CN110847215A - 满铺长短桩复合地基-筒海上风电基础及施工方法 - Google Patents

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胡超
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Abstract

本发明涉及一种满铺长短桩复合地基‑筒海上风电基础及施工方法。该风电基础，包括混凝土过渡段、复合筒型基础和混凝土圆形底板。本发明结合水下深层水泥搅拌桩(或挤密砂桩)和筒型基础的优点，筒型基础承载面积大，稳定性好，无需打桩，但在软弱土质条件下，筒型基础沉降和倾斜较大，水泥桩(或挤密砂桩)布置在筒型基础内，解决了筒型基础的地基变形问题，缩小了吸力筒的制造尺寸，减小基础造价。整体筒型基础均在陆上制作，采用一体化拖航和安装，到达泥面后配以负压下沉，施工方便，桩可在筒型基础制作期间提前使用水下成桩船到海上风机位成桩，不占用筒型基础施工窗口期，工期灵活，施工难度小。

Description

满铺长短桩复合地基-筒海上风电基础及施工方法
技术领域
本发明涉及一种海上风电基础结构，尤其是涉及一种满铺长短桩 复合地基-筒海上风电基础及施工方法。
背景技术
基于我国近海区域较大部分是淤泥、粉质黏土等软弱地基条件， 一般为满足地基承载力和基础变形要求，通常采用传统的桩基础如单 桩基础和导管架基础，这两种基础形式需要大型吊装船和打桩船辅助 施工，通过锤击打桩，桩穿透软弱土层进入较好的持力层，这种传统 桩式基础造价较高且工期长。
随着海上风电机组单机容量的增大，采用传统单桩及导管架基础 需要增大基础的尺寸和材料用量，且大直径单桩打桩受到施工设备的 限制成为难以逾越的问题，针对这个问题，如专利CN107761755A和 专利CN106759445所述的吸力式复合筒型基础逐渐被用于海上风电， 筒型基础的负压下沉安装方式(如专利CN105926661A所示)避免了 繁琐的打桩流程，筒型基础由于其受力特性和施工方法，适用于有一 定承载力的黏土、砂土等土层，针对承载能力较差的淤泥及淤泥质土 层，采用筒型基础需要增大筒的直径，且由于筒型基础的重量和风机 载荷增大，带来了基础沉降和倾斜变形较大的问题，如果过度增大筒 型基础尺寸，不仅增加了造价，且无法实现一步式安装(如专利 CN102926949A所示)，经济性上相比单桩和导管架的优势不再存在。
针对我国近海覆盖层较厚的冲积型软土地质条件及以上传统基 础形式的弊端，提出了一种吸力筒-满铺长短桩复合海上风电基础及 施工方法，这种复合基础解决了海上风电软弱地基承载力和变形问题， 且无需打桩施工，在施工工艺上具有极大的优势，在筒型基础陆上制 作时提前进入风电场场区进行成桩，筒型基础采用一步式整体安装工 艺，经济性好，适用于淤泥、淤泥质土、粉土等软弱地基。
发明内容
为解决以上问题，本发明提供一种满铺长短桩复合地基-筒海上 风电基础及施工方法，该筒型基础采用一步式整体安装工艺，经济性 好，适用于淤泥、淤泥质土、粉土等软弱地基。
本发明采用的技术方案是：一种满铺长短桩复合地基-筒海上风 电基础，其特征在于：包括混凝土过渡段和设置在混凝土过渡段下端 的复合筒型基础，以及设置在混凝土过渡段和复合筒型基础之间的混 凝土圆形底板；所述复合筒型基础包括筒壁、分仓板和筒顶盖，所述 筒壁与筒顶盖围合成一个上端封闭、下端开口的筒型空腔，所述分仓 板设置在筒型空腔内，将筒型空腔沿轴线分割成多个分仓腔；每个所 述分仓腔内均设有筒内长桩和筒内短桩，所述空腔结构外设有筒外长 桩和筒外短桩。
作为优选，所述混凝土过渡段和混凝土圆形底板采用分体浇筑， 所述混凝土圆形底板内预埋剪力栓钉，所述混凝土过渡段、混凝土圆 形底板和复合筒型基础通过剪力栓钉连接成整体。
作为优选，所述混凝土过渡段为内部空腔结构，壁厚不小于0.5m， 混凝土内布置钢筋增强其抗拉强度，上部与塔筒对接。
作为优选，所述混凝土圆形底板的直径与筒型基础的直径相等。
作为优选，所述分仓板和筒壁采用坡口焊缝或浇筑形式连接，所 述筒壁内侧和分仓板单侧均等距布置加劲肋，布置间距为0.5m～1.0m， 加劲肋长度与筒壁高度一致。
作为优选，所述筒内长桩、筒内短桩、筒外长桩和筒外短桩均采 用双轴或多轴水泥搅拌桩型，或采用挤密砂桩。
作为优选，所述筒内长桩和筒外长桩穿透软弱地质层到达土层； 若软弱地质层较厚，桩长未穿透软弱地质层且承载力满足要求时，桩 底“悬浮”于软弱层中，悬浮桩长不超过25m。
作为优选，所述筒内短桩布置于同一分仓腔内的筒内长桩之间， 所述筒外短桩布置于筒外长桩的外周；所述筒内短桩和筒外短桩的桩 底与筒型基础的筒底齐平。
作为优选，所述筒内长桩、筒外长桩、筒内短桩和筒外短桩的桩 顶与筒顶保留0～2.0m的距离，桩间距大于桩径布置；所述筒内长 桩与筒壁和分仓板的间距为0.2m～2.0m，筒外长桩与筒壁的间距为 0.2m～2.0m。
一种满铺长短桩复合地基-筒海上风电基础的施工方法，其特征 在于：包括如下步骤：
a、在陆上基地预制混凝土过渡段、混凝土圆形底板、复合筒型 基础，并将混凝土过渡段、混凝土圆形底板、复合筒型基础通过剪力 栓钉连接成整体；
b、复合筒型基础陆上制作的过程中，使用水下成桩船到风机位 进行成桩作业，为不影响复合筒型基础下沉，布桩点需要通过GPS精 准定位，给筒壁与分仓板预留下沉通道，相邻桩位距离筒壁和分仓板 净距均为0.2m～2.0m，其余桩在分仓范围内按设计桩间距成桩；
c、待长桩和短桩安装完成并达到强度后，将复合筒型基础运输 至指定风机位，利用GPS定位，调整复合筒型基础位置和角度，使筒 壁和分仓板在步骤b预留的相邻围桩间的通道进行负压下沉，通过调 平完成复合筒型基础安装。
本发明取得的有益效果是：本发明结合了水下深层水泥搅拌桩 (或挤密砂桩)和筒型基础的优点，筒型基础承载面积大，稳定性好， 无需打桩，但在软弱土质条件下，筒型基础沉降和倾斜较大，水泥桩 (或挤密砂桩)布置在筒型基础内，解决了筒型基础的地基变形问题， 缩小了吸力筒的制造尺寸，减小基础造价。整体筒型基础均在陆上制 作，采用一体化拖航和安装，到达泥面后配以负压下沉，施工方便， 桩可在筒型基础制作期间提前使用水下成桩船到海上风机位成桩，不 占用筒型基础施工窗口期，工期灵活，施工难度小。整个施工过程避 免了使用大型海上吊装和打桩设备，并实现了海上风机整机的一体化 安装，降低了安装成本，节省的基础制造费、安装费用远大于满铺长 短桩的成桩费用，相比于同一场地的常规复合筒型基础可减少综合造 价10％～25％，适用于我国近海大部分具有软弱覆盖层的海域。
附图说明
图1为本发明的立面剖视图；
图2为本发明的布桩俯视图；
图3为本发明的水下成桩船示意图；
附图标记：1、混凝土过渡段；2、混凝土圆形底板；3、复合筒 型基础；31、筒顶盖；32、筒壁；33、分仓板；34、加劲肋；4、筒 内长桩；5、筒内短桩；6、筒外长桩；7、筒外短桩；8、水下成桩船； 9、搅拌钻杆(或砂桩套管)；10、搅拌翼(或沉桩振动锤)；11、送 料仓。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。
如图1-3所示，本发明的一种满铺长短桩复合地基-筒海上风电 基础，包括混凝土过渡段1、复合筒型基础3和混凝土圆形底板2， 混凝土过渡段1为内部空腔结构，壁厚可自由选定，不宜小于0.5m， 混凝土内布置钢筋增强其抗拉强度，上部开口直径可根据塔筒直径调 整，使混凝土过渡段1能与塔筒对接；混凝土过渡段1下端设有复合 筒型基础3，混凝土过渡段1和复合筒型基础3之间设有混凝土圆形 底板2。本实施例中，混凝土过渡段1和混凝土圆形底板2采用分体 浇筑，混凝土圆形底板2内预埋剪力栓钉，混凝土过渡段1、混凝土圆形底板2和复合筒型基础3的筒顶盖31通过剪力栓钉连接成整体。 混凝土圆形底板2的直径与筒型基础3的直径相等，厚度根据筒型基 础的直径和机组载荷来确定。
复合筒型基础3包括筒壁32、分仓板33和筒顶盖31，筒壁32 与筒顶盖31围合成一个上端封闭、下端开口的筒型空腔，分仓板33 设置在筒型空腔内，将筒型空腔沿轴线分割成多个分仓腔；每个分仓 腔内均设有筒内长桩4和筒内短桩5，空腔结构外设有筒外长桩6和 筒外短桩7。
分仓板33和筒壁32采用坡口焊缝或浇筑形式连接，筒壁32内 侧和分仓板33单侧均等距布置加劲肋34，以防止钢板屈曲，布置间 距为0.5m～1.0m，加劲肋34长度与筒壁32高度一致。筒壁32、分仓 板33、筒顶盖31和加劲肋34均为薄壁件，分仓腔可采用正多边形形式。
本实施例中，筒内长桩4、筒内短桩5、筒外长桩6和筒外短桩 7均采用双轴或多轴水泥搅拌桩型，或采用挤密砂桩。筒内长桩4和 筒外长桩6穿透软弱地质层到达土层；若软弱地质层较厚，桩长未穿 透软弱地质层且承载力满足要求时，桩底“悬浮”于软弱层中，悬浮桩长不超过25m。
本实施例中，筒内短桩5布置于同一分仓腔内的筒内长桩4之间， 筒外短桩7布置于筒外长桩6的外周；筒内短桩5和筒外短桩7的桩 底与复合筒型基础3的筒底齐平。
本实施例中，筒内长桩4、筒外长桩6、筒内短桩5和筒外短桩 7的桩顶与筒顶保留0～2.0m的距离，桩间距大于桩径布置；筒内 长桩4与筒壁32和分仓板33的间距为0.2m～2.0m，筒外长桩6与筒 壁32的间距为0.2m～2.0m。
一种满铺长短桩复合地基-筒海上风电基础的施工方法，包括如 下步骤：
a、在陆上基地预制混凝土过渡段1、混凝土圆形底板2、复合筒 型基础3，并将混凝土过渡段1、混凝土圆形底板2、复合筒型基础3 通过剪力栓钉连接成整体；
b、复合筒型基础3陆上制作的过程中，使用水下成桩船8到风 机位进行成桩作业，为不影响筒型基础下沉，布桩点需要通过GPS精 准定位，给筒壁32与分仓板33预留下沉通道，相邻桩位距离筒壁 32和分仓板33净距均为0.2m～2.0m，其余桩在分仓范围内按设计桩间距成桩；
c、待长桩和短桩(筒内长桩4、筒内短桩5、筒外长桩6和筒外 短桩7)安装完成并达到强度后，将复合筒型基础3运输至指定风机 位，利用GPS定位，调整复合筒型基础3位置和角度，使筒壁32和 分仓板33在步骤b预留的相邻围桩间的通道进行负压下沉，通过调 平完成复合筒型基础3安装。
针对某风电场某机位采用吸力筒—水泥搅拌桩复合基础，如图2 所示。该机位浅层为18.3m厚的淤泥质粉质粘土，淤泥质粉质粘土以 下为稍密-中密的粉砂层，将该层粉砂层作为水泥桩持力层，则该机 位的水泥桩桩长为20.0m。
根据长短桩的布置规则，筒内长桩4和筒内短桩5布置于筒下七 个分仓内，每个分仓内成桩顺序采用先沿筒壁32内侧一圈筒内长桩 4，形成一圈围桩，再在筒内长桩4间进行定点成桩，安装相应的筒 内短桩5；筒外长桩6和筒外短桩7位于复合筒型基础3外周，安装时先沿筒壁32外侧安装一圈筒外长桩6，再在筒外长桩6外侧进行 定点成桩，安装相应的筒外短桩7；成桩时需要使用GPS精准定位， 误差不大于0.3m。
为减少桩数，降低工作量，水泥搅拌桩采用双轴或四轴搅拌桩等 多轴桩式，桩之间相互交错。
水泥桩成桩步骤为：桩位放样→水下成桩船8就位→检验、调整 钻机→搅拌钻杆9正循环钻进至设计深度→搅拌钻杆9反循环提升并 喷水泥浆→至泥面以下0.3m→重复搅拌下钻至设计深度→反循环提 钻并喷水泥浆至泥面以下0.3m→成桩结束。
成桩完成后养护不少于28天，需进行静力触探和钻孔取芯检测 水泥长、短桩(筒内长桩4、筒内短桩5、筒外长桩6和筒外短桩7) 的强度。
水泥长、短桩的成桩和养护时期，同时在陆上制作组装复合筒型 基础3，桩强度达到要求后，将复合筒型基础3运输至指定机位，通 过GPS定位，调整复合筒型基础3方向，使筒壁32和分仓板33避开 灌入水泥桩的区域，依靠自重下沉入泥一段深度，配以负压下沉的技 术手段使复合筒型基础3下沉至筒顶盖31与泥面齐平接触，施工完 毕。
结构性对比：若仅采用吸力筒，筒型基础的直径需44.0m，入土 深度需10.0m，基础总重量6200.0吨，该尺寸下基础在极限荷载组 合作用下结构应力水平在规范规定的范围内，基础倾斜率(差异沉降) 为5.99‰，在规范规定的8.7‰以内，经计算得基础的竖向承载力安 全系数为5.32，抗滑安全系数为6.31，抗倾覆安全系数为1.71，承 载力满足规范要求。而采用吸力筒—满铺长短水泥桩复合基础，先期 打入的双轴搅拌桩等效为双轴搅拌桩等效为直径D＝1.778m的圆形桩 体，实际桩簇面积Ap＝2.483m3，实际周长up＝6.36m，面积置换率m＝15％。 经计算，单根水泥桩的竖向承载力特征值Ra＝856kN，水泥桩体压缩模 了Ep＝50MPa，根据规范所述复合地基的承载力及变形计算方法，打入 水泥桩后该机位水泥影响区的压缩模量E＝15％×50+85％× 1.04＝8.38MPa，经计算，该工况下吸力筒的直径仅需36.0m，入土深 度需10.0m，基础总重量3600.0吨，该类型基础在极限荷载组合作 用下结构应力水平在规范规定的范围内，基础倾斜率(差异沉降)为 6.02‰，在规范规定的8.7‰以内，经计算得该复合基础的竖向承载 力安全系数为4.23，抗滑安全系数为6.24，抗倾覆安全系数为1.60， 承载力满足规范要求。
经济性分析：若仅采用吸力式筒型基础，44m直径的筒型基础的 制造成本为1200万，由于基础过重直径过大，已有安装船不能满足 施工要求，因此不可采用基础-塔筒-风机机头一体化一步式安装，需 要特大型海上浮吊进行安装，安装时需将筒型基础安装到位，再将塔 筒和风机机头进行海上吊装，总安装费为1300万，因此仅采用吸力 式筒型基础时该机位的总成本为2500万。而采用吸力筒—满铺长短 桩复合基础时，吸力式筒型基础直径从44米减小到36米，吸力式筒 型基础制造成本为1000万。基础重量和直径减小，可采用已有安装 船进行一体化一步式安装，不需要特大型海上浮吊，安装费用为100 万，而满铺长短桩的成桩费用经计算为300万，因此采用吸力筒—满 铺长短桩复合基础时该机位的总成本为1400万，相较于目前最经济 的吸力式筒型基础单台风机整机制造和安装费用可减少1100万(节 约44.0％)。除此之外，由于采用吸力筒—满铺长短桩复合基础可实 现一体化一步式安装，减少海上吊装时间，亦可减少部分工期成本。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要结构特征。本发明不 受上述实例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还 会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范 围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种满铺长短桩复合地基-筒海上风电基础，其特征在于：包括混凝土过渡段和设置在混凝土过渡段下端的复合筒型基础，以及设置在混凝土过渡段和复合筒型基础之间的混凝土圆形底板；所述复合筒型基础包括筒壁、分仓板和筒顶盖，所述筒壁与筒顶盖围合成一个上端封闭、下端开口的筒型空腔，所述分仓板设置在筒型空腔内，将筒型空腔沿轴线分割成多个分仓腔；每个所述分仓腔内均设有筒内长桩和筒内短桩，所述空腔结构外设有筒外长桩和筒外短桩。
2.根据权利要求1所述的满铺长短桩复合地基-筒海上风电基础，其特征在于：所述混凝土过渡段和混凝土圆形底板采用分体浇筑，所述混凝土圆形底板内预埋剪力栓钉，所述混凝土过渡段、混凝土圆形底板和复合筒型基础通过剪力栓钉连接成整体。
3.根据权利要求1所述的满铺长短桩复合地基-筒海上风电基础，其特征在于：所述混凝土过渡段为内部空腔结构，壁厚不小于0.5m，混凝土内布置钢筋增强其抗拉强度，上部与塔筒对接。
4.根据权利要求1所述的满铺长短桩复合地基-筒海上风电基础，其特征在于：所述混凝土圆形底板的直径与筒型基础的直径相等。
5.根据权利要求1所述的满铺长短桩复合地基-筒海上风电基础，其特征在于：所述分仓板和筒壁采用坡口焊缝或浇筑形式连接，所述筒壁内侧和分仓板单侧均等距布置加劲肋，布置间距为0.5m～1.0m，加劲肋长度与筒壁高度一致。
6.根据权利要求1所述的满铺长短桩复合地基-筒海上风电基础，其特征在于：所述筒内长桩、筒内短桩、筒外长桩和筒外短桩均采用双轴或多轴水泥搅拌桩型，或采用挤密砂桩。
7.根据权利要求1所述的满铺长短桩复合地基-筒海上风电基础，其特征在于：所述筒内长桩和筒外长桩穿透软弱地质层到达土层；若软弱地质层较厚，桩长未穿透软弱地质层且承载力满足要求时，桩底“悬浮”于软弱层中，悬浮桩长不超过25m。
8.根据权利要求1所述的满铺长短桩复合地基-筒海上风电基础，其特征在于：所述筒内短桩布置于同一分仓腔内的筒内长桩之间，所述筒外短桩布置于筒外长桩的外周；所述筒内短桩和筒外短桩的桩底与筒型基础的筒底齐平。
9.根据权利要求1所述的满铺长短桩复合地基-筒海上风电基础，其特征在于：所述筒内长桩、筒外长桩、筒内短桩和筒外短桩的桩顶与筒顶保留0～2.0m的距离，桩间距大于桩径布置；所述筒内长桩与筒壁和分仓板的间距为0.2m～2.0m，筒外长桩与筒壁的间距为0.2m～2.0m。
10.一种满铺长短桩复合地基-筒海上风电基础的施工方法，其特征在于：包括如下步骤：
a、在陆上基地预制混凝土过渡段、混凝土圆形底板、复合筒型基础，并将混凝土过渡段、混凝土圆形底板、复合筒型基础通过剪力栓钉连接成整体；
b、复合筒型基础陆上制作的过程中，使用水下成桩船到风机位进行成桩作业，为不影响复合筒型基础下沉，布桩点需要精准定位，给筒壁与分仓板预留下沉通道，相邻桩位距离筒壁和分仓板净距均为0.2m～2.0m，其余桩在分仓范围内按设计桩间距成桩；
c、待长桩和短桩安装完成并达到强度后，将复合筒型基础运输至指定风机位，调整复合筒型基础位置和角度，使筒壁和分仓板在步骤b预留的相邻围桩间的通道进行负压下沉，通过调平完成复合筒型基础安装。
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WO2022062831A1 (zh) * 2020-09-23 2022-03-31 华能盐城大丰新能源发电有限责任公司 一种带预制混凝土压块的吸力桶基础

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