CN110397062A - 一种海上风电机组加强复合式单桩基础及施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种海上风电机组加强复合式单桩基础及施工方法，单桩基础包括单桩基础本体，采用空心钢管桩结构，由土体插入段和土体外露段构成，在两段的分界面上端套设有空心钢制圆台，空心钢制圆台由钢制圆台框架和外围侧板构成，空心钢制圆台的上部小端直径大于单桩基础本体的外径；在空心钢制圆台内与单桩基础本体对应部位的外侧之间填充有砾石，形成局部加强结构。本单桩基础结合了单桩基础和重力式基础的优势，利用填充砾石的圆台对传统单桩进行加固，提高了基础的整体承载力；利用圆台的截面特征，能够有效分散水流的冲击，避免冲刷坑、墩底淘刷的形成，对桩基起到加固作用。
Description
技术领域
本发明属于桩基防护技术领域，涉及桩基抗冲刷技术，具体涉及一种海上风电机组加强复合式单桩基础及施工方法。
背景技术
风能是一种绿色环保的新能源，越来越得到广泛应用。陆地风能的开采技术相对成熟，但受到土地、输电设备等因素的限制，陆地风能的开采已接近饱和，海上风能逐渐成为如今关注的重点。我国沿海地区风能储量丰富，海上能源是十分重要的战略资源，开发海上风能十分必要。海上风机是开发海上风能的必要设备，其中海上风机基础部分会占到项目总造价的20％-40％，因此，开发安全经济的海上风机基础是推动海上风电行业发展的重要步骤。传统的海上风机基础包括单桩基础、重力式基础等，在已建成的海上风机中占最高的比重，然而，他们受到适用水深的影响，无法很好的应用于新一代的大装机量风机，发展新型的风机基础是研究的关键问题。复合式海上风机基础整合传统基础形式的优势，对已有的技术进行改进，具有造价低、施工便捷、安全可靠的特点，有望被广泛应用于海上风能行业中。
经现有技术检索，未检索到与本专利相近技术方案。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种海上风电机组加强复合式单桩基础及施工方法，该单桩基础造价低、便于施工、能够适用于更深的海域和更严峻的海洋环境条件中、能降低或防止基础的局部冲刷，从而能对桩基起到加固作用；该单桩基础的施工方法施工简单、施工成本低。
本发明的上述目的通过如下技术方案来实现：
一种海上风电机组加强复合式单桩基础，其特征在于：包括单桩基础本体，单桩基础本体采用空心钢管桩结构，单桩基础本体由伸入到海床下部的土体插入段和外露于海床上方的土体外露段构成，在土体插入段与土体外露段的分界面上端套设有空心钢制圆台，所述空心钢制圆台由钢制圆台框架和外围侧板构成，所述空心钢制圆台的上部小端直径大于单桩基础本体的外径；在空心钢制圆台内与单桩基础本体对应部位的外侧之间填充有砾石，形成局部加强结构。
而且的，所述空心钢制圆台采用整体焊接式结构，所述空心钢制圆台通过沿圆周方向呈放射状布置的横梁与单桩基础本体固定连接。
而且的，所述横梁为一层或上下设置的两层，每层横梁的数量为3-8根。
而且的，所述空心钢制圆台由两个半环分体在两端通过扣锁连接结构，所述空心钢制圆台以不接触方式套设在单桩基础本体的外围。
一种海上风电机组加强复合式单桩基础的施工方法，其特征在于，单桩基础采用上述空心钢制圆台与单桩基础本体固定连接的结构，其施工方法为：
S1陆地建造单桩基础,具体的:
a、选定设定直径和设定长度的空心钢管桩作为单桩基础本体，并用钢板和钢筋焊接制造空心钢制圆台；
b、将空心钢制圆台套设在单桩基础本体的设定位置，并使空心钢制圆台与单桩基础本体同轴，在空心钢制圆台与单桩基础本体之间焊接横梁，形成单桩基础；
S2起吊单桩基础，打桩到预设深度；使空心钢制圆台的下端与海床紧密接触，在打桩过程中需要密切监测单桩基础的倾斜角度，严格控制水平；
S3在单桩基础安装完毕后，向空心钢制圆台内投掷砾石，砾石在空心钢制圆台逐层堆积，直至填充满空心钢制圆台内腔。
而且的，在S2中在起吊单桩基础前，在空心钢制圆台的上端沿圆周方向布设多个倾角仪，倾角仪通过数据传输线与设置在打桩施工平台上的显示设备连接。
一种海上风电机组加强复合式单桩基础的施工方法，其特征在于，单桩基础采用上述空心钢制圆台与单桩基础本体不接触的方式套设配合，其施工方法为：
S1选定设定直径和设定长度的空心钢管桩作为单桩基础本体，并用钢板和钢筋焊接制造构成空心钢制圆台的两个半环分体，在两个半环分体的对应端分别安装上扣锁的两部分；
S2起吊单桩基础本体，打桩到预设深度；在打桩过程中需要密切监测基础的倾斜角度，严格控制水平；
S3在单桩基础本体安装完毕后，在水下将两个半环分体围合在单桩基础本体的外部，扣上两端的扣锁，构成空心钢制圆台，使空心钢制圆台与海床接触；
S3在空心钢制圆台安装到位后，向空心钢制圆台内投掷砾石，砾石在空心钢制圆台逐层堆积，直至填充满空心钢制圆台内腔。
而且的，在S2中在起吊桩基础前，在单桩基础本体的外围固定一安装平台，在安装平台上沿圆周方向布设多个倾角仪，倾角仪通过数据传输线与设置在打桩施工平台上的显示设备连接。
而且的，在空心钢制圆台相对于单桩基础本体直径较大的情况下，可在S3中投掷砾石前，向空心钢制圆台内部放置额外圆环。
本发明具有的优点和积极效果：
1、本发明单桩基础结合了单桩基础和重力式基础的优势，利用填充砾石的圆台对传统单桩进行加固，提高了基础的整体承载力。
2、本发明单桩基础利用圆台的侧面特征，能够为内部砾石提供额外的竖向限制，限制其相对滑动，提高基础整体性，从而提高了基础承载力。
3、本发明单桩基础利用圆台的截面特征，能够有效分散水流的冲击，避免冲刷坑、墩底淘刷的形成，对桩基起到加固作用。
4、本发明单桩基础能够有效节省成本，利用空心钢制圆台加固单桩基础，并利用成本低的砾石材料填充圆台框，能够有效解决在深海或者严峻海况下无限增加单桩直径以提供更高承载力的问题，从而节省了钢材，降低了成本，具有很好的经济效益。
5、本发明单桩基础的施工方法，采用现有单桩基础打桩方式的基础上，增加砾石的投放等，通过现有施工手段可方便实现，具有施工简单、施工成本的优点。
附图说明
图1是本发明单桩基础的第一种结构示意图；
图2是图1的俯视图；
图3是本发明单桩基础的第二种结构示意图；
图4是图3的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
本发明提出了一种海上风电机组加强复合式单桩基础，这种新型单桩基础是传统单桩基础和重力式基础的结合，在传统单桩基础安装的前提下，在海底土面处安放一个空心钢制圆台，随后将砾石材料4置于圆台中，考虑离散的堆积材料特性，对单桩基础进行加固，提高整体的承载特性。海上风机除了受到由上部结构提供的自重载荷之外，还受到由于风、浪、流带来的横向载荷，风机的倾覆失稳是设计的重点。圆台基础为传统的单桩提供了额外的抗倾覆力矩，同时加固了地基土体，由于自重埋入海床的砾石为整体结构提供了摩擦力和作用于埋入部分的被动土压力，有效地平衡了部分外部横向载荷。
本海上风电机组加强复合式单桩基础主要由单桩基础本体1和空心钢制圆台2组成，单桩基础本体采用大直径空心钢管桩，钢制圆台由钢制圆台框架和外围侧板构成，两者的连接方式分为固定连接和可活动式套设连接：
1)采用固定连接方式，参见图1和2，空心钢制圆台采用整体焊接式结构，空心钢制圆台通过沿圆周布置的横梁3与单桩基础本体焊接连接，两者之间在工作中没有相对位移，横梁的布置为沿圆周3-8根，竖向1-2层，视圆台和管桩的相对直径比和圆台高度而定。
2)采用可活动式套设连接方式，参见图3和4，所述空心钢制圆台由两个半环分体2-1在两端通过扣锁6连接结构，空心钢制圆台在单桩基础本体安装后被置于海床，与单桩基础没有直接接触。
在采用上述固定连接方式的情况下，本海上风电机组加强复合式单桩基础的施工方法包括如下施工步骤：
S1陆地建造单桩基础,具体的:
a、选定设定直径和设定长度的空心钢管桩作为单桩基础本体，并用钢板和钢筋焊接制造空心钢制圆台；
b、将空心钢制圆台套设在单桩基础本体的设定位置，并使空心钢制圆台与单桩基础本体同轴，在空心钢制圆台与单桩基础本体之间焊接横梁，形成单桩基础；
S2起吊桩基础，采用现有单桩基础打桩方式打桩到预设深度；使空心钢制圆台的下端与海床5紧密接触，在打桩过程中需要密切监测基础的倾斜角度，严格控制水平，可采用的优选方式为：在起吊单桩基础前，在空心钢制圆台的上端沿圆周方向布设多个倾角仪，倾角仪通过数据传输线与设置在打桩施工平台上的显示设备连接。通过显示设备可及时获得基础的倾斜状况，以便调整打桩作用点，将单桩基础调整控制到水平状态下。
S3在单桩基础安装完毕后，向空心钢制圆台内投掷砾石，砾石在空心钢制圆台逐层堆积，直至填充满空心钢制圆台内腔。
在采用上述可活动式套设连接方式的情况下，本海上风电机组加强复合式单桩基础的施工方法包括如下施工步骤：
S1选定设定直径和设定长度的空心钢管桩作为单桩基础本体，并用钢板和钢筋焊接制造构成空心钢制圆台的两个半环分体，在两半环分体的对应端分别安装上扣锁的两部分，扣锁可采用不锈钢焊接扣锁；
S2起吊单桩基础本体，采用传统单桩基础打桩方式打桩到预设深度；在打桩过程中需要密切监测基础的倾斜角度，严格控制水平，可采用的优选方式为：在起吊桩基础前，在单桩基础本体的外围固定一安装平台，在安装平台上沿圆周方向布设多个倾角仪，倾角仪通过数据传输线与设置在打桩施工平台上的显示设备连接。通过显示设备可及时获得基础的倾斜状况，以便调整打桩作用点，将单桩基础调整控制到水平状态下；
S3在单桩基础本体安装完毕后，在水下将两个半环分体围合在单桩基础本体的外部，扣上两端的扣锁，构成空心钢制圆台，使空心钢制圆台与海床接触；
S3在空心钢制圆台安装到位后，向空心钢制圆台内投掷砾石，砾石在空心钢制圆台逐层堆积，直至填充满空心钢制圆台内腔。在空心钢制圆台相对于单桩基础本体直径较大的情况下，可在S3中投掷砾石前，向空心钢制圆台内部放置额外圆环，限制内部砾石的相对滑动提供稳定性。
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。
Claims (9)
1.一种海上风电机组加强复合式单桩基础法，其特征在于：包括单桩基础本体，单桩基础本体采用空心钢管桩结构，单桩基础本体由伸入到海床下部的土体插入段和外露于海床上方的土体外露段构成，在土体插入段与土体外露段的分解面上端套设有空心钢制圆台，所述空心钢制圆台由钢制圆台框架和外围侧板构成，所述空心钢制圆台的上部小端直径大于单桩基础本体的外径；在空心钢制圆台内与单桩基础本体对应部位的外侧之间填充有砾石，形成局部加强结构。
2.根据权利要求1所述的海上风电机组加强复合式单桩基础，其特征在于：所述空心钢制圆台采用整体焊接式结构，所述空心钢制圆台通过沿圆周方向呈放射状布置的横梁与单桩基础本体固定连接。
3.根据权利要求2所述的海上风电机组加强复合式单桩基础，其特征在于：所述横梁为一层或上下设置的两层，每层横梁的数量为3-8根。
4.根据权利要求1所述的海上风电机组加强复合式单桩基础，其特征在于：所述空心钢制圆台由两个半环分体在两端通过扣锁连接结构，所述空心钢制圆台以不接触方式套设在单桩基础本体的外围。
5.一种海上风电机组加强复合式单桩基础的施工方法，其特征在于，单桩基础采用权利要求2或3所述的海上风电机组加强复合式单桩基础，其施工方法为：
S1建造单桩基础,具体的:
a、选定设定直径和设定长度的空心钢管桩作为单桩基础本体，并用钢板和钢筋焊接制造空心钢制圆台；
b、将空心钢制圆台套设在单桩基础本体的设定位置，并使空心钢制圆台与单桩基础本体同轴，在空心钢制圆台与单桩基础本体之间焊接横梁，形成单桩基础；
S2起吊单桩基础，打桩到预设深度；使空心钢制圆台的下端与海床紧密接触，在打桩过程中需要密切监测基础的倾斜角度，严格控制水平；
S3在单桩基础安装完毕后，向空心钢制圆台内投掷砾石，砾石在空心钢制圆台逐层堆积，直至填充满空心钢制圆台内腔。
6.根据权利要求5所述的海上风电机组加强复合式单桩基础的施工方法，其特征在于：在S2中在起吊单桩基础前，在空心钢制圆台的上端沿圆周方向布设多个倾角仪，倾角仪通过数据传输线与设置在打桩施工平台上的显示设备连接。
7.一种海上风电机组加强复合式单桩基础的施工方法，其特征在于，单桩基础采用权利要求4所述的海上风电机组加强复合式单桩基础，其施工方法为：
S1选定设定直径和设定长度的空心钢管桩作为单桩基础本体，并用钢板和钢筋焊接制造构成空心钢制圆台的两个半环分体，在两半环分体的对应端分别安装上扣锁的两部分；
S2起吊单桩基础本体，打桩到预设深度；在打桩过程中需要密切监测基础的倾斜角度，严格控制水平；
S3在单桩基础本体安装完毕后，在水下将两个半环分体围合在单桩基础本体的外部，扣上两端的扣锁，构成空心钢制圆台，使空心钢制圆台与海床接触；
S3在空心钢制圆台安装到位后，向空心钢制圆台内投掷砾石，砾石在空心钢制圆台逐层堆积，直至填充满空心钢制圆台内腔。
8.根据权利要求7所述的海上风电机组加强复合式单桩基础的施工方法，其特征在于：在S2中在起吊单桩基础前，在单桩基础本体的外围固定一安装平台，在安装平台上沿圆周方向布设多个倾角仪，倾角仪通过数据传输线与设置在打桩施工平台上的显示设备连接。
9.根据权利要求7所述的海上风电机组加强复合式单桩基础的施工方法，其特征在于：在空心钢制圆台相对于单桩基础本体直径较大的情况下，可在S3中投掷砾石前，向空心钢制圆台内部放置额外圆环。
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