下，桶形基础由于受到三根钢桩6的约束与限制，只要三根钢桩的入土深度较大、刚度较高，桶形基础的垂直度仍能够得到有效保证，确保基础上部风机的有效运行。

本发明所提的一种近海风电工程桩桶组合基础，三根钢桩对称的位于桶形基础外侧的一定距离处，各桩之间的距离相对较大，组合后的整体抗侧移刚度大，能承受较大的水平荷载，稳定性大大提高；桶形基础基于套筒套住钢桩下沉，其只能发生竖向沉降而不发生水平侧移，只要三根钢桩的垂直度满足要求，则桶形基础的垂直度自动满足要求，且无需后续的调平与校正；桶基与桩基之间的连接方式简单，无复杂的连接构件及施工要求；由于桶形基础仅仅套在桩基础上，在移除桶形基础过程中，桩基础对桶形基础的上浮无阻碍作用，施工简便，利于拆卸与反复利用。

本发明不局限于上述具体实施方式，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种近海风电工程桩桶组合基础，其特征在于，包括倒置的桶体与套筒构成的桶形基础，桶体外壁上部连接有三个呈品字型分布的套筒；

还包括施工时预先竖直打入海床内的三根钢桩，三根钢桩与筒体外周三个套筒位置相对应，钢桩外壁上设有桩翼，钢桩上端插装有辅助钢棒；

桶体通过三个套筒套装于三根辅助钢棒上沉入海中，套筒下端压住相应钢桩上的桩翼。

2.根据权利要求1所述的近海风电工程桩桶组合基础，其特征在于，所述的桶体倒置，桶体外壁上部通过钢管焊接有三个呈品字型分布的套筒，钢管与桶体及套筒的连接处设有加筋肋，桶体的顶部设有进入桶内的进出水阀。

3.根据权利要求1所述的近海风电工程桩桶组合基础，其特征在于，所述的钢桩末端设有锥状桩尖，钢桩外壁靠近上端设有均匀、对称的设有梯形状桩翼，各桩翼的上部呈水平状且在同一平面上，钢桩上端面中心处设有与辅助钢棒插装配合的插装孔。

4.根据权利要求1所述的近海风电工程桩桶组合基础，其特征在于，所述的辅助钢棒下端设有底部加粗段，底部加粗段下端设有与钢桩插装配合的凸榫。

5.根据权利要求1所述的近海风电工程桩桶组合基础，其特征在于，所述的套筒的内径大于钢桩外径1~2cm。

6.一种近海风电工程桩桶组合基础的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）、打入三根钢桩：

根据设计参数，在设计指定的海域竖直的打入三根钢桩，最终使三根钢桩的中心距、铅垂度、入土深度等参数满足设计要求；

2）、套入桶形基础：

把辅助钢棒的凸榫插入钢桩的插装孔中，起吊桶形基础使三个套筒套住三根辅助钢棒并逐渐下沉，使桶形基础沿着辅助钢棒缓慢沉入海中直至接触海床且套在三根钢桩的上部；

3）、桶形基础贯入海床：

打开连接桶形基础进出水阀上的抽水系统抽取负压，使桶形基础在自重及负压作用下沿着钢桩贯入海床至设计深度；

4）、移除辅助钢棒：

从三根钢桩上取出、移除辅助钢棒，进而开展桶形基础与风机塔筒的连接，最终完成组合基础的施工。