CN109403318B - 一种海上风电植入型单桩基础及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海上风电设备技术领域，具体涉及一种海上风电植入型单桩基础及其施工方法，包括从上到下沿同一中心轴依次焊接连接的直段单桩、变径段单桩和缩径段单桩，直段单桩和缩径段单桩的形状分别为圆筒状，变径段单桩的形状为上大下小的圆台状；缩径段单桩的外部套设有圆筒状的钢筋笼，钢筋笼与缩径段单桩外壁焊接，钢筋笼与缩径段单桩外壁之间形成用于灌注混凝土的环形的灌注空间，灌注空间内安装有混凝土质量传感器。本发明在小直径的缩径段单桩外壁套设环向钢筋笼，向钢筋笼环形空间内灌入混凝土，灌注空间内设置混凝土质量传感器，通过传感器传输数据监控灌注质量，增大了单桩基础的刚度和水平承载性能。

Description

一种海上风电植入型单桩基础及其施工方法

技术领域

本发明涉及海上风电设备技术领域，具体涉及一种海上风电植入型单桩基础及其施工方法。

背景技术

当前，海上风电已成为全球风电发展的研究热点，世界各国都把海上风电作为可再生能源发展的重要方向，我国也将其划入战略性新兴产业的重要组成部分。我国海上风能资源丰富，根据全国普查成果，我国5～25米水深、50米高度海上风电开发潜力约2亿千瓦；5～50米水深、70米高度海上风电开发潜力约5亿千瓦，行业开发前景广阔。

海上风电场风机基础的结构型式可分为重力式基础、单桩基础、多柱基础、吸力式基础等。其中单桩基础一般指单根钢管桩基础，其受力分析明确，结构型式简单，施工速度快、经济性好，其埋入深度由水深和地质条件决定。国外风电场已经将单桩基础应用于0～40m水深海域，风力发电机组单机容量高达8MW；国内风电场也已具备丰富的单桩基础软基海床建设经验。据统计，目前全球75％以上的海上风机基础均采用单桩基础型式。单桩基础主要承受风、浪等水平荷载作用，其水平承载性能是其适用与否的关键。由于整体刚度相对较小，桩身位移往往较大，在波浪、风荷载作用下的结构动力响应较大，容易产生疲劳损伤甚至失效。针对机位处于岩层埋藏深度较浅，钢管桩可打入深度较浅，采用植入型嵌岩单桩基础，即临时护筒预钻孔后植入钢管桩再进行封底注浆施工工艺。植入型嵌岩单桩基础桩外壁回填灌浆主要作用是为了提高桩身刚度，防止桩在水平荷载作用下过大的偏位、提高桩壁摩阻力。因此，灌浆施工质量尤为重要，其质量直接影响桩的水平承载力，而目前灌浆施工工艺存在着浆壁厚度不均，施工质量难于保证，灌浆材料为高强度混凝土，施工成本高等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种海上风电植入型单桩基础及其施工方法，有效地解决了植入型单桩基础桩外壁回填灌浆施工质量难于保证的难题，同时提高了桩身整体刚度，增强了对水平位移的控制作用，提高了基础的水平承载性能，大大降低了结构的水平位移。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种海上风电植入型单桩基础，包括从上到下沿同一中心轴依次设置的直段单桩、变径段单桩和缩径段单桩，所述直段单桩和缩径段单桩的形状分别为圆筒状，所述变径段单桩的形状为上大下小的圆台状；

所述直段单桩的底部与所述变径段单桩的顶部连接，所述直段单桩的外径与所述变径段单桩的顶面外径相同；

所述变径段单桩的底部与所述缩径段单桩的顶部连接，所述变径段单桩的底面外径与所述缩径段单桩的外径相同；

所述缩径段单桩的外部套设有圆筒状的钢筋笼，所述钢筋笼与所述缩径段单桩外壁焊接，所述钢筋笼与所述缩径段单桩外壁之间形成用于灌注混凝土的环形的灌注空间，所述灌注空间内安装有混凝土质量传感器。

本发明还提供一种上述海上风电植入型单桩基础的施工方法，包括以下步骤：

步骤1、将直段单桩、变径段单桩和缩径段单桩从上到下依次排列并焊接固定，钢筋笼套设在所述缩径段单桩外壁并与缩径段单桩外壁焊接，在灌注空间内安装混凝土质量传感器，得到组合单桩；

步骤2、将组合单桩运输到施工海域位置，对组合单桩进行沉桩操作，所述变径段单桩和缩径段单桩进入基岩海床，后在灌注空间内灌注水下混凝土。

本发明的有益效果在于：相比于现有技术的单桩基础直径不变的情况，本发明的单桩基础包括直段单桩、变径段单桩和直径变小的缩径段单桩，单桩基础直径有向下渐渐变小，使单桩制作成本降低，且环向钢筋笼套设固定在缩径段单桩内并一起进入基岩海床，植入到既定深度后，向钢筋笼环形空间内灌入混凝土，钢筋笼结构增大了单桩基础的刚度和承载性能，相比现有植入型单桩基础，该基础型式极大地提高了桩基水平承载能力与抗倾覆能力，降低了基础结构的动力响应，提高了植入型单桩基础的稳定可靠性。

同时，本发明在灌注空间内设置混凝土质量传感器，通过传感器传输数据监控灌注质量，有效地解决了海上风电植入型单桩基础在基岩海床中应用的关键性技术难题，即单桩外壁灌注施工质量难于保证的难题，使单桩基础能够与周围的基岩紧密结合，提高了桩基水平承载能力与抗倾覆能力，降低了基础结构的动力响应，提高了植入型单桩基础的稳定可靠性。

附图说明

图1为本发明具体实施方式的海上风电植入型单桩基础的结构示意图；

图2为本发明具体实施方式的海上风电植入型单桩基础实施例1的A-A剖面示意图；

标号说明：

1、直段单桩；2、变径段单桩；3、缩径段单桩；4、钢筋笼；41、主筋；42、箍筋；43、径向钢筋；5、混凝土质量传感器；6、风机塔筒；7、海平面；8、天然泥面；9、基岩海床。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

本发明最关键的构思在于:在小直径的缩径段单桩外壁套设环向钢筋笼，向钢筋笼环形空间内灌入混凝土，灌注空间内设置混凝土质量传感器，通过传感器传输数据监控灌注质量，增大了单桩基础的刚度和水平承载性能。

请参照图1和图2所示，一种海上风电植入型单桩基础，包括从上到下沿同一中心轴依次设置的直段单桩1、变径段单桩2和缩径段单桩3，所述直段单桩1和缩径段单桩3的形状分别为圆筒状，所述变径段单桩2的形状为上大下小的圆台状；

所述直段单桩1的底部与所述变径段单桩2的顶部连接，所述直段单桩1的外径与所述变径段单桩2的顶面外径相同；

所述变径段单桩2的底部与所述缩径段单桩3的顶部连接，所述变径段单桩2的底面外径与所述缩径段单桩3的外径相同；

所述缩径段单桩3的外部套设有圆筒状的钢筋笼4，所述钢筋笼4与所述缩径段单桩3外壁焊接，所述钢筋笼4与所述缩径段单桩3外壁之间形成用于灌注混凝土的环形的灌注空间，所述灌注空间内安装有混凝土质量传感器5。

混凝土质量传感器包括：一是检测混凝土灌注质量，采用桩基检测低应变法，在灌注空间内预埋加速度传感器；二是监测混凝土受力情况，采用应变长期监测，在灌注空间内预埋混凝土应变计，应变计主要安装在钢筋笼的顶与底面的钢筋上，加速度传感器主要安装在钢筋笼的顶面钢筋上。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：相比于现有技术的单桩基础直径不变的情况，本发明的单桩基础包括直段单桩1、变径段单桩2和直径变小的缩径段单桩3，单桩基础直径有向下渐渐变小，使单桩制作成本降低，且环向钢筋笼4套设固定在缩径段单桩3内并一起进入基岩海床9，植入到既定深度后，向钢筋笼4环形空间内灌入混凝土，钢筋笼4结构增大了单桩基础的刚度和承载性能，相比现有植入型单桩基础，该基础型式极大地提高了桩基水平承载能力与抗倾覆能力，降低了基础结构的动力响应，提高了植入型单桩基础的稳定可靠性。

同时，本发明在灌注空间内设置混凝土质量传感器5，通过传感器传输数据监控灌注质量，有效地解决了海上风电植入型单桩基础在基岩海床9中应用的关键性技术难题，即单桩外壁灌注施工质量难于保证的难题，使单桩基础能够与周围的基岩紧密结合，提高了桩基水平承载能力与抗倾覆能力，降低了基础结构的动力响应，提高了植入型单桩基础的稳定可靠性。

进一步的，所述钢筋笼4包括若干根主筋41和环状的箍筋42，若干根所述主筋41竖直且围绕所述缩径段单桩3的中心轴呈圆筒状排列，若干根所述箍筋42上下排列且与所述主筋41焊接。

进一步的，所述箍筋42的外径与所述直段单桩1的外径相同。

进一步的，所述钢筋笼4与所述缩径段单桩3外壁通过径向钢筋43焊接，所述径向钢筋43垂直于所述缩径段单桩3外壁设置，所述混凝土质量传感器5安装在所述径向钢筋43上，所述混凝土质量传感器5设有多个，多个所述混凝土质量传感器5沿着所述径向钢筋43的长度方向均匀间隔分布。

由上述描述可知，多个混凝土质量传感器5到缩径段单桩3的外壁的距离不同，使得灌注空间在灌注混凝土时各个方位都得到有效监测，提高单桩外壁灌注施工质量。

进一步的，所述灌注空间内灌注有水下混凝土。

由上述描述可知，灌注材料改为水下混凝土，降低了混凝土材料费用。

进一步的，所述直段单桩1的顶部安装有风机塔筒6。

本发明还提供一种上述海上风电植入型单桩基础的施工方法，包括以下步骤：

步骤1、将直段单桩1、变径段单桩2和缩径段单桩3从上到下依次排列并焊接固定，钢筋笼4套设在所述缩径段单桩3外壁并与缩径段单桩3外壁焊接，在灌注空间内安装混凝土质量传感器5，得到组合单桩；

步骤2、将组合单桩运输到施工海域位置，对组合单桩进行沉桩操作，所述变径段单桩2和缩径段单桩3进入基岩海床9，后在灌注空间内灌注水下混凝土。

实施例1

一种海上风电植入型单桩基础，包括从上到下沿同一中心轴依次设置的直段单桩1、变径段单桩2和缩径段单桩3，所述直段单桩1和缩径段单桩3的形状分别为圆筒状，所述变径段单桩2的形状为上大下小的圆台状；

变径段单桩2和缩径段单桩3为钢管桩，直径为5米以上，

所述直段单桩1的底部与所述变径段单桩2的顶部连接，所述直段单桩1的外径与所述变径段单桩2的顶面外径相同；

所述变径段单桩2的底部与所述缩径段单桩3的顶部连接，所述变径段单桩2的底面外径与所述缩径段单桩3的外径相同；

所述缩径段单桩3的外部套设有圆筒状的钢筋笼4，所述钢筋笼4与所述缩径段单桩3外壁焊接，所述钢筋笼4与所述缩径段单桩3外壁之间形成用于灌注混凝土的环形的灌注空间，所述灌注空间内安装有混凝土质量传感器5。

所述钢筋笼4包括若干根主筋41和环状的箍筋42，若干根所述主筋41竖直且围绕所述缩径段单桩3的中心轴呈圆筒状排列，若干根所述箍筋42上下排列且与所述主筋41焊接。所述箍筋42的外径与所述直段单桩1的外径相同。所述钢筋笼4与所述缩径段单桩3外壁通过径向钢筋43焊接，所述径向钢筋43垂直于所述缩径段单桩3外壁设置，所述混凝土质量传感器5安装在所述径向钢筋43上，所述混凝土质量传感器5设有多个，多个所述混凝土质量传感器5沿着所述径向钢筋43的长度方向均匀间隔分布。所述灌注空间内灌注有水下混凝土。所述直段单桩1的顶部安装有风机塔筒6。

一种海上风电植入型单桩基础的施工方法，包括以下步骤：

(1)工厂精确放样后，将直段单桩1、变径段单桩2和缩径段单桩3从上到下依次排列并焊接固定，通过环向布置的径向钢筋43焊接组合成整体，在钢筋笼4上安装测定混凝土质量的传感器，得到组合单桩；(2)现场施工海域确定基础所在位置；(3)钢护筒沉设，在钢护筒上部布置钻机设备，进行钻孔；(4)钻孔达到设计深度后，进行清孔；(5)将预制好的组合单桩运至相应位置，吊装定位好；(6)在单桩上部布置液压设备，对变径段单桩2和缩径段单桩3进行沉桩操作，则与其组成整体的环形钢筋笼4相应进入海床；直段单桩1的上端在海平面7以上，下端一部分在海平面7以下，底部在天然泥面8上，缩径段单桩3和钢筋笼4都在基岩海床9内；(7)组合单桩到位后，进行封底混凝土施工；(8)单桩壁外钢筋笼4灌注混凝土，通过传感器传输数据监控灌注质量；(9)在单桩的上端安装风机塔筒6。

综上所述，本发明提供的海上风电植入型单桩基础及其施工方法，相比于现有技术的单桩基础直径不变的情况，本发明的单桩基础包括直段单桩、变径段单桩和直径变小的缩径段单桩，单桩基础直径有向下渐渐变小，使单桩制作成本降低，且环向钢筋笼套设固定在缩径段单桩内并一起进入基岩海床，植入到既定深度后，向钢筋笼环形空间内灌入混凝土，钢筋笼结构增大了单桩基础的刚度和承载性能，相比现有植入型单桩基础，该基础型式极大地提高了桩基水平承载能力与抗倾覆能力，降低了基础结构的动力响应，提高了植入型单桩基础的稳定可靠性。

同时，本发明在灌注空间内设置混凝土质量传感器，通过传感器传输数据监控灌注质量，有效地解决了海上风电植入型单桩基础在基岩海床中应用的关键性技术难题，即单桩外壁灌注施工质量难于保证的难题，使单桩基础能够与周围的基岩紧密结合，提高了桩基水平承载能力与抗倾覆能力，降低了基础结构的动力响应，提高了植入型单桩基础的稳定可靠性。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种海上风电植入型单桩基础，其特征在于，包括从上到下沿同一中心轴依次设置的直段单桩、变径段单桩和缩径段单桩，所述直段单桩和缩径段单桩的形状分别为圆筒状，所述变径段单桩的形状为上大下小的圆台状；

所述直段单桩的底部与所述变径段单桩的顶部连接，所述直段单桩的外径与所述变径段单桩的顶面外径相同；

所述变径段单桩的底部与所述缩径段单桩的顶部连接，所述变径段单桩的底面外径与所述缩径段单桩的外径相同；

所述缩径段单桩的外部套设有圆筒状的钢筋笼，所述钢筋笼与所述缩径段单桩外壁焊接，所述钢筋笼与所述缩径段单桩外壁之间形成用于灌注混凝土的环形的灌注空间，所述灌注空间内安装有混凝土质量传感器。

2.根据权利要求1所述的海上风电植入型单桩基础，其特征在于，所述钢筋笼包括若干根主筋和环状的箍筋，若干根所述主筋竖直且围绕所述缩径段单桩的中心轴呈圆筒状排列，若干根所述箍筋上下排列且与所述主筋焊接。

3.根据权利要求2所述的海上风电植入型单桩基础，其特征在于，所述箍筋的外径与所述直段单桩的外径相同。

4.根据权利要求1所述的海上风电植入型单桩基础，其特征在于，所述钢筋笼与所述缩径段单桩外壁通过径向钢筋焊接，所述径向钢筋垂直于所述缩径段单桩外壁设置，所述混凝土质量传感器安装在所述径向钢筋上，所述混凝土质量传感器设有多个，多个所述混凝土质量传感器沿着所述径向钢筋的长度方向均匀间隔分布。

5.根据权利要求1所述的海上风电植入型单桩基础，其特征在于，所述灌注空间内灌注有水下混凝土。

6.根据权利要求1所述的海上风电植入型单桩基础，其特征在于，所述直段单桩的顶部安装有风机塔筒。

7.根据权利要求1～6任一项所述的海上风电植入型单桩基础的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将直段单桩、变径段单桩和缩径段单桩从上到下依次排列并焊接固定，钢筋笼套设在所述缩径段单桩外壁并与缩径段单桩外壁焊接，在灌注空间内安装混凝土质量传感器，得到组合单桩；

步骤2、将组合单桩运输到施工海域位置，对组合单桩进行沉桩操作，所述变径段单桩和缩径段单桩进入基岩海床，后在灌注空间内灌注水下混凝土。