CN109496244B

CN109496244B - 基础桩安装装置

Info

Publication number: CN109496244B
Application number: CN201780031773.8A
Authority: CN
Inventors: B·J·M·昂茨; N·M·诺尔丹姆
Original assignee: Gbm Engineering Co ltd
Current assignee: GBM Engineering Intellectual Property Co.,Ltd.
Priority date: 2016-05-25
Filing date: 2017-05-25
Publication date: 2021-03-09
Anticipated expiration: 2037-05-25
Also published as: US10597841B2; CN109496244A; EP3464734B1; EP3464734A1; WO2017203023A1; US20190292745A1

Abstract

基础桩端件，包括环形连接壳体，其中环形连接壳体的近端构造成固定于基础桩的底端；还包括可移动尖端，其中环形连接壳体的远端构造成固定地保持可移动尖端，其中可移动尖端设置成关于环形连接壳体的中心轴线横向摆动，其中可移动尖端构造成根据摆动的致动从基础桩的底端转移土壤。

Description

基础桩安装装置

技术领域

本发明总体涉及振动打桩机。更具体地，本发明涉及使用动态(dynamic)桩端件以增加振动打桩机的穿透深度，该动态桩端件能够在驱动动作期间在桩头端处转移地面材料。

背景技术

海上风能产业最常见的基础类型是单桩。单桩的基础是一个大型钢制端开口管，该管的直径范围从2米到16米，并且壁厚范围从5厘米到20厘米。这些基础桩用冲击锤安装进地面。安装深度通常在进入地面25米到40米的范围。通过用冲击锤敲击桩的顶部达到该深度。通过这些敲击，桩穿透地面。

冲击锤在最接近桩的位置处产生高达220dB的水下高噪音水平。几个欧洲国家政府已经对此噪音水平做出限制规定。最严格的规定是德国政府做出的，在距离(振动)源750米处允许的最大噪音水平为160dB SEL(声音暴露水平)。预计其他国家，包括荷兰、英国、丹麦、瑞典、挪威和比利时也将遵循这些要求。为了遵守这些规定，必须采取减低噪音措施。这些国家计划在未来15年内在北海安装大量风力涡轮机。

自这些规定声明以来，已经开发并部署了几种形式的减低噪音(措施)。最常使用的减低噪音(措施)是围绕桩的气泡帘，该气泡帘吸收锤产生的声音；以及减低噪音屏，该减低噪音屏实际上是一个大型圆形围堰，基础桩在安装期间放置在该围堰中，该围堰被抽干，因此水和桩之间不存在直接接触。已经实施了其他几项减低措施，这些措施都抑制声音进一步传播到水中。对于每个基础桩安装，这些减低措施平均成本三十万欧元。这大约占基础总成本的15％。

在安装基础桩时不超过最大声音水平的一个尝试包括使用能够将基础桩安装到一定深度而不超过最大声音水平的振动锤。然而，振动锤不能将桩安装到25米至40米深的所需穿透深度。在北海用振动锤通常到达5米到20米之间的深度。为了到达所需的深度，在使用振动锤之后使用冲击锤。这再次需要使用减低噪音措施，因此使这个组合没有益处。

抑制桩穿透土壤的土壤阻力具有两个部分。第一个是土壤沿着桩壁的阻力，其在外部，对于一个端开口的钢桩内部也有。这个阻力称为“轴阻力”，是由桩壁和土壤颗粒之间的摩擦引起的。第二个是桩头端下方土壤的阻力。当桩穿透土壤时，土壤必须被推开，以便为桩进入腾出空间。这个阻力称为“尖端阻力”。在沙子(在北海中通常发现的土壤类型)中的振动驱动期间，与尖端阻力相比，轴阻力较低。土壤的摩擦疲劳被认为是造成这个的原因。振动锤通常以10Hz至30Hz的频率振动，并且刚性连接的桩和锤的振幅在垂直平面中为0至10毫米。在振动驱动期间，围绕轴的土壤被这些运动震动，并且土壤经受大量的装载循环，在安装桩需要的时间期间，对桩和桩周围的土壤施加高达1×105到10×105的装载循环。这些装载循环导致土壤疲劳。摩擦强度降低80％至仅为其初始值的20％。然而，在安装时桩下面的土壤不会经受如此大量的装载循环，因为每次桩穿透更多进入地面时，它都进入新的土壤。而且，与其它土壤类型(例如粘土)相比，沙子的剪切强度非常高，这反过来在这种类型的土壤中引起高的尖端阻力。安装期间桩的轴阻力和尖端阻力的组合是总阻力。在诸如北海等坚硬的沙质土壤中，这个阻力的大部分是尖端阻力。这是通过打桩预测和使用振动锤在桩安装期间进行的测量得出的。所需要的是降低高的尖端阻力，其中桩可以用振动锤安装到完全所需的穿透深度，同时满足噪音减少要求。

发明内容

为了满足本领域的需求，提供了基础桩端件，该基础桩端件包括环形连接壳体，其中环形连接壳体的近端构造成固定到基础桩的底端；可移动尖端，其中环形连接壳体的远端构造成固定地保持可移动尖端，其中可移动尖端设置成关于环形连接壳体的中心轴线横向摆动，其中可移动尖端构造成根据摆动的致动从基础桩的底端转移土壤。

根据本发明的一个方面，摆动的致动可包括电磁致动、机械致动、液压致动、机电致动、气动致动或压电致动。

在本发明的另一方面，可移动尖端包括锥形可移动尖端。此处，锥形可移动尖端的致动包括机械致动，其中机械致动包括偏心配重臂，该偏心配重臂构造成在由马达驱动的振动或锤击被操作时摆动锥形可移动尖端。在一个方面，当前实施例还包括润滑剂口，该润滑剂口设置在临近基础桩底端、锥形尖端的外壁或基础桩底端和锥形尖端的外壁，其中润滑剂口设置成在土壤和锥形可移动尖端、基础桩或锥形可移动尖端和基础桩之间输出润滑剂。此处，润滑剂可包括淡水、海水、空气和泥浆。此外，润滑剂口设置成在安装基础桩之后输出灌浆。在另一方面，当前实施例还包括负载传感器和加速度计，其中该负载传感器和加速度计设置成测量可移动尖端与环绕可移动尖端的土壤之间的阻力。

根据本发明的另一方面，可移动尖端包括围绕环形连接壳体布置的可移动尖端的阵列，在基础桩底端处形成闭合的圆形可移动尖端阵列。在一个方面，闭合的圆形可移动尖端阵列包括围绕闭合的圆布置的多个可移动元件，其中，根据被可移动尖端阵列的致动的土壤位移，在基础桩和与基础桩相邻的土壤之间设置间隙。此处，当前实施例还包括临近间隙或可移动尖端的底端的润滑剂口，其中该润滑剂口输出润滑剂到基础桩壁。在当前实施例的一个方面，润滑剂可包括淡水、海水、空气和泥浆。在另一方面，润滑剂口设置成在安装基础桩之后输出灌浆。在当前实施例的又一个方面，每个可移动尖端包括弹簧加载的可移动尖端，其中每个弹簧加载的可移动尖端围绕与环形连接壳体的圆周相切的单独轴线枢转，其中每个可移动尖端构造成关于基础桩底端径向向内和径向向外转移土壤。根据当前实施例的一个方面，每个可移动尖端通过机械致动被致动，其中机械致动包括锤驱动的凸轮臂，该凸轮臂构造成摆动弹簧加载的可移动尖端。在当前实施例的另一个方面，每个可移动尖端包括自摆动可移动尖端，其中自摆动包括在近端连接到环形连接壳体的铰接臂和在远端连接到铰接臂的尖端元件，其中该铰接臂包括形状记忆材料，或者自摆动根据选自包括电磁致动、机械致动、液压致动、机电致动、气动致动和压电致动的群组的致动而被致动。当前实施例还包括润滑剂口，该润滑剂口设置成将润滑剂输出到基础桩壁。此处，润滑剂可包括淡水、海水、空气和泥浆。此外，润滑剂口设置成在安装基础桩之后输出灌浆。

根据本发明的一个方面，可移动尖端包括力传感器，其中力传感器构造成测量沿尖端的土壤阻力。

为了进一步满足本领域的需求，提供了基础桩端件，该基础桩端件包括连接壳体，其中连接壳体使用连接致动器固定地连接到基础桩底端，其中连接致动器包括固定地连接到所述基础桩的内壁的致动器，其中致动器设置成关于所述基础桩内壁径向延伸和缩回，还包括可移动尖端，其中可移动尖端包括环形尖端，该环形尖端具有小于基础桩的内直径的直径，其中可移动尖端连接到连接致动器，其中可移动尖端构造成根据致动器的操作在安装基础桩期间从基础桩底端移动土壤。

附图说明

图1A-1B示出了根据本发明一个实施例的机器驱动的可移动尖端的示意图，该可移动尖端附接到基础桩的底端，带有设置成减小桩壁摩擦的润滑剂。

图2A-2D示出了根据当前发明的实施例的、以圆形阵列(2A，2B)布置的可移动尖端，以及单独可移动尖端(2C，2D)的平面视图。

图3A-3C示出了根据本发明一个实施例的带有振动段的中空圆柱形桩的底部的剖面(3A)，以及在阵列中的单独振动元件的剖视图(3B-3C)。

图4A-4E示出了根据本发明一个实施例的自振环可移动尖端的示意图。

图5A-5B示出了根据本发明一个实施例的应用于可移动尖端的力传感器的示意图。

图6A-6B示出了根据当前发明实施例的、相对于基础桩和可移动尖端机器的润滑剂流的示意图。

具体实施方式

当前发明涉及基础桩的安装。根据一个实施例，本发明有助于使用或不使用振动锤安装基础桩。通过将本发明添加到桩的底部，土壤被切割、刮削并从桩底端被推开并转移到周围的土壤以消除或减少桩下面的高的尖端阻力。根据本发明的不同实施例，可移动尖端装置由构造为在垂直方向上引起摆动的振动锤产生的运动、电磁致动、机械致动、液压致动、机电致动、气动致动、压电致动、热激活双晶片致动，热膨胀、形状记忆材料或化学致动被致动。摆动的垂直运动由基础桩底端下方的装置转换成刮刀的横向、旋转或横向和旋转运动。

在另一个实施例中，刮刀的横向、旋转或横向和旋转运动由电磁致动、机械致动、液压致动、机电致动、气动致动、压电致动、热激活双晶片致动、热膨胀、形状记忆材料或化学致动直接引起。当前发明能够根据基础桩的重力，并且可能与振动锤的重量相结合，将基础桩穿透进土壤中。

当前发明以两种有用的形式呈现，包括锥形尖端和环形尖端，其中锥形尖端具有单个可移动尖端，而环形尖端具有围绕环排列的多个可移动尖端。根据一个实施例，单个锥形可移动尖端对相对小直径的基础桩有用，例如小于约1米。在本发明的另一个实施例中，环形可移动尖端适合于直径大于约1米的基础桩。

根据当前发明实施例，装置的多种变型可以连接到基础桩的底端。图1A-1B示出了机器驱动的可移动尖端的示意图，该可移动尖端附接到基础桩的底端，其中润滑剂口和灌浆口设置成在安装之后减小桩壁摩擦并使基础桩固化。此处，基础桩端件包括环形连接壳体，该环形连接壳体构造成固定于基础桩的底端；可移动尖端，其中环形连接壳体还构造成固定地保持可移动尖端，其中可移动尖端设置成关于环形连接壳体的中心轴线横向摆动，其中可移动尖端构造成根据尖端摆动的致动从基础桩的底端转移土壤。

图1B示出了用于较小直径基础的锥形机器。该机器插入基础桩的底端并附接到基础桩的内壁。这个示例性实施例由于由液压马达驱动的旋转偏心配重件(weight)而摆动。同时，在锥体和基础桩壁之间的润滑剂口和灌浆间隙处和/或通过锥体中的润滑剂口和灌浆口注入水。尖端的振动运动是通过旋转偏心配重件的力向外转移锥体产生的。由偏心配重件的旋转施加的负载可以通过(以下公式)计算：

F_{偏心配重件}(F_{eccentricweight})＝m·e·ω²，

其中：

m是配重件的质量；

e是配重件的重心关于其旋转轴线的偏心率；以及

ω是由电动机致动的偏心配重件的转速。

关于环形可移动尖端实施例，提供了三个示例性变化，包括由基础顶部上的附加振动锤摆动的环形阵列元件、自摆动元件的环形阵列以及自摆动环。

在一个实施例中，本发明包括多个可移动尖端，这些可移动尖端围绕环形连接壳体以圆形模式布置，在圆上形成可移动尖端装置的相互连接阵列，其中尖端阵列具有大致相同的桩直径和桩壁厚，它们以此(桩直径和桩壁厚)被安装。作为示例，为在桩下面形成闭合的圆形阵列，被安装的装置的数量如下确定：装置的数量等于桩的内圆周的长度除以一个装置的宽度。

图2A示出了基础桩，该基础桩设置成通过施加振动锤在垂直方向上摆动以穿透土壤。可移动尖端的一个实施例显示为定位在基础桩的底端下方。可移动的尖端由环形壳体保持在适当位置。一个可移动的尖端装置覆盖桩的圆周的一部分，其中多个装置附接在桩的下方以形成可彼此独立地移动的装置的圆。

图2B示出了根据图2A的线AA的剖视图。多个可移动尖端元件定位在基础桩底端下方。可移动尖端元件固定地连接到环形壳体。

图2C示出了根据图2B的线CC的剖视图。可移动尖端元件构造成在可移动尖端下方的双箭头的方向上刮削、推动和切除基础桩底端下方的土壤到周围土壤。在这个实施例中，可移动尖端围绕尖端轴线旋转并且由活塞致动，活塞通过凸轮臂和致动轴线(axis)连接到可移动尖端。可移动尖端的旋转运动示出为在可移动尖端的底部上具有尖锐端，该尖锐端不比环形壳体的外边缘进一步延伸到侧面。例如，与垂直中间位置相比，该摆动运动可以在-30度至+30度的范围内。致动轴线通过宽孔附接到可移动尖端，该宽孔允许沿垂直方向的运动，进而允许可移动尖端的摆动运动。通过基础桩的垂直摆动运动在垂直方向上致动活塞。

关于基础桩的垂直摆动运动向可移动尖端的摆动运动的转移，将垂直摆动运动转换为可移动尖端的横向摆动运动的一些示例性方式包括使用刚性直接连接，和通过使可移动尖端频率与由振动锤驱动的基础桩的施加频率匹配。

对于刚性连接的实施例，活塞刚性地连接到基础桩。环形壳体可滑动地配装在桩上。通过这个松散的连接，壳体在垂直方向能够上下移动。当基础桩上下垂直移动时，活塞的位移根据桩的位移而发生。壳体不采用该位移，因为它没有刚性地连接到桩上，引起可移动尖端的旋转运动，该可移动尖端通过可移动尖端轴线(axis)连接到两个尖端壳体，并且通过致动轴线连接到活塞。可移动尖端的旋转运动围绕可移动尖端轴线旋转。

关于在共振频率下的振动，活塞没有连接到基础桩，其中凸轮臂通过可移动尖端轴线连接到可移动尖端。在这个示例中，由活塞、可移动尖端、可移动尖端轴线、致动轴线、凸轮臂和弹簧形成的系统构造成具有与振动锤施加到基础桩的频率匹配的频率。例如，这个匹配频率是通过活塞、可移动尖端、可移动尖端轴线、致动轴线、凸轮臂和弹簧的组合质量(m_totaal)和弹簧的弹簧常数(k_spring)以及土壤压到可移动尖端(的常数)(k_soil)按照下列公式计算：

在这个示例中，系统以其自己的频率共振。活塞由壳体引导。弹簧平衡系统的摆动运动，并抑制不必要的运动和加速。

图2D是根据图2B中的BB线的剖面图。如图所示，可移动尖端跨越尖端壳体的整个宽度。可移动尖端轴线允许可移动尖端在横向于基础桩的垂直摆动的方向上旋转。轴线由尖端外壳保持在适当位置。尖端壳体连接到基础桩的底端并且连接到邻近装置的每侧上的相邻尖端壳体，以形成环形壳体。

现在转到当前发明的另外实施例，其中，图3A-3C示出了当前发明的环形实施例。在图3A中，是带有可移动尖端的圆形阵列的中空圆柱形基础桩的底部的剖视图，并且图3B是图2B的剖切线C-C的剖面，是根据单独可移动尖端的一个实施例。如散列标记中所示，尖端振动在由单独可移动尖端段形成的基础桩底端处具有给定频率和振幅，其中土壤被刮削或推开，其中可移动尖端元件布置成圆形阵列。在当前实施例中，可移动尖端不再被基础桩顶部的振动锤激励，而是替代地针对每个单独区段具有其自己的致动源，其中一些示例性致动源可包括电磁致动、机械致动、液压致动、机电致动、气动致动和压电致动。根据当前实施例的一个方面，可移动尖端元件比基础桩的壁厚宽。因为可移动尖端元件比桩的壁厚宽，所以形成间隙，其中在间隙中润滑液体注入到桩壁的两侧。在一些实例中，注入液体可包括淡水、海水或一种形式的润滑泥，例如膨润土。此处，由于可移动尖端振动，直接靠近振动元件的土壤将被液化。根据另外的实施例，电缆附接到基础桩为可移动尖端元件的致动器提供动力。在另一个例子中，用于润滑剂液体的多个管可以安装在桩的长度上。此外，土壤和桩壁之间的摩擦强度不会被振动锤减少，而是被在基础桩底部注入的润滑剂减少。

图3C示出了本发明另一个实施例的剖视图，其中可移动尖端附接到环形壳体，并且环形壳体通过可以延伸和缩回的致动器连接到基础桩壁，从而在横向于基础桩轴线的方向上移动尖端。

图4A-4E示出了根据本发明一个实施例的自振环可移动尖端的示意图。根据当前实施例，多个可移动尖端的环形阵列被替换为关于基础桩壁移动的单个环形尖端。此处，环本身安装到环形壳体上，且环形壳体经由若干延伸和缩回致动器安装到基础桩壁上，其中环形壳体固定附接到环形可移动尖端上。通过交替每个致动器的延伸和缩回，环可以在任何方向上被振动。图4B示出了这个实施例的俯视剖视图A-A(来自图4A)。

图4C-4D示出了当前实施例的另外剖视图，其中，在图4C中，机器位于中间位置的中心，而在图4D中，示出了使机器摆动的致动器。图4E示出了通过交替围绕环的致动器的延伸和缩回而如何使环关于基础桩摆动的示例。

在本发明的另外实施例中，图5A示出了安装在可移动尖端内部的负载传感器和加速度计，用于在基础桩穿透土壤中时对土壤进行测量，而图5B示出了土壤反作用力、屈服强度、阻尼常数和弹簧常数的模型。传感器测量摆动尖端的致动力、加速度

速度

和位移(x)。由此量化土壤-结构相互作用，并且可以量化弹簧(k)、阻尼(c)和土壤的屈服(σy)特性。利用这些特性，可以确定基础桩的承载能力，尤其是P-y特性，其中P是横向移动桩一定距离y所需的力。利用这些已知的系数，可以确定基础桩的横向承载能力。对于粘弹性元件，应用以下运动方程：

其中

m＝可移动尖端的质量+受影响土壤的质量；

c＝土壤的阻尼系数；

k＝土壤的弹簧系数；

土壤力＝尖端力

如上讨论的，流体润滑剂减轻了基础桩壁与周围土壤之间的壁摩擦。根据当前发明，流体通过可移动尖端机器和基础桩之间的间隙和/或通过锥形件中的管嘴注入。流体设置成沿着基础桩壁的外侧向上流动以减少摩擦。图6A-6B示出了根据当前发明实施例的润滑剂流体关于基础桩和可移动尖端机器流动的示意图。在此示出，流体通过环形机器中的管嘴注入，其中流体设置成在基础桩壁的内侧和外侧向上流动。在基础桩被安装之后，流体口和通道构造成使其中的灌浆流动以在基础桩壁中和周围固化。

现在已经根据若干示例性实施例描述了本发明，这些示例性实施例旨在说明所有方面，而不是限制性的。因此，本发明能够在详细实施方式中进行许多变化，这些变化可以由本领域普通技术人员从在本文中包含的描述中得出。所有这些变化都被认为是在由所附权利要求及其合法等同物限定的本发明的范围和精神内。

Claims

1.基础桩端件，包括：

a)环形连接壳体，其中所述环形连接壳体的近端构造成固定于端开口钢管基础桩的底端；

b)可移动尖端，其中所述环形连接壳体的远端构造成固定地保持所述可移动尖端，其中所述可移动尖端设置成关于所述环形连接壳体的中心轴线横向摆动，其中所述可移动尖端构造成根据所述摆动的致动从所述基础桩的底端转移土壤，并且

其中，所述可移动尖端包括围绕所述环形连接壳体布置的所述可移动尖端的阵列，在所述端开口钢管基础桩的底端处形成闭合的圆形可移动尖端阵列。

2.如权利要求1所述的基础桩端件，其特征在于，所述摆动的所述致动选自包括电磁致动、机械致动、液压致动、机电致动、气动致动和压电致动的群组。

3.如权利要求1所述的基础桩端件，其特征在于，所述可移动尖端包括锥形可移动尖端。

4.如权利要求3所述的基础桩端件，其特征在于，所述锥形可移动尖端的所述致动包括机械致动，其中所述机械致动包括偏心配重臂，所述偏心配重臂构造成在由马达驱动振动或锤击操作时摆动所述锥形可移动尖端。

5.如权利要求3所述的基础桩端件，其特征在于，还包括润滑剂口，所述润滑剂口设置在临近所述基础桩底端、所述锥形可移动尖端的外壁或所述基础桩底端和所述锥形可移动尖端的所述外壁，其中所述润滑剂口设置成在土壤和所述锥形可移动尖端、所述基础桩或所述锥形可移动尖端和所述基础桩之间输出润滑剂。

6.如权利要求5所述的基础桩端件，其特征在于，所述润滑剂选自包括淡水、海水、空气和泥浆的群组。

7.如权利要求5所述的基础桩端件，其特征在于，所述润滑剂口设置成在所述基础桩安装之后输出灌浆。

8.如权利要求3所述的基础桩端件，其特征在于，还包括负载传感器和加速度计，其中所述负载传感器和所述加速度计设置成测量所述可移动尖端与环绕所述可移动尖端的土壤之间的阻力。

9.如权利要求1所述的基础桩端件，其特征在于，所述闭合的圆形可移动尖端阵列包括围绕所述闭合的圆布置的多个可移动元件，其中，根据被所述可移动尖端阵列的所述致动的土壤位移，在所述基础桩和与所述基础桩相邻的土壤之间设置间隙。

10.如权利要求9所述的基础桩端件，其特征在于，还包括临近所述间隙或所述可移动尖端的所述底端的润滑剂口，其中所述润滑剂口将润滑剂输出到所述基础桩壁。

11.如权利要求10所述的基础桩端件，其特征在于，所述润滑剂选自包括淡水、海水、空气和泥浆的群组。

12.如权利要求10所述的基础桩端件，其特征在于，所述润滑剂口设置成在所述基础桩安装之后输出灌浆。

13.如权利要求1所述的基础桩端件，其特征在于，每个所述可移动尖端包括弹簧加载的可移动尖端，其中每个所述弹簧加载的可移动尖端围绕与所述环形连接壳体的圆周相切的单独轴线枢转，其中每个所述可移动尖端构造成关于所述基础桩底端径向向内和径向向外转移土壤。

14.如权利要求1所述的基础桩端件，其特征在于，每个所述可移动尖端通过机械致动被致动，其中所述机械致动包括锤驱动的凸轮臂，所述凸轮臂构造成摆动弹簧加载的可移动尖端。

15.如权利要求1所述的基础桩端件，其特征在于，每个所述可移动尖端包括自摆动可移动尖端，其中所述自摆动包括在近端连接到所述环形连接壳体的铰接臂和在远端连接到所述铰接臂的尖端元件，其中所述铰接臂包括形状记忆材料，或者所述自摆动根据选自包括电磁致动、机械致动、液压致动、机电致动、气动致动和压电致动的群组的致动而被致动。

16.如权利要求1所述的基础桩端件，其特征在于，还包括润滑剂口，所述润滑剂口设置成将润滑剂输出到所述基础桩壁。

17.如权利要求16所述的基础桩端件，其特征在于，所述润滑剂选自包括淡水、海水、空气和泥浆的群组。

18.如权利要求16所述的基础桩端件，其特征在于，所述润滑剂口设置成在所述基础桩安装之后输出灌浆。

19.如权利要求1所述的基础桩端件，其特征在于，所述可移动尖端包括力传感器，其中所述力传感器构造成测量沿所述尖端的土壤阻力。