CN110397073A - 一种带有螺旋桩的复合型圆形基础及其施工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带有螺旋桩的复合型圆形基础及其施工方法，该基础包括圆形基础和若干设置于圆形基础上的螺旋桩，该结构形式结合了圆形浅层基础形式和螺旋桩基础形式，在圆形基础外侧植入螺旋桩，通过控制螺旋桩的旋转，产生向下的贯入力，通过法兰和圆形钢板传递至圆形基础，从而带动圆形基础沉放至预定位置；沉放完成后，通过预制在结构内部的灌浆管将水硬性混凝土灌注入螺旋桩和圆形基础灌浆套管的连接处，圆形基础本体被螺旋桩约束，使结构整体承受水平向荷载、倾覆荷载和上拔荷载，提高结构的复合承载性能。

Description

一种带有螺旋桩的复合型圆形基础及其施工方法
技术领域
本发明涉及一种海洋工程的基础结构，特别是涉及一种带有螺旋桩的复合型圆形基础及其施工方法。
背景技术
人类进入21世纪，能源危机日益突出，我国海洋石油资源相当丰富，约占我国石油总资源量的三分之一，因此海上石油资源成为我国当代及未来能源的重要来源之一，使用水下生产技术可以避免建造昂贵的海上采油平台，从而节省大量建设投资，防沉板在是水下生产系统的重要基础形式；同时海上风电作为一种可再生的清洁能源，成为缓解全球能源紧张形势的新方向。两种结构在服役过程中均会承受复杂的环境荷载以及不同程度的工作荷载，因此其基础需要具有良好的复合承载性能，包括竖向承载能力、水平向承载能力、弯矩承载能力以及上拔承载能力。
圆形浅层基础是一种传统基础，具有经济性好、适用范围广的特点，且其存在十分出色的竖向极限承载能力，是一种具有良好应用前景的基础形式。但相较于其竖向承载性能，其抗倾覆、抗滑移尤其是抗拔能力相对较薄弱，将其应用于海洋工程存在一定程度的工程风险。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带有螺旋桩的复合型圆形基础及其施工方法，该基础的主要作用为沉放过程中，由螺旋桩控制调平圆形基础本体；在整体服役过程中，圆形基础和螺旋桩构成的整体结构可以很好的协调承载，提高结构的复合承载能力。
一种带有螺旋桩的复合型圆形基础，包括圆形基础和若干设置于圆形基础上的螺旋桩；
所述圆形基础呈饼状，其表面分布有贯穿的用于插入螺旋桩的灌浆套管；
所述螺旋桩包括螺旋桩上部结构、螺旋桩中部结构、螺旋桩下部结构、第一圆形钢板和第二圆形钢板，所述螺旋桩上部结构和螺旋桩中部结构之间通过法兰结构将第一圆形钢板夹在中间，所述螺旋桩中部结构和螺旋桩下部结构之间通过法兰结构将第二圆形钢板夹在中间，所述螺旋桩下部结构的下端设置有螺旋叶片；
所述螺旋桩插在圆形基础的各灌浆套管内，使第一圆形钢板盖在灌浆套管上方(位于圆形基础上表面)，所述第一圆形钢板、第二圆形钢板的直径大于灌浆套管的内径，整个螺旋桩可以灌浆套管内进行自由转动；
所述灌浆套管内(还包括第二圆形钢板上方与圆形基础的空隙处)填充有混凝土填充物，用于在圆形基础的下沉安装完成后使螺旋桩和圆形基础结合为一体。
在上述技术方案中，各所述灌浆套管(螺旋桩)位于与圆形基础同心的圆形边线上。
在上述技术方案中，所述螺旋桩的数量为大于等于2，且各螺旋桩以圆形基础的圆心呈中心对称。
在上述技术方案中，所述螺旋桩(中部结构)的直径小于圆形基础灌浆套管的直径，以减少螺旋桩在转动时的摩擦阻力，降低安装过程中所需施加的扭矩。
在上述技术方案中，所述螺旋桩内部设置有灌浆管，用于向灌浆套管内灌入混凝土填充物。
在上述技术方案中，所述灌浆管的下端开口位于螺旋桩中部结构本体的外壁上(位于灌浆套管内)。
在上述技术方案中，所述复合型圆形基础还包括用于将螺旋桩旋入土体内的外接动力机构，外接动力机构通过在螺旋桩顶端施加扭力。
在上述技术方案中，所述圆形基础上放置有用于产生下沉力的外置配重。
在上述技术方案中，所述圆形基础上设置有用于吊运的吊环。
一种带有螺旋桩的复合型圆形基础的施工方法，按照下述步骤进行：
步骤一、在陆上对螺旋桩和圆形基础进行组装：将螺旋桩中部结构放入圆形基础的灌浆套管内，使螺旋桩上部结构与螺旋桩中部结构之间夹住第一圆形钢板，并通过法兰固定连接，使螺旋桩中部结构与螺旋桩下部结构之间夹住第二圆形钢板，并通过法兰固定连接；
步骤二、将圆形基础连同螺旋桩吊运至目标放置水域，通过自重或者外置配重作用使螺旋桩部分贯入泥面以下；
步骤三、在外部动力装置的驱动下，使各螺旋桩产生围绕其旋转轴的转动，贯入泥面部分的螺旋叶片在转动作用下产生向下的贯入力，圆形基础在该贯入力和自重的联合作用下贯入至预定深度；
步骤四、利用灌浆管将水硬性混凝土灌注至圆形基础上的灌浆套管，待混凝土产生足够的强度后，使圆形基础和各螺旋桩形成整体、协同受荷。
本发明的优点和有益效果为：
本发明提出了一种带有螺旋桩的复合型圆形基础，该结构形式结合了圆形浅层基础形式和螺旋桩基础形式，在圆形基础外侧植入螺旋桩，通过控制螺旋桩的旋转，产生向下的贯入力，通过法兰和圆形钢板传递至圆形基础，从而带动圆形基础沉放至预定位置；沉放完成后，通过预制在结构内部的灌浆管将水硬性混凝土灌注入螺旋桩和圆形基础灌浆套管的连接处，圆形基础本体被螺旋桩约束，使结构整体承受水平向荷载、倾覆荷载和上拔荷载，提高结构的复合承载性能。
附图说明
图1是本发明中一种带有螺旋桩的复合型圆形基础的正视图；
图2是本发明中一种带有螺旋桩的复合型圆形基础的俯视图；
图3是图2中A-A’的截面图；
图4是圆形基础的俯视图；
图5是螺旋桩上部结构的正视图；
图6是螺旋桩中部结构的正视图；
图7是螺旋桩下部结构的正视图；
图8是螺旋桩上部结构的俯视图；
图9是螺旋桩中部结构的俯视图；
图10是螺旋桩下部结构的俯视图；；
图11是连接螺旋桩上部结构和螺旋桩中部结构的法兰的正视图(法兰结构5-2的正视图与之类似)；
图12是连接螺旋桩上部结构和螺旋桩中部结构的法兰的俯视图(法兰结构5-2的俯视图与之类似)；
图13是图7中B-B’的截面图；
图14是圆形钢板的俯视图；
图15是本发明装置在灌浆作业完成后，灌浆套管处局部结构示意图。
上述图中：1为圆形基础；1-1为圆形基础本体；1-2为灌浆套管；2为螺旋桩上部结构；2-1为螺旋桩上部结构本体；2-2为螺旋桩上部结构上法兰；3为螺旋桩中部结构；3-1为螺旋桩中部结构本体；3-2为螺旋桩中部结构下法兰；3-3为螺旋桩中部结构上法兰；4为螺旋桩下部结构；4-1为螺旋桩下部结构本体；4-2为螺旋桩下部结构下法兰；4-3为螺旋叶片；5为法兰结构；5-1为连接螺旋桩上部结构和螺旋桩中部结构的法兰；5-2为连接螺旋桩中部结构和螺旋桩下部结构的法兰；6为圆形钢板；6-1为第一圆形钢板(即法兰5-1中间的圆形钢板)；6-2为第二圆形钢板(即法兰5-2中间的圆形钢板)；7为螺栓和螺帽结构；8为灌浆管；9为混凝土填充物。
对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
一种带有螺旋桩的复合型圆形基础，包括圆形基础1、螺旋桩上部结构2、螺旋桩中部结构3、螺旋桩下部结构4和外置动力设备。
在圆形基础本体1-1的外侧位置预灌浆套管1-2；
螺旋桩上部结构本体2-1下沿焊接一个上法兰2-2；
螺旋桩中部结构本体3-1上沿焊接一个下法兰3-2，下沿焊接一个上法兰3-3；
螺旋桩下部结构本体4-1的上部焊接一个下法兰4-2，下部焊接螺旋叶片4-3。
上法兰2-2和下法兰3-2利用螺栓和螺帽结构7将第一圆形钢板6-1夹在中间位置，共同组成了一对法兰结构5-1，将螺旋桩上部结构2和螺旋桩中部结构3连接为一体；上法兰4-2和下法兰3-3利用螺栓和螺帽结构7将第二圆形钢板6-2加载中间位置，共同组成了一对法兰结构5-2，
将螺旋桩中部结构3和螺旋桩下部结构4连接为一体，上法兰4-2和下法兰3-3之间的第二圆形钢板6-2目的在于基础沉放过程中排开灌浆套管1-2下侧的土体，使灌浆套管1-2内保持相对清洁，方便后期注入混凝土，也利于混凝土与螺旋桩和圆形基础1之间的连接，
上述第二圆形钢板6-2亦可根据实际需求及法兰结构5-2和灌浆套管1-2之间的相对大小而决定是否安装。
法兰结构5的直径应小于圆形基础灌浆套管1-2的直径，以减少螺旋桩在转动时的摩擦阻力，降低了安装过程中所需施加的扭矩，圆形钢板6-1的直径应大于圆形基础灌浆套管1-2的直径，用以将螺旋桩产生的贯入力传递给圆形基础1。螺旋桩安装完成后应在内部安装一刚性的灌浆管8，方便后期在圆形基础灌浆套管1-2和螺旋桩之间注入混凝土。
螺旋叶片4-3产生的贯入荷载通过螺旋桩下部结构本体4-1、下法兰4-2、圆形钢板6-2、上法兰3-3、螺旋桩中部结构本体3-1、下法兰3-2和圆形钢板6-1传递给圆形基础1，使得基础整体能够贯入至预定位置。基础沉放完成后，通过灌浆管8注入水硬性混凝土，待混凝土形成强度后，则圆形基础1和螺旋桩形成整体、协同受荷，提高结构整体的复合承载能力。
实施例2
本发明在陆上组装时，应先利用吊机将螺旋桩下部结构4直立，并利用其他结构物将其约束，使其至保持直立状态；再利用吊机将螺旋桩中部结构3吊起，并将螺旋桩中部结构3下沿的上法兰3-3、螺旋桩下部结构4上沿的下法兰4-2和第二圆形钢板6-2相互吻合，利用人工方法拧紧法兰5-2处的螺栓和螺母7，使螺旋桩下部结构4和螺旋桩中部结构3刚性结合；再利用吊机将第一圆形基础1吊起，并令圆形基础1上的灌浆套管1-2穿过螺旋桩中部结构3；最后利用吊机将螺旋桩上部结构2吊起，并将螺旋桩上部结构2下沿的上法兰2-2结构、螺旋桩中部结构3上沿的下法兰3-2和第一圆形钢板6-1相互吻合，利用人工方法拧紧法兰5-1处的螺栓和螺母7，使螺旋桩上部结构2和螺旋桩中部结构3刚性结合，此过程中应将灌浆管8放置于螺旋桩内部。陆上组装完成后应由吊机将圆形基础1带动螺旋桩结构起吊至水域，方便之后的运输。
实施例3
本发明在沉放时，结构整体通过吊装至预定预定场地后，通过自重或者外置配重作用使螺旋桩部分贯入泥面以下，在外部动力装置的驱动下，螺旋桩会产生围绕其旋转轴的转动，贯入泥面部分的螺旋叶片4-3在转动作用下会产生向下的贯入力，该贯入力依次通过螺旋桩下部结构本体4-1、法兰5-2、螺旋桩中部结构本体3-1、法兰5-1和圆形钢板6-1传递至圆形基础1，带动圆形基础1沉放至预定位置；沉放过程中能够通过改变不同位置处螺旋桩旋转速度，来控制圆形基础1的倾斜程度，保证在沉放完成后圆形基础1底面与海底泥面完全接触，即施工完成就能保证圆形基础本体1具有良好的竖向承载性能。沉放完成后利用灌浆管8将水硬性混凝土灌注至圆形基础中的灌浆套管1-2，待混凝土产生足够的强度后，使圆形基础1和螺旋桩形成整体、协同受荷，提高结构整体的复合承载能力。
实施例4
本发明在工作时，灌浆套管1-2中混凝土将圆形基础1和螺旋桩约束为一体，上部结构传递而来的荷载由螺旋桩和圆形基础1共同承担，其中圆形基础1具有良好的竖向承载能力；螺旋桩具有良好的抗滑移、抗倾覆以及抗拔能力，因此基础在承受不同方向荷载时，水平向荷载、倾覆荷载以及上拔荷载能够经由混凝土和相关结构完全传递给螺旋桩，两者协同工作可以充分发挥各自的承载优势，使整体结构具有优异的复合承载性能。螺旋桩的数量、尺寸及螺旋叶片4-3的间距、尺寸应根据结构整体的承载力需求进行设计；螺旋桩应以圆形基础1的中心轴线作为对称中心均匀分布，以保证圆形基础1在沉放过程中的不产生差异沉降。
本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种带有螺旋桩的复合型圆形基础，其特征在于：包括圆形基础和若干设置于圆形基础上的螺旋桩；
所述圆形基础呈饼状，其表面分布有贯穿的用于插入螺旋桩的灌浆套管；
所述螺旋桩包括螺旋桩上部结构、螺旋桩中部结构、螺旋桩下部结构、第一圆形钢板和第二圆形钢板，所述螺旋桩上部结构和螺旋桩中部结构之间通过法兰结构将第一圆形钢板夹在中间，所述螺旋桩中部结构和螺旋桩下部结构之间通过法兰结构将第二圆形钢板夹在中间，所述螺旋桩下部结构的下端设置有螺旋叶片；
所述螺旋桩插在圆形基础的各灌浆套管内，使第一圆形钢板盖在灌浆套管上方，所述第一圆形钢板、第二圆形钢板的直径大于灌浆套管的内径，整个螺旋桩可以灌浆套管内进行自由转动；
所述灌浆套管内填充有混凝土填充物，用于在圆形基础的下沉安装完成后使螺旋桩和圆形基础结合为一体。
2.根据权利要求1所述的一种带有螺旋桩的复合型圆形基础，其特征在于：各所述灌浆套管位于与圆形基础同心的圆形边线上。
3.根据权利要求1所述的一种带有螺旋桩的复合型圆形基础，其特征在于：所述螺旋桩的数量为大于等于2，且各螺旋桩以圆形基础的圆心呈中心对称。
4.根据权利要求1所述的一种带有螺旋桩的复合型圆形基础，其特征在于：所述螺旋桩的直径小于圆形基础灌浆套管的直径。
5.根据权利要求1所述的一种带有螺旋桩的复合型圆形基础，其特征在于：所述螺旋桩内部设置有灌浆管，用于向灌浆套管内灌入混凝土填充物。
6.根据权利要求1所述的一种带有螺旋桩的复合型圆形基础，其特征在于：所述灌浆管的下端开口位于螺旋桩中部结构本体的外壁上。
7.根据权利要求1所述的一种带有螺旋桩的复合型圆形基础，其特征在于：所述复合型圆形基础还包括用于将螺旋桩旋入土体内的外接动力机构，外接动力机构通过在螺旋桩顶端施加扭力。
8.根据权利要求1所述的一种带有螺旋桩的复合型圆形基础，其特征在于：所述圆形基础上放置有用于产生下沉力的外置配重。
9.根据权利要求1所述的一种带有螺旋桩的复合型圆形基础，其特征在于：所述圆形基础上设置有用于吊运的吊环。
10.一种带有螺旋桩的复合型圆形基础的施工方法，其特征在于，按照下述步骤进行：
步骤一、在陆上对螺旋桩和圆形基础进行组装：将螺旋桩中部结构放入圆形基础的灌浆套管内，使螺旋桩上部结构与螺旋桩中部结构之间夹住第一圆形钢板，并通过法兰固定连接，使螺旋桩中部结构与螺旋桩下部结构之间夹住第二圆形钢板，并通过法兰固定连接；
步骤二、将圆形基础连同螺旋桩吊运至目标放置水域，通过自重或者外置配重作用使螺旋桩部分贯入泥面以下；
步骤三、在外部动力装置的驱动下，使各螺旋桩产生围绕其旋转轴的转动，贯入泥面部分的螺旋叶片在转动作用下产生向下的贯入力，圆形基础在该贯入力和自重的联合作用下贯入至预定深度；
步骤四、利用灌浆管将水硬性混凝土灌注至圆形基础上的灌浆套管，待混凝土产生足够的强度后，使圆形基础和各螺旋桩形成整体、协同受荷。
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