CN110439023A - 具有高压旋喷桩加固地基的海上单桩基础 - Google Patents

Abstract

本发明属于海洋工程的桩基领域的一种具有高压旋喷桩加固地基的海上单桩基础，技术方案为：其包括沉入海床软土地基的钢管桩，在软土地基内，钢管桩周围设置高压喷射注浆法形成的加固地基，加固地基为与钢管桩同轴的旋转体；加固地基包括由高压旋喷桩和各高压旋喷桩之间的软土；加固地基中内圈的高压旋喷桩排列形成内圈高压旋喷桩墙体；内圈高压旋喷桩墙体与钢管桩的桩身接触。其水平承载力高、桩顶水平位移小、桩身倾角小、基础刚度大，适应海上风机水平荷载大的特点，满足海上风机对基础水平位移和桩身倾角的严格要求，满足“结构+基础”整体自振频率的要求。

Description

具有高压旋喷桩加固地基的海上单桩基础

技术领域

本发明涉及海洋工程的桩基领域，尤其涉及一种软土地基中的水平承载性能高的海上单桩基础。

背景技术

海上风力发电是新能源领域发展的重点，市场前景非常广阔。风机机组对于基础的水平位移和不均匀沉降具有严格控制标准，“结构+基础”的自振频率需要避开外部荷载的驱动频率。目前，海上风力发电机组的常见基础型式有单桩、高桩承台、多脚架、导管架式、重力式、负压桶和浮动平台结构等。在海上风电项目中，单桩基础被广泛采用，因其具有占地较小、结构简易、施工快捷、造价较低等优点；但另一方面，单桩基础相对于其它基础型式缺点在于对于刚度较小、结构较柔。我国近海海域海床表层多为深厚的软弱土，在一定程度上制约了该类型基础的应用。在复杂海洋环境下，波浪、海流等会对风机基础施加巨大水平荷载；随着风机单机容量越来越大，轮毂高度越来越高，叶片越来越长，风机荷载越来越大。尽管钢管桩自身抗弯刚度较大，但是桩周地基表层的土体能够提供的水平约束有限。若采用常规单桩基础，增加桩径、桩长或壁厚的方法会导致消耗更多的材料，单桩重量的增加也带来更高的施工难度，使得基础造价的迅速增加，影响风电场的发电效益。因此研发软土地基中的水平承载性能高的海上单桩基础具有实际的工程意义。

发明内容

鉴于单桩基础在软土地基海域应用的难点，本发明的目的在于提供了一种具有高压旋喷桩加固地基的海上单桩基础，其水平承载力高、桩顶水平位移小、桩身倾角小、基础刚度大，适应海上风机水平荷载大的特点，满足海上风机对基础水平位移和桩身倾角的严格要求，满足“结构+基础”整体自振频率的要求。

本发明的技术方案为：包括沉入海床的软土地基的钢管桩，在软土地基内，钢管桩周围设置高压喷射注浆法形成的加固地基，加固地基为与钢管桩同轴的旋转体；加固地基包括由高压旋喷桩和各高压旋喷桩之间的软土；加固地基中内圈的高压旋喷桩排列形成内圈高压旋喷桩墙体；内圈高压旋喷桩墙体与钢管桩的桩身接触，实现荷载有效传递。

基于上述技术特征，内圈高压旋喷桩墙体的横截面形状为与钢管桩同心的圆形或正多边形。

基于上述技术特征，高压旋喷桩在钢管桩外布置为扶壁式，沿内圈高压旋喷桩墙体间隔布置扶壁，扶壁由各高压旋喷桩互相咬合形成，各扶壁之间为软土。

基于上述技术特征，高压旋喷桩在钢管桩外布置为格构式，各高压旋喷桩互相咬合形成闭合的骨架，骨架之间为软土。

基于上述技术特征，高压旋喷桩在钢管桩外布置为满堂式，各高压旋喷桩互相咬合布满整个加固地基。

基于上述技术特征，加固地基为阶梯状，梯层依次由上往下向内收。加固地基采用变截面可以节省材料、减少海上作业时间，具有更好的经济性。

基于上述技术特征，在软土地基的上表面，围绕钢管桩设置有桩周防冲刷结构。

基于上述技术特征，桩周防冲刷结构为沙被或抛石或软体排或连锁块或固化土铺成的覆盖层。桩周防冲刷结构可以采用不同的方案，其功能是防止桩周围的土体被水流冲走。软体排包括土工织物和填充料等；连锁块包括钢筋混凝土等。桩周防冲刷结构的平面形状不限，外边缘可以设计成圆形或多边形或其它不规则形状，其尺寸可以根据各工程实际确定。

位于海床以上的钢管桩的桩身外安装附属结构。附属结构主要包括但不限于钢平台、靠泊结构和电缆管。钢管桩上预留位置，用于与附属结构连接。

应用本软土地基中的水平承载性能高的海上单桩基础，可以使单桩基础适用于更广的海域、更大的风机机型，从风机基础选型这个基本层面，避免采用高桩承台、多脚架、导管架等造价较高的基础类型，从而有效降低海上风机基础工程造价，减短施工工期，提升风电场发电效益。

本具有高压旋喷桩加固地基的海上高水平承载力单桩基础，相对于普通的海上单桩基础，水平承载力有效提高，有效地降低桩顶水平侧移，单桩泥面处转角有效降低，改善“结构+ 基础”整体自振频率，同时具有节约单桩基础用钢量的效益。

如上，本发明软土地基中的水平承载性能高的海上单桩基础，具有以下有益效果：该软土地基中的水平承载性能高的海上单桩基础，经济、安全、可靠，适用于更广的海域、更大的风机机型，在工程造价方面有了很大程度的降低；而且施工工艺简单成熟，只需增加小范围的高压喷射注浆施工，实行起来方便有效。

附图说明

图1为本发明具有高压旋喷桩加固地基的海上单桩基础实施方式的立面布置示意图。

图2为本发明具有高压旋喷桩加固地基的海上单桩基础为阶梯状的立面布置示意图。

图3为本发明中高压旋喷桩在钢管桩外满堂式布置的加固地基平面布置示意图。

图4为本发明中高压旋喷桩在钢管桩外格构式布置方案一的加固地基平面布置示意图。

图5为本发明中高压旋喷桩在钢管桩外格构式布置方案二的加固地基平面布置示意图。

图6为本发明中高压旋喷桩在钢管桩外扶壁式布置方案一的加固地基平面布置示意图。

图7为本发明中高压旋喷桩在钢管桩外扶壁式布置方案二的加固地基平面布置示意图。

图8为本发明中高压旋喷桩在钢管桩外扶壁式布置方案三的加固地基平面布置示意图。

构件标号说明

软土地基1；钢管桩2；高压旋喷桩3；加固地基4；桩周防冲刷结构5；附属结构6；内圈高压旋喷桩墙体7；泥面8。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

本发明具有高压旋喷桩加固地基的海上单桩基础可有多种立面、平面布置型式，不同布置型式可以互相组合，以下说明及附图仅为其中一些组合的示例，其余未附图的组合仍应由本发明的权利要求所涵盖。

如图1至图2所示，本发明提供具有高压旋喷桩加固地基的海上单桩基础，它包括位于软土地基1的钢管桩2、高压喷射注浆法形成的加固地基4、桩周防冲刷结构5和附属结构6。钢管桩2被沉入海床。在软土地基1内，钢管桩2周围设置以高压喷射注浆法形成的加固地基4，加固地基4包括高压旋喷桩3和各高压旋喷桩3之间的软土。高压喷射注浆法可参见《水运工程地基设计规范》(JTS 147–2017)，其本身属于成熟技术。钢管桩2用于支承风机塔筒，传递上部结构荷载。以高压喷射注浆法的加固地基4主要作用在于为钢管桩2提供水平约束，将水平荷载扩散传递到周围的软土地基。

桩周防冲刷结构5用于保护软土地基和以高压喷射注浆法形成的加固地基4，避免由于钢管桩2周围土体受冲刷而无法提供水平约束。桩周防冲刷结构5布置在软土地基的上表面，围绕钢管桩2周围设置。桩周防冲刷结构5可以是不同的方案，比如沙被、抛石、软体排、连锁块、固化土覆盖层等。

如图1、图2所示，本发明具有高压旋喷桩加固地基的海上单桩基础的立面布置型式。加固地基4中内圈的高压旋喷桩排列形成内圈高压旋喷桩墙体7，内圈高压旋喷桩墙体7与钢管桩2的桩身接触，实现荷载有效传递。加固地基4的顶高程位于软土地基的泥面8以下。加固地基4的底高程要看工程需要和施工设备条件确定。加固地基4的大小可以根据各工程实际，综合考虑钢管桩承载力要求、变形控制、工程造价确定。附属结构6主要包括但不限于钢平台、靠泊结构和电缆管。安装位置为位于海床以上的钢管桩外侧。钢管桩上预留位置，用于连接固定附属结构。

如图2所示，加固地基4为阶梯状，梯层依次由上往下向内收。

图3至图8显示本发明具有高压旋喷桩加固地基的海上单桩基础的平面布置型式。

图3所示为高压旋喷桩在钢管桩外满堂式布置，本布置方式具有很好的防冲刷性能。各高压旋喷桩3互相咬合，布满整个加固地基4，中间一圈为内圈高压旋喷桩墙体7。

图4所示为高压旋喷桩在钢管桩外格构式布置型式一。高压旋喷桩3互相咬合形成闭合的单层骨架，中间一圈为内圈高压旋喷桩墙体7，骨架间隔区域为软土。

图5所示为高压旋喷桩在钢管桩外格构式布置型式二。高压旋喷桩3互相咬合形成闭合的二层骨架，中间一圈为内圈高压旋喷桩墙体7，骨架内部为软土。即在图4所示的方案中多加了一道圆形的分割骨架。本布置方式具有较好的防冲刷性能。

图6所示为高压旋喷桩在钢管桩外扶壁式布置型式一，内圈高压旋喷桩墙体7由单排的高压旋喷桩排列围成，在其外侧间隔布置扶壁，扶壁由单排的高压旋喷桩排列形成，各扶壁之间为软土。

图7所示为高压旋喷桩在钢管桩外扶壁式布置型式二，内圈高压旋喷桩墙体7由多排的高压旋喷桩排列围成，在其外侧间隔区域布置扶壁，扶壁由多排的高压旋喷桩互相咬合形成，各扶壁之间为软土。本布置方式具有好的防冲刷性能。

图4、图5、图6和图7显示内圈高压旋喷桩墙体7成圆形布置的情况。

图8显示为高压旋喷桩在钢管桩外扶壁式布置型式三，内圈高压旋喷桩墙体7成正多边形布置。

本发明的施工步骤可选用以下两种工序之一。

第一种工序为：首先按设计图纸进行除内圈高压旋喷桩墙体7外的高压旋喷桩施工，可采用满堂式布置、格构式布置或扶壁式布置。待高压旋喷桩桩体强度达到下一步施工要求，实施钢管桩2沉桩。之后完成内圈高压旋喷桩墙体7，实现荷载有效传递。然后做好桩周防冲刷结构5，最后安装附属结构6。桩周防冲刷结构5的外边缘可以设计成圆形或为多边形等，其范围可以根据各工程实际确定。

第二种工序为：首先完成钢管桩2沉桩，然后由内向外进行高压旋喷桩施工。做好桩周防冲刷结构5，最后安装附属结构6。桩周防冲刷结构5的外边缘可以设计成圆形或为多边形等，其范围可以根据各工程实际确定。

本发明实现上部风机水平荷载及环境荷载通过钢管桩2传到以高压喷射注浆法的加固地基4，再传到周围软土地基1，传力路径简洁直接。

综上，本发明采用高压喷射注浆法形成复合地基，改善桩周土体的强度和刚度，提高软土地基的水平承载性能，安全、可靠、环保、经济。本发明水平承载力高、桩顶水平位移小、桩身倾角小、基础刚度大，适应海上风机水平荷载大的特点，满足海上风机对基础水平位移和桩身倾角的严格要求，满足“结构+基础”整体自振频率的要求。本软土地基中的水平承载性能高的海上单桩基础突破软土地基对单桩基础的制约，适用于更广的海域，适用于单机容量更大、轮毂高度更高、叶片更长、水平荷载更大的风机，可以从风机基础选型这个基本层面，避免采用高桩承台、多脚架、导管架等造价较高的基础类型，从而有效降低海上风机基础工程造价，减短施工工期，提高海上风电场的经济效益；而且施工工艺简单，只需增加小范围的水下地基处理施工，实行起来方便有效。所以，本发明有效克服了现有单桩基础中的在软土地基中应用的难点，因而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种具有高压旋喷桩加固地基的海上单桩基础，包括沉入海床的软土地基(1)的钢管桩(2)，其特征在于：在所述软土地基(1)内，所述钢管桩(2)周围设置高压喷射注浆法形成的加固地基(4)，所述加固地基(4)为与所述钢管桩(2)同轴的旋转体；所述加固地基(4)包括由高压旋喷桩(3)和各所述高压旋喷桩(3)之间的软土；所述加固地基(4)中内圈的所述高压旋喷桩排列形成内圈高压旋喷桩墙体(7)；所述内圈高压旋喷桩墙体(7)与所述钢管桩(2)的桩身接触。

2.根据权利要求1所述的一种具有高压旋喷桩加固地基的海上单桩基础，其特征在于：所述内圈高压旋喷桩墙体(7)的横截面形状为与所述钢管桩(2)同心的圆形或正多边形。

3.根据权利要求1所述的一种具有高压旋喷桩加固地基的海上单桩基础，其特征在于：所述高压旋喷桩(3)在所述钢管桩(2)外布置为扶壁式，沿所述内圈高压旋喷桩墙体(7)间隔布置扶壁，所述扶壁由各所述高压旋喷桩(3)互相咬合形成，各所述扶壁之间为所述软土。

4.根据权利要求1所述的一种具有高压旋喷桩加固地基的海上单桩基础，其特征在于：所述高压旋喷桩(3)在所述钢管桩(2)外布置为格构式，各所述高压旋喷桩(3)互相咬合形成闭合的骨架，所述骨架之间为所述软土。

5.根据权利要求1所述的一种具有高压旋喷桩加固地基的海上单桩基础，其特征在于：所述高压旋喷桩(3)在所述钢管桩(2)外布置为满堂式，各所述高压旋喷桩(3)互相咬合布满整个所述加固地基(4)。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的一种具有高压旋喷桩加固地基的海上单桩基础，其特征在于：所述加固地基(4)为阶梯状，梯层依次由上往下向内收。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的一种具有高压旋喷桩加固地基的海上单桩基础，其特征在于：在所述软土地基(1)的上表面，围绕所述钢管桩(2)周围设置有桩周防冲刷结构(5)。

8.根据权利要求7所述的一种具有高压旋喷桩加固地基的海上单桩基础，其特征在于：所述桩周防冲刷结构(5)为沙被或抛石或软体排或连锁块或固化土铺成的覆盖层。