CN110984212A - 海上风机组合式单桩基础及施工方法 - Google Patents
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Abstract
一种海上风机组合式单桩基础及施工方法，包括桩身、桩翼和重力盘，桩翼位于桩身锚固段上部外壁，重力盘位于桩身的周围土体与海水的交界面，重力盘为刚性结构，重力盘与桩身固定连接或自由连接。本发明组合式单桩基础施工方法包括如下步骤：S1确定桩身、桩翼和重力盘参数；S2利用沉桩设备将桩身打到设计锚固深度；S3将重力盘吊置于桩身附近泥水交界面。本发明重力盘可以强化桩周土体，减小桩翼尺寸，改善桩翼受力，单桩、桩翼和重力盘的协同作用可以充分调动桩周土体的被动土压力和抗剪力，提高桩基的水平承载力，降低桩身的旋转和侧向位移，减小桩身弯矩，进而可适当减小桩身直径和桩身长度，降低工程成本，加快施工进度。
Description
技术领域
本发明属于海上风电技术领域，涉及一种海上风机组合式单桩基础及施工方法。
背景技术
海上风电作为一种清洁能源，具有风速高、风速稳定、单机容量大等特点，正在处于高速发展期。由于近岸地质条件复杂，海上风电的施工技术难度大，施工成本高，据统计，海上风电场成本中海上风机基础成本占总成本的15%～25%。目前，海上风机基础的基本型式按离岸距离可分为重力式、单桩式、吸力筒式、三桩式、导管架式和漂浮式。单桩基础可以适应不同的地质条件，且具有施工速度快工程成本低等优点，得到广泛的使用，在已建海上风电场中，单桩基础所占的比例超过70%。
在海上风电机组运行期间，单桩基础所需承受的水平荷载包括风荷载、波浪荷载、海流荷载和海冰荷载等，需要承受的垂直荷载包括风机机组的荷载和桩体自身的荷载，在多种循环荷载的作用下，单桩基础会产生较大的横向位移和旋转。中国部分海域的地质条件非常复杂，覆盖层土体通常由淤泥、淤泥质黏土、粉细砂、粉砂等组成，由于覆盖层厚薄差异较大，覆盖层下方基岩面起伏较大。随着风机机组对地基承载力要求的增加，桩身直径需要相应增大，经常需要进行嵌岩桩施工，同时花岗岩地区风化的孤石较为普遍，且探测难度大，孤石易导致钢管桩的卷边、卡孔和塌孔等，施工风险较大，施工进度较慢，若勘察时把孤石误判为完整的基岩，桩端位于孤石中，则会对风机的稳定性造成影响。此外，相较单桩提供的水平承载能力，单桩提供竖向承载力的能力更强。基于此，迫切需要提出一种新型海上风机单桩基础，使之可以适用于深水浅覆盖层，存在孤石的海域，通过桩基新型式使得桩身无需深入基岩中，便能满足风机机组的承载力的需求，减小施工风险，提高施工速度，降低施工成本，保证风机的安全稳定运行。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种海上风机组合式单桩基础，桩翼固定于桩身锚固段上部外壁，重力盘位于桩身的周围土体与海水的交界面，桩身、桩翼与重力盘为固定连接或自由连接，重力盘为刚性结构，重力盘可以强化桩周土体，提高桩体自身的承载能力，桩翼和重力盘充分调动桩周土体的被动土压力和抗剪力，提高桩基的水平承载力，降低桩身的旋转和侧向位移，减小桩身弯矩，保证风机机组安全稳定运行，在满足风机机组承载力的情况下，通过优化桩翼和重力盘结构型式、结构参数，可以适当减小桩身直径和桩身长度，使其可适用于深水浅覆盖层海域，降低工程成本，加快施工进度。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种海上风机组合式单桩基础，它包括桩身、桩翼和重力盘；所述桩翼位于桩身锚固段上部外壁，所述重力盘环绕于桩身，置于桩身土体与海水的交界面，桩身、桩翼顶端与重力盘为固定连接或自由连接；所述重力盘的结构形式为刚性结构。
所述桩身为大直径钢管，所述桩翼为钢板。
所述的桩翼以桩身为中心向四周呈放射性对称均匀布置，可充分调到桩周土体抗力，提高组合式单桩基础水平承载能力。
所述桩翼的个数为偶数，且不小于四个，数量为偶数的桩翼对称布设，桩身和翼板受力均衡。
所述桩翼为梯形结构，底边为斜边，其法线方向与桩身轴向垂直或形成夹角，以减小桩翼对桩身沉桩过程的影响。
所述重力盘为钢板、混凝土或钢筋混凝土中的一种，重力盘的结构型式、材料和尺寸与桩基地质条件、外部荷载大小和施工方式有关，可采用水下浇筑技术施工，以使重力盘、桩翼和桩身形成固定连接。
所述海上风机组合式单桩基础的施工方法，包括以下几个步骤：
S1： 根据海上风机组合式单桩基础垂直和水平承载力需求，波浪、海流、地基土体性质等水文地质信息，通过理论分析、数值计算和室内试验，确定桩身的直径和长度、桩翼和重力盘尺寸并完成预制；
S2：利用现有的大直径单桩沉桩设备进行单桩施工，在施工过程中将桩翼固定于桩身指定位置，继续施工，将带桩翼的单桩打到设计的锚固深度；
S3：首先对桩身土体与海水的交界面地基土体进行整平、除淤，然后将预制的重力盘穿过桩身吊放于土体与海水的交界面，桩身、桩翼顶端与重力盘形成自由连接。
所述步骤S1还包括，在工厂内将桩翼固定于桩身，采用改装的沉桩设备进行施工，一次性将带桩翼的单桩打到设计的锚固深度。
所述步骤S3还包括，采用水下自流可控灌浆技术，填充桩身与重力盘的间隙，在桩身与重力盘之间形成固定连接。
所述步骤S3还包括，采用水下自流可控灌浆技术在桩身土体与海水的交界面地基土体上部直接浇筑形成重力盘，桩身、翼板顶端与重力盘形成固定连接。
本发明有如下有益效果：
根据本发明实施例的海上风机组合式单桩基础，通过在桩身土体与海水交界面加设重力盘，强化桩周土体，不仅能提高桩身的自身承载力，还能充分调动重力盘与土体间的抗剪力和被动土压力，提高桩基的水平承载力；桩翼焊接于桩身锚固段上部外壁，降低桩翼对沉桩过程的影响，同时桩翼还能充分利用重力盘强化后的桩周土体被动土压力，进一步降低桩基水平位移和旋转位移，提高桩基的水平承载力和抗扭转能力；重力盘与带桩翼的桩身是两个相对独立的桩基结构，在沉桩完成后进行重力盘施工，因此组合式单桩基础可采用已有沉桩工艺和沉桩设备，且重力盘对沉桩过程无任何影响。当重力盘与桩身和桩翼采用固定连接时，重力盘还能承担桩基的竖向荷载。
本发明实施例的海上风机组合式单桩基础与普通单桩基础提供相同承载力时，通过加设桩翼和重力盘，可以适当减小桩径和桩身锚固长度，因此组合式单桩基础可适用于深水浅覆盖层，存在孤石的海域，避免嵌岩桩施工，具有降低工程成本，规避施工风险，加快施工进度等优点。与常规翼板单桩基础相比，本发明的海上风机组合式单桩基础，通过加设重力盘，一方面可以减小翼板的长度和宽度，最大限度地降低翼板对沉桩过程的影响，另一方面重力盘可以改善翼板受力模式，减小翼板的弯曲变形，降低翼板与桩身连接处的应力集中和疲劳荷载，延长翼板的使用寿命。此外，重力盘位于桩身土体与海水的交界面，可以降低波浪、海洋对单桩周围地基土体的冲刷。
本发明海上风机组合式单桩基础的施工方法，桩身施工既可以采用已有的沉桩设备，也可以采用改装的沉桩设备，采用改装的沉桩设备可以加快带翼板单桩的施工速度；重力盘的制作、安装方式取决于现场施工条件，可以先在工厂内完成预制，也可以采用水下自流可控灌浆技术现场浇筑形成；桩身与重力盘的连接方式可以采用固定连接，也可以采用活动连接，不同的连接方式对应不同的受力机制。本发明所提出的海上风机组合式单桩基础施工方法具有灵活多样性，根据现场施工条件，可以优化施工工序。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1的A-A处剖视示意图。
图中：桩身1，桩翼2，重力盘3。
具体实施方式
如图1-图2中，一种海上风机组合式单桩基础，它包括桩身1、桩翼2和重力盘3；所述桩翼2位于桩身1锚固段上部外壁，所述重力3盘环绕于桩身1，置于桩身土体与海水的交界面，重力盘3与桩身1为固定连接或自由连接；所述重力盘3的结构形式为刚性结构。
本发明实施例的海上风机组合式单桩基础，通过在桩身1土体与海水交界面加设重力盘3，强化桩周土体，不仅能提高桩身的自身承载力，还能充分调动重力盘3与土体间的抗剪力和被动土压力，提高桩基的水平承载力，桩翼2焊接于桩身1锚固段上部外壁，降低桩翼2对沉桩过程的影响；充分调动桩周土体的被动土压力，降低桩基水平位移和旋转位移，提高桩基的水平承载力和抗扭转能力，当重力盘3与桩身1和桩翼2采用固定连接时，重力盘3还能承担桩基的竖向荷载。
本发明实施例的海上风机组合式单桩基础与普通单桩基础提供相同承载力时，通过加设桩翼和重力盘，可以适当减小桩径和桩身锚固长度，因此组合式单桩基础可适用于深水浅覆盖层，存在孤石的海域，避免嵌岩桩施工，具有降低工程成本，规避施工风险，加快施工进度等优点。与常规翼板单桩基础相比，本发明的海上风机组合式单桩基础，通过加设重力盘，一方面可以减小翼板的长度和宽度，最大限度地降低翼板对沉桩过程的影响，另一方面重力盘可以改善翼板受力模式，减小翼板的弯曲变形，降低翼板与桩身连接处的应力集中和疲劳荷载，延长翼板的使用寿命。此外，重力盘位于桩身土体与海水的交界面，可以降低波浪、海洋对单桩周围地基土体的冲刷。
优选地，多个桩翼2以桩身为中心向四周呈放射性对称均匀布置，以充分调到桩周土体抗力，提高组合式单桩基础水平承载能力。
优选地，桩翼2的个数为偶数，且不小于四个，数量为偶数的桩翼2对称布设，组合式单桩基础结构受力更加均衡。
优选地，桩翼2为梯形结构，底边为斜边，其法线方向与桩身轴向垂直或形成夹角。桩翼2呈梯形，桩翼2的底边为斜边或形成夹角，减小桩翼2对桩身沉桩过程的影响。
优选地，重力盘3为钢板、混凝土或钢筋混凝土中的一种，重力盘3的结构型式、材料和尺寸与桩基地质条件、外部荷载大小和施工方式有关，可采用水下浇筑技术施工，以使重力盘、桩翼和桩身形成固定连接。
重力盘3采用灌注水泥浆等方式与桩身1和桩翼2固定连接时，桩身1、桩翼2和重力盘3形成整体结构，重力盘3可分担桩基承受的竖向荷载、水平荷载和扭转荷载，重力盘3与桩身1和桩翼2为自由接触连接时，重力盘3与带桩翼2的桩身1为两个相对独立的桩基结构，重力盘3可提高桩基的水平承载力和抗转动能力，降低单桩侧向位移和扭转位移，减小桩身弯矩，此时重力盘3不能承担桩基竖向荷载，带桩翼2的桩身1可以上下移动。
在本发明的另一方面，提出了一种海上风机组合式单桩基础的施工方法，根据本发明的实施例，该施工方法主要包括以下步骤：
S1： 根据海上风机组合式单桩基础垂直和水平承载力需求，波浪、海流、地基土体性质等水文地质信息，通过理论分析、数值计算和室内试验，确定桩身1的直径和长度、桩翼2和重力盘3尺寸并完成预制；
S2：利用现有的大直径单桩沉桩设备进行单桩施工，在施工过程中将桩翼2固定于桩身1指定位置，继续施工，将带桩翼2的单桩打到设计的锚固深度；
S3：首先对桩身1土体与海水的交界面地基土体进行整平、除淤，然后将预制的重力盘3穿过桩身1吊放于土体与海水的交界面，桩身1、翼板2顶端与重力盘3形成自由连接。
优选地，所述步骤S1还包括在工厂内将桩翼固定于桩身1，采用改装的沉桩设备进行施工，将带桩翼2的单桩打到设计的锚固深度。
优选地，所述步骤S3还包括采用水下自流可控灌浆技术，填充桩身1与重力盘3的间隙，将桩身1与重力盘3形成固定连接。
优选地，所述步骤S3还包括采用水下自流可控灌浆技术在桩身1土体与海水的交界面地基土体上部直接浇筑形成重力盘3，桩身1、翼板2顶端与重力盘3形成固定连接。
实施例1
如图1-2所示，海上风电组合式单桩基础100，桩身1为大直径钢管桩，桩身直径8m，长度85m，壁厚70mm，4块桩翼2对称均匀焊接于桩身1的锚固段上部，桩翼2的最大边长8m，宽度3m，厚度70mm，重力盘3采用水下浇筑形成，外半径8m，厚4m。
具体施工步骤如下所示：
S1： 根据海上风机组合式单桩基础垂直和水平承载力需求，波浪、海流、地基土体性质等水文地质信息，通过理论分析、数值计算和室内试验，确定桩身1的直径8m、长度85m，桩翼2的最大边长为8m、宽3m，重力盘3外半径8m，厚4m，桩身1和翼板2均在工厂内预制，且4块桩翼2对称均匀焊接于桩身1的锚固段上部；
S2：利用改装的大直径单桩沉桩设备将带桩翼2的单桩打到设计的锚固深度；
S3：采用水下自流可控灌浆技术在桩身1土体与海水的交界面地基土体上部直接浇筑形成重力盘3，桩身1、翼板2顶端与重力盘3形成固定连接。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种海上风机组合式单桩基础，其特征是：它包括桩身（1）、桩翼（2）和重力盘（3）；所述桩翼（2）位于桩身（1）锚固段上部外壁，重力盘（3）环绕于桩身（1），置于桩身（1）土体与海水的交界面，所述桩身（1）、桩翼（2）顶端与重力盘（3）为固定连接或自由连接；所述重力盘（3）的结构形式为刚性结构。
2.根据权利要求1所述的海上风机组合式单桩基础，其特征是：所述桩身（1）为大直径钢管，所述桩翼（2）为钢板。
3.根据权利要求1所述的海上风机组合式单桩基础，其特征是：多个所述的桩翼（2）以桩身（1）为中心向四周呈放射性对称均匀布置。
4.根据权利要求3所述的海上风机组合式单桩基础，其特征是：所述桩翼（2）的个数为偶数，且不小于四个。
5.根据权利要求1所述的海上风机组合式单桩基础，其特征是：所述桩翼（2）为梯形结构，底边为斜边，其法线方向与桩身轴向垂直或形成夹角。
6.根据权利要求1所述的海上风机组合式单桩基础，其特征是：所述重力盘（3）为钢板、混凝土或钢筋混凝土中的一种。
7.权利要求1-6任意一项所述海上风机组合式单桩基础的施工方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
S1： 根据海上风机组合式单桩基础垂直和水平承载力需求，波浪、海流、地基土体性质等水文地质信息，通过理论分析、数值计算和室内试验，确定桩身（1）的直径和长度、桩翼（2）和重力盘（3）尺寸并完成预制；
S2：利用现有的大直径单桩沉桩设备进行单桩施工，在施工过程中将桩翼（2）固定于桩身（1）指定位置，继续施工，将带桩翼（2）的单桩打到设计的锚固深度；
S3：首先对桩身（1）土体与海水的交界面地基土体进行整平、除淤，然后将预制的重力盘（3）穿过桩身（1）吊放于土体与海水的交界面，桩身（1）、桩翼（2）顶端与重力盘（3）形成自由连接。
8.根据权利要求7所述的海上风机组合式单桩基础的施工方法，其特征在于：所述步骤S1还包括，在工厂内将桩翼（2）固定于桩身（1），采用改装的沉桩设备进行施工，将带桩翼（2）的单桩打到设计的锚固深度。
9.根据权利要求7所述的海上风机组合式单桩基础的施工方法，其特征在于：所述步骤S3还包括，采用水下自流可控灌浆技术，填充桩身（1）与重力盘（3）的间隙，将桩身（1）与重力盘（3）形成固定连接。
10.根据权利要求7所述的海上风机组合式单桩基础的施工方法，其特征在于：所述步骤S3还包括，采用水下自流可控灌浆技术在桩身（1）土体与海水的交界面地基土体上部直接浇筑形成重力盘（3），桩身（1）、桩翼（2）顶端与重力盘（3）形成固定连接。
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