CN110172997B - 一种伞形锚加固的芯桶重力式基础 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种伞形锚加固的芯桶重力式基础，该基础包括吸力锚、混凝土重块盖板、伞形锚和环形裙边齿。该装置在吸力锚依靠自重以及通过吸力负压贯入至土体内部指定深度后，通过混凝土吊环将混凝土重块盖板吊至锚眼的正上方使预留孔与吸力锚锚眼对齐，缓慢放在吸力锚的表面上。闭合的伞形锚穿过伞形锚预制孔并插入土体内部，当伞形锚到达预定深度后，向上拉起伞形锚使得锚体张开，最后浇灌混凝土将混凝土重块盖板与伞形锚结合为一体；同时环形裙边齿与土体相互作用发挥承载力。本发明通过将混凝土重块盖板和伞形锚以及环形裙边齿与传统吸力锚相组合，提高了吸力锚竖向、水平承载力和抗倾覆承载力，同时提升了吸力锚的安全性能和工程使用性能。
Description
技术领域
本发明涉及重力式基础，具体涉及一种伞形锚加固的芯桶重力式基础。
背景技术
随着全球能源日益短缺，开发利用新能源已受到世界各国的广泛重视，其中海洋风能作为一种新型无污染、可再生的绿色能源，对全球的社会的可持续发展有着重要意义，因此海上风电如雨后春笋般快速发展，吸力锚作为海洋基础形式有着适应多种海洋环境的特点。
吸力锚具有施工简单、安全可靠、可重复利用的特点，与传统的桩结构桩、重力锚、链锚相比，有着更好的经济特性。但在实际工程中，吸力锚在承受较大的竖向拉拔力和水平作用力时经常出现吸力锚失效的现象。因此，吸力锚的改进工作也一直有学者长期从事。
相关研究现状如下所示：
(1)申请号为201810382104.1的中国专利介绍了一种深海内环式海底吸力锚及其安装方法，该吸力锚包括吸力主桶，所述吸力主桶为底部敞开，顶端封闭的桶型结构，吸力主桶内壁沿轴向等间距布置若干空心环形凸起，吸力主桶内壁与空心环形凸起的侧壁形成倒钩状结构，吸力主桶的顶部中心和顶部边缘布置排水孔。但该专利并没有实质上的提高吸力锚的抗倾覆承载力。
(2)申请号为201820207173.4的中国专利介绍了一种防土塞吸力锚，包括吸力锚主体，吸力锚主体侧壁周围均匀分布有侧向翼筒，但该专利主筒与多个侧筒连接为一体后整体性不强，难以作为整体发挥承载力。
(3)申请号为201820206382.7的中国专利介绍了一种新型吸力锚，包括锚筒外壳、顶板、负压泵接口，采用弧板将三个锚筒形成整体，能够提高吸力锚的抗拔承载力。但该专利在抗倾覆承载力方面并没有提高。
(4)申请号为201711253347.7的中国专利介绍了一种能旋转下贯的吸力式筒型基础，包括顶面封闭、下端开口的锚筒，锚筒顶端的旋转动力筒，该专利明显减小吸力锚下贯阻力，但该专利安装困难且由于旋转安装对土体扰动过大降低土体承载力。
(5)申请号为201711253348.1的中国专利介绍了可自身旋转下贯的空心螺纹吸力锚，包括顶面封闭、下端开口的锚筒，锚筒的顶端设有排水孔，排水孔与潜水泵Ⅰ连接，将吸力、旋转相结合减小了下贯阻力，提高了安装效率，但该专利未能提高吸力锚在面对锚链斜上方拉拽时的抗倾覆承载力。
(6)申请号为201720217185.0的中国专利介绍了一种新型海底裙式吸力锚，包括同中心轴的吸力主桶、双裙式结构和环形凹槽，双裙式结构是由双层裙边即外裙边和内裙边环绕在吸力主桶外围的圆筒形结构，但该专利的裙式结构对于承载力的发挥作用不大。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明提出了一种伞形锚加固的芯桶重力式基础。本发明装置通过在传统吸力锚安装安成后，将混凝土重块和伞形锚以及环形裙边齿与传统吸力锚相组合，从而大大提高了吸力锚整体的竖向、水平承载力和抗倾覆承载力，同时提升了吸力锚的安全性能和工程使用性能。
本发明采取以下技术方案：
一种伞形锚加固的芯桶重力式基础，包括吸力锚、混凝土重块盖板、伞形锚和环形裙边齿；
所述的吸力锚上端封闭，下端开口，包括吸力锚筒壁和顶盖，吸力锚筒壁的侧面设置有吸力锚吊耳，顶盖上开有负压吸力孔，负压吸力孔的顶端设置有吸力锚锚眼；
所述的混凝土重块盖板置于吸力锚上部，混凝土重块盖板在浇筑成型时在中心处留有预留孔，所述的吸力锚锚眼穿过预留孔，混凝土重块盖板上还设置有伞形锚预制孔，供闭合的伞形锚穿过；
所述的伞形锚包括伞形锚杆以及自下而上设于伞形锚杆上的伞形承力锚、齿形槽和锚杆螺纹，锚杆螺纹处还设置有伞形锚止插板；所述的伞形锚止插板与混凝土重块盖板的上表面接触；
所述的环形裙边齿环向布置于混凝土重块盖板的底部，环形裙边齿与混凝土重块盖板一起制作，二者相互粘结，用于与土体相互作用发挥承载力。
上述技术方案中，优选的，所述的混凝土重块盖板上设置有对称的混凝土盖板吊环，用于将混凝土重块盖板吊至预留孔与吸力锚锚眼对齐。
优选的，所述的混凝土重块盖板的端部还设置有防冲刷边坡，避免重力式基础在工作过程中承受过大的横向作用力。
优选的，所述的伞形锚在闭合的状态下呈锥状，对土体的穿透性更强。
优选的，所述的伞形锚沿混凝土重块盖板环向均匀分布。
优选的，所述的伞形锚的安装过程如下：将闭合的伞形锚穿过伞形锚预制孔并贯入土体中，当伞形锚插入至伞形锚止插板并与混凝土重块盖板上表面相接触时，将伞形锚杆上拔，此时伞形锚由于受到土体向下的阻力而张开；由于伞形锚的上拔使得伞形锚止插板与混凝土重块盖板的上表面分离，沿锚杆螺纹向下旋转伞形锚止插板直至与混凝土重块盖板表面接触；最后，通过伞形锚预制孔浇灌混凝土将混凝土重块盖板与伞形锚杆结合为一体，从而使齿形槽与混凝土重块盖板共同发挥承载力。
本发明的伞形锚加固的芯桶重力式基础的安装步骤分为三个阶段：第一阶段，吸力锚装置通过自重安装以及吸力安装至指定深度；第二阶段，将混凝土重块盖板吊至预留孔与吸力锚锚眼对齐，缓慢放下；第三阶段，伞形锚安装并灌浆固定形成抗拔加强区域。具体的安装步骤如下：
第一阶段，悬吊吸力锚吊耳将吸力锚吊至安装位置，接下来吸力锚自重进行贯入安装到一定深度。之后再通过吸力锚负压孔施加负压，直至吸力锚到达指定安装位置且吸力锚顶面接触土体表面。
第二阶段，混凝土重块盖板在呈对称的混凝土盖板吊环的作用下被吊至吸力锚的正上方，与吸力锚锚眼对齐。在混凝土盖板吊环的控制下混凝土重块盖板缓慢落下至吸力锚表面。在混凝土重块盖板的自重压力下，吸力锚的抗拔承载力与抗倾覆能力得以提升。环形裙边齿随着混凝土重块盖板的下降而贯入土体中，形成承载力。
第三阶段，伞形锚闭合状态下呈锥状，对于土体的穿透性更强，闭合的伞形锚穿过混凝土重块盖板上的伞形锚预制孔并贯入土体中。最后，通过浇灌混凝土的方法将混凝土重块盖板与伞形锚结合为一体，齿形槽在浇筑混凝土中与混凝土重块盖板共同发挥承载力。
本发明的伞形锚在施工完成之后，理论上只能够向下运动而不能产生向上的位移，这是由于伞形承力锚张开后的直径大于混凝土重块的伞形锚预制孔的直径，由此使得伞形锚和混凝土重块盖板共同承担上拔力。且伞形锚由于伞形锚止插板的存在也不能向下运动，只能与混凝土重块盖板整体运动。
本发明具有以下优点：
1.本发明中吸力锚上部增加混凝土重块盖板，提高吸力锚竖向抗拔承载力。
2.本发明中有多种构件，包括吸力锚、混凝土重块盖板、环形裙边齿以及伞形锚，且所有的构件形成一个承担外力的整体，使本发明在发挥承载力时整体效应更优秀。
3.本发明中的伞形锚向上时由于锚体张开会提供非常可观的阻力，可认为不会相对于混凝土重块盖板向上运动；同时伞形锚止插板的存在也限制了伞形锚向下运动。因此伞形锚只能与混凝土重块盖板共同运动，共同承载。
4.本装置中通过混凝土浇灌伞形锚预制孔形成混凝土加强区，该加强区能够显著提高吸力锚的抗拉承载力。同时，齿形槽经过混凝土胶结之后与混凝土重块盖板形成为一个整体，能够更好地发挥承载力。
附图说明
图1为本发明基础安装的第一阶段；
图2为本发明基础安装第二阶段；
图3为本发明基础安装第三阶段；
图4为本发明基础的俯视图；
图5为伞形锚闭合贯入图；
图6为伞形锚张开工作图；
其中，1.海床土体、2.吸力锚筒壁、3.吸力锚锚眼、4.负压吸力孔、5.吸力锚吊耳、6.混凝土重块盖板、7.预留孔、8.混凝土盖板吊环、9.伞形锚预制孔、10.防冲刷边坡、11.伞形锚杆、12.混凝土加强区、13.齿形槽、14.伞形承力锚、15.环形裙边齿、16.伞形锚止插板。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的技术方案做进一步的说明：
一种伞形锚加固的芯桶重力式基础，包括吸力锚、混凝土重块盖板6、伞形锚和环形裙边齿15；所述的吸力锚上端封闭，下端开口，包括吸力锚筒壁2和顶盖，吸力锚筒壁2的侧面设置有吸力锚吊耳5，顶盖上开有负压吸力孔4，负压吸力孔4的顶端设置有吸力锚锚眼3；所述的混凝土重块盖板6置于吸力锚上部，所述的吸力锚锚眼3穿过混凝土重块盖板6上开设的预留孔7，混凝土重块盖板6上还设置有伞形锚预制孔9，供闭合的伞形锚穿过；所述的伞形锚包括伞形锚杆11以及自下而上设于伞形锚杆11上的伞形承力锚14、齿形槽13和锚杆螺纹，所述的锚杆螺纹处设置有伞形锚止插板16；所述的伞形锚止插板16与混凝土重块盖板6的上表面接触；所述的环形裙边齿15位于混凝土重块盖板6的底部且二者相互粘结，用于与土体相互作用发挥承载力。
所述的混凝土重块盖板6上设置有对称的混凝土盖板吊环8，用于将混凝土重块盖板6吊至预留孔7与吸力锚锚眼3对齐；所述的混凝土重块盖板6的端部还设置有防冲刷边坡10；所述的伞形锚在闭合的状态下呈锥状；所述的伞形锚沿混凝土重块盖板6环向均匀分布。
本发明的伞形锚加固的芯桶重力式基础的安装过程如下：在吸力锚依靠自重以及通过吸力负压贯入至海床土体1内部指定深度后，通过混凝土盖板吊环8将混凝土重块盖板6吊至吸力锚的正上方，缓慢放下压在吸力锚的表面上，使负压吸力孔4与混凝土重块盖板6上的预留孔7重合。闭合的伞形锚穿过混凝土重块盖板6上的伞形锚预制孔9，插入土体内部，当伞形锚到达预定深度且伞形锚上的齿形槽13完全穿过伞形锚预制孔9后，向上拉起伞形锚使得锚体张开发挥承载力，最后采用浇灌混凝土将混凝土重块盖板6与伞形锚结合；同时环形裙边齿15与海床土体1相互作用发挥承载力。
如图1-6所示，一种具体实施例如下：
整个吸力锚装置安装过程分为三个阶段：第一阶段，吸力锚装置通过自重安装以及吸力安装至指定深度；第二阶段，将混凝土重块盖板6吊至预留孔7与吸力锚锚眼3对齐，缓慢放下；第三阶段，伞形锚安装并灌浆固定形成混凝土加强区12。
吸力锚安装的第一阶段，悬吊吸力锚吊耳5将吸力锚吊至安装位置，接下来吸力锚自重进行贯入安装到一定深度。之后再通过负压吸力孔4施加负压，直至吸力锚到达指定安装位置且吸力锚顶面接触土体表面。
吸力锚安装第二阶段，混凝土重块盖板6在呈对称的混凝土盖板吊环8的作用下被吊至吸力锚的正上方，使预留孔7与吸力锚锚眼3对齐。在混凝土盖板吊环8的控制下混凝土重块盖板6缓慢落下至吸力锚表面。在混凝土重块盖板6的自重压力下，吸力锚的抗拔承载力与抗倾覆能力得以提升。环形裙边齿15也随着混凝土重块盖板6的下降而贯入土体中，形成承载力。
吸力锚安装的第三阶段，将闭合的伞形锚穿过混凝土重块盖板6上预留的伞形锚预制孔9并贯入土体中。当伞形锚插入至伞形锚止插板16与混凝土重块盖板6的上表面相接触时，将伞形锚杆11上拔，此时伞形锚由于受到土体向下的阻力而张开。由于伞形锚的上拔使得伞形锚止插板16与混凝土重块盖板6分离，因此沿锚杆螺纹向下旋转伞形锚止插板16直至与混凝土重块盖板6表面接触。最后，通过浇灌混凝土的方法将混凝土重块盖板6与伞形锚杆11结合为一体，齿形槽13在混凝土加强区12中与混凝土重块盖板6共同发挥承载力。
伞形锚在施工完成之后，由于伞形承力锚14张开后的直径大于混凝土重块盖板6的伞形锚预制孔9的直径，因此不能产生向上的位移，由此使得伞形锚和混凝土重块盖板6共同承担上拔力。而且伞形锚由于伞形锚止插板16的存在也不能向下运动，只能与混凝土重块盖板整体运动。
下面以在软黏土中贯入本伞形锚加固的芯桶重力式基础为例，简述采用本发明上述实施例装置的一种具体试验过程：
1.通过吸力锚吊耳5将吸力锚吊至指定安装位置，在自重作用下贯入海床，之后通过负压吸力孔4向吸力锚内部施加负压安装至指定深度。
2.将混凝土重块盖板6通过混凝土盖板吊环8吊至吸力锚的正上方，使得混凝土重块盖板6中心的预留孔与吸力锚锚眼对齐，缓慢落下至混凝土重块盖板6压在吸力锚的上表面。混凝土重块盖板中心的预留孔7能够将混凝土重块与吸力锚连接在一起。
3.伞形锚穿过混凝土重块盖板6上的伞形锚预制孔9，贯入海床土体，在贯入过程中保持竖直，直至预定深度且伞形锚止插板16与混凝土重块盖板6的上表面相接触。
4.将伞形锚杆向上拔起一小段距离使伞形锚完全张开，直至不再能够上拔为止，完全发挥承载力。将伞形锚止插板16沿锚杆向下旋转直至与混凝土重块盖板6表面接触。
5.通过伞形锚预制孔9浇灌混凝土，使伞形锚与混凝土重块盖板6接触的区域结合为一体，养护过后形成混凝土加强区12。
Claims (6)
1.一种伞形锚加固的芯桶重力式基础，其特征在于，包括吸力锚、混凝土重块盖板(6)、伞形锚和环形裙边齿(15)；
所述的吸力锚上端封闭，下端开口，包括吸力锚筒壁(2)和顶盖，吸力锚筒壁(2)的侧面设置有吸力锚吊耳(5)，顶盖上开有负压吸力孔(4)，负压吸力孔(4)的顶端设置有吸力锚锚眼(3)；
所述的混凝土重块盖板(6)置于吸力锚上部，混凝土重块盖板(6)的中心处留有预留孔(7)，所述的吸力锚锚眼(3)穿过预留孔(7)；混凝土重块盖板(6)上还设置有伞形锚预制孔(9)，供闭合的伞形锚穿过；
所述的伞形锚包括伞形锚杆(11)以及自下而上设于伞形锚杆(11)上的伞形承力锚(14)、齿形槽(13)和锚杆螺纹，所述的锚杆螺纹处设置有伞形锚止插板(16)；所述的伞形锚止插板(16)与混凝土重块盖板(6)的上表面接触；
所述的环形裙边齿(15)环向布置于混凝土重块盖板(6)的底部且二者粘结，用于与土体相互作用发挥承载力。
2.根据权利要求1所述的一种伞形锚加固的芯桶重力式基础，其特征在于，所述的混凝土重块盖板(6)上设置有对称的混凝土重块盖板吊环(8)，用于将混凝土重块吊至预留孔(7)与吸力锚锚眼(3)对齐。
3.根据权利要求1所述的一种伞形锚加固的芯桶重力式基础，其特征在于，所述的混凝土重块盖板(6)的端部还设置有防冲刷边坡(10)。
4.根据权利要求1所述的一种伞形锚加固的芯桶重力式基础，其特征在于，所述的伞形锚在闭合的状态下呈锥状。
5.根据权利要求1所述的一种伞形锚加固的芯桶重力式基础，其特征在于，所述的伞形锚沿混凝土重块盖板(6)环向均匀分布。
6.根据权利要求1所述的一种伞形锚加固的芯桶重力式基础，其特征在于，所述的伞形锚的安装过程如下：将闭合的伞形锚穿过伞形锚预制孔(9)并贯入土体中，当伞形锚插入至伞形锚止插板(16)并与混凝土重块盖板(6)的上表面相接触时，将伞形锚杆(11)上拔，此时伞形锚由于受到土体向下的阻力而张开；由于伞形锚的上拔使得伞形锚止插板(16)与混凝土重块盖板(6)的上表面分离，沿锚杆螺纹向下旋转伞形锚止插板(16)直至与混凝土重块盖板(6)表面接触；最后，通过伞形锚预制孔(9)浇灌混凝土将混凝土重块盖板(6)与伞形锚杆(11)结合为一体，从而使齿形槽(13)与混凝土重块盖板(6)共同发挥承载力。
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