CN110847217A - 筒内布桩复合地基-筒海上风电基础及施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种筒内布桩复合地基‑筒海上风电基础及施工方法,适用于我国近海表层覆盖较厚淤泥、淤泥质土与粉土等软弱土质的海域,该风电基础包括混凝土过渡段、复合筒型基础、混凝土圆形底板和筒内桩,复合筒型基础为下开口空腔多分仓结构,下沉于表层软弱土质中,筒顶与泥面接触,筒内桩均匀分布于筒内各分仓板内,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,解决筒型基础的地基变形问题,缩小吸力筒的制造尺寸,减小基础造价。
Description
技术领域
本发明涉及一种海上风电基础结构,尤其是涉及一种筒内布桩复 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,本发明提供一种筒内布桩复合地基-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:一种筒内布桩复合地基-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 分仓腔内均均布有筒内桩。
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,所述筒内桩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,所述筒内桩的桩顶与筒顶保留0~1.0m的距离,桩间 距大于桩径布置;所述筒内桩与筒壁和分仓板的间距为0.2m~2.0m。
一种筒内布桩复合地基-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、搅拌钻杆贯入至筒内桩底标高,由送料仓送达钻头喷浆口喷 出,搅拌翼转动搅拌,同时搅拌钻杆向上提升,循环数次完成成桩工 艺;
d、待筒内桩达到强度,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。
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、安装费用远大于筒内桩 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、筒壁;4、 分仓板;5、筒顶盖;6、加劲肋;7、筒内桩;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; 101、海水面;102、海底泥面。
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,本发明的一种筒内布桩复合地基-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,混凝土过渡段1和复合筒型基础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和复合筒型基础的筒顶盖5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。
复合筒型基础包括筒壁3、分仓板4和筒顶盖5,筒壁3与筒顶 盖5围合成一个上端封闭、下端开口的筒型空腔,分仓板4设置在筒 型空腔内,将筒型空腔沿轴线分割成多个分仓腔;每个分仓腔内均均 布有筒内桩7。
分仓板4和筒壁3采用坡口焊缝或浇筑形式连接,筒壁3内侧和 分仓板4单侧均等距布置加劲肋6,以防止钢板屈曲,布置间距为 0.5m~1.0m,加劲肋6长度与筒壁3高度一致。筒壁3、分仓板4、筒 顶盖5和加劲肋6均为薄壁件,分仓腔可采用正六边形。
本实施例中,筒内桩7采用双轴或多轴水泥搅拌桩型,或采用挤 密砂桩。筒内桩7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,筒内桩7的桩顶与筒顶保留0~1.0m的距离,桩间 距大于桩径布置;筒内桩7与筒壁3和分仓板4的间距为0.2m~2.0m。
一种筒内布桩复合地基-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,并将混凝土过渡段1、混凝土圆形底板2、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8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3与分仓板4预留下沉通道,相邻桩位距离筒壁3和分仓板4 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、搅拌钻杆9贯入至筒内桩7底标高,由送料仓11送达钻头喷 浆口喷出,搅拌翼10转动搅拌,同时搅拌钻杆9向上提升,循环数 次完成成桩工艺;
d、待筒内桩达到强度,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。
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,筒内桩7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3内侧一圈筒内桩7,形成一圈围桩, 再在筒内桩7间进行定点成桩,安装相应的筒内桩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 水泥桩(筒内桩)的强度。
筒内桩7的成桩和养护时期,同时在陆上制作组装复合筒型基础, 桩强度达到要求后,将复合筒型基础运输至指定机位,通过GPS定位, 调整复合筒型基础方向,使筒壁和分仓板4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 础下沉至筒顶盖5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 (9)
1.一种筒内布桩复合地基-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均布有筒内桩。
2.根据权利要求1所述的筒内布桩复合地基-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所述的筒内布桩复合地基-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所述的筒内布桩复合地基-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所述的筒内布桩复合地基-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所述的筒内布桩复合地基-筒海上风电基础,其特征在于:所述筒内桩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所述的筒内布桩复合地基-筒海上风电基础,其特征在于:所述筒内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所述的筒内布桩复合地基-筒海上风电基础,其特征在于:所述筒内桩的桩顶与筒顶保留0~1.0m的距离,桩间距大于桩径布置;所述筒内桩与筒壁和分仓板的间距为0.2m~2.0m。
9.一种筒内布桩复合地基-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、搅拌钻杆贯入至筒内桩底标高,由送料仓送达钻头喷浆口喷出,搅拌翼转动搅拌,同时搅拌钻杆向上提升,循环数次完成成桩工艺;
d、待筒内桩达到强度,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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