CN110984213A - 一种海上风电单桩-摩擦锥复合基础及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海上风电单桩‑摩擦锥复合基础及其施工方法，海上风电单桩‑摩擦锥复合基础包括单桩和摩擦锥，所述摩擦锥内部为堆石体，外部为胶结堆石体外壳，所述胶结堆石体外壳是灌浆胶结摩擦锥外部堆石体得到。所述海上风电单桩‑摩擦锥复合基础施工方法包括如下步骤：S1：利用沉桩设备进行单桩施工，S2：将“分级碎石”料堆积于单桩周围海床形成摩擦锥，S3：将灌浆装置放于摩擦锥外部堆石体表面，S4：通过灌浆装置输送水下自护型胶凝材料，胶凝材料填充于摩擦锥外围堆石体空隙，形成胶结堆石体。本发明的海上风电单桩‑摩擦锥复合基础具有水平承载力高，桩身水平位移小、变形和弯矩小等优点，具备施工简单，地质条件适应强等特点。
Description
技术领域
本发明涉及海上风电技术领域，尤其涉及一种海上风电单桩-摩擦锥复合基础及其施工方法。
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。海上风电产业正处于高速发展期。由于海域地质条件复杂，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，得到了广泛的使用，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，在多种循环水平荷载的作用下，单桩基础会产生较大的横向位移和旋转。我国部分海域的地质条件十分复杂，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明显。随着风机机组容量的提高、离岸距离的增加，通过需要增加桩径和桩长来满足机组对地基承载力的要求。同时，对于深水浅覆盖层具有孤石的海域，需要进行嵌岩桩基础施工，孤石探测难度大，且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，则桩端会位于孤石中，对风机的稳定性造成显著影响。
基于此，迫切需要提出一种新型海上风机单桩基础型式，使之可以适用于深水浅覆盖层、存在孤石的海域，新型的基础型式使桩基无需深入到基岩中，便能提供足够的承载力，满足风机机组对高水平承载力和小位移的需求，新型的基础型式降低施工风险，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
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提出一种海上风电单桩-摩擦锥复合基础及其施工方法，通过在单桩附近海床上设置摩擦锥，强化桩周土体，提高桩周土体的承载力；通过单桩与摩擦锥、摩擦锥与桩基土体的相互作用，提高复合基础的水平承载力，降低复合基础在泥面的水平位移，桩身的变形和弯矩；摩擦锥由内部堆石体，胶结堆石体外壳构成，整体为半刚性透水结构，既能适应地基沉降变形，又能为地基土体在重力作用下的固结排水提供排水通道。
为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种海上风电单桩-摩擦锥复合基础，其特征其在于，它包括：
单桩，所述单桩采用大直径钢管桩；
摩擦锥，所述摩擦锥内部为堆石体，所述摩擦锥外部为胶结堆石体外壳，所述胶结堆石体外壳是采用灌浆方法胶结摩擦锥表面堆石体得到，所述单桩位于摩擦锥中心区域；
所述堆石体采用分级碎石材料堆积而成；灌浆所采用的材料为水下自护型胶凝材料。
所述胶结堆石体外壳是水下自护型胶凝材料在自重作用下填充于摩擦锥外围堆石体空隙，并通过胶凝材料固化粘结堆石体得到；所述分级碎石材料是宽级配区间的堆石料，所述分级碎石材料满足地基变形和水下自护型胶凝材料灌浆胶结的需求，所述水下自护型胶凝材料是适用于海水环境的水泥基胶凝材料。
所述水下自护型胶凝材料采用水下自护型自密实水泥净浆、水下自护型自密实水泥砂浆或水下自护型自密实混凝土。
所述胶结堆石体外壳的结构类型为透水混凝土结构、堆石混凝土结构或钢筋堆石混凝土结构的一种或多种组合结构。
所述分级碎石材料为常规堆石料、尾矿堆石料和废弃矿渣、预制混凝土块、废弃混凝土块的一种或多种。
所述堆石体的底部采用水下自护型胶凝材料胶结成高孔隙率的胶结堆石体或在堆石体底部铺设刚性透水、透淤泥框架。
所述海上风电单桩-摩擦锥复合基础的施工方法，包括以下几个步骤：
S1：利用现有的大直径单桩沉桩设备进行单桩施工；
S2：根据波浪、海流对基础冲刷范围确定摩擦锥下部堆积范围，在施工船上采用管道输送或抛石方式将分级碎石材料堆积于单桩周围海床上，自然堆积成摩擦锥；
S3：先将灌浆装置放于摩擦锥外部表面，然后将灌浆装置上的灌浆管与施工船上的灌浆机连接；
S4：灌浆机将均匀搅拌的水下自护型胶凝材料通过灌浆管输送到摩擦锥堆石体表面，胶凝材料在自重作用下填充摩擦锥外围堆石体空隙，空隙内的胶凝材料固化后将摩擦锥外围堆石体黏结成胶结堆石体；
S5：完成灌浆后，将灌浆装置提起并用海水冲刷管道，最后放于施工船指定甲板。
8、根据权利要求7所述的海上风电单桩-摩擦锥复合基础的施工方法，其特征在于：所述的步骤S2还包括，根据波浪、海流对基础冲刷范围确定摩擦锥下部堆积范围，在施工船上采用管道输送或抛石方式先将部分分级碎石材料堆积于单桩周围海床上形成初始堆石体摩擦锥，然后将绑扎的钢筋框架放于摩擦锥表面，最后再向钢筋框架内部填充分级碎石材料，形成完整的摩擦锥。
所述的步骤S2中灌浆形成的胶结堆石体结构为钢筋堆石混凝土结构。
摩擦锥外部胶结堆石体的结构类型及其厚度取决于水下自护型胶凝材料的流动性能和分级碎石料的粒径区间，采用高流动性的水下自护型胶凝材料，形成就具有高透水性的胶结堆石体结构。
本发明有如下有益效果：
根据本发明实施例的海上风电单桩-摩擦锥复合基础，环绕单桩设置的摩擦锥强化了地基土体，提高了地基土体自身的承载能力，进而提高了单桩自身的承载力；单桩与摩擦锥通过摩擦连接方式连接，当单桩受到的水平承载力或垂直承载力较大时，单桩与摩擦锥会产生相对位移，摩擦锥通过摩擦作用提供水平抗力，进而提高复合基础整体的水平承载力；摩擦锥由内部堆石体和胶结堆石体外壳构成，内部的堆石体能适应地基土体的变形，同时为地基土体的固结排水提供排水通道，外部的胶结堆石体外壳可保证摩擦锥整体受力，有效提高摩擦锥可提供的最大水平抗力，提高复合基础的整体水平承载力，降低复合基础的倾斜变形，降低桩身变形和弯矩，同时外部的胶结堆石体外壳还能阻止波浪和海流对地基土体的冲刷，提高复合基础的稳定性。由于本发明实施例的海上风电单桩-摩擦锥复合基础显著提高了复合基础的水平承载力，因此可适用于深水浅覆盖层且具有孤石的海域，加快海上风电场建设。
海上风电单桩-摩擦锥复合基础的施工方法，先将分级碎石材料堆积成锥体结构，形成堆石体摩擦锥，然后通过灌浆把摩擦锥外部的堆石体粘结成胶结堆石体外壳，这种施工方式在堆石料堆积前无需对单桩附近海床进行除淤、整平，堆积后仅通过控制水下自护型胶凝材料流动性能参数便能调节胶结堆石体外壳的结构类型及其厚度，施工工艺简单，可进行平行作业，施工速度快。本发明实施例海上风电单桩-摩擦锥复合基础的施工方法步骤S2-S3还可应用于已有的海上风电单桩基础的冲刷加固。
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是根据本发明的整体结构示意图。
图2是根据本发明基础三维结构示意图。
图3是根据本发明施工方法示意图。
图中：单桩1、摩擦锥2、水下自护型胶凝材料3、分级碎石料4、灌浆装置5、注浆机6；
堆石体21、胶结堆石体外壳22。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。
参考图1和图2，海上风电单桩-摩擦锥复合基础，包括单桩1和摩擦锥2，所述单桩1为大直径钢管桩，所述摩擦锥2由内部堆石体21和外部胶结堆石体22外壳构成，所述胶结堆石体22外壳是水下保护型胶凝材料3填充摩擦锥2外部堆石体空隙后硬化固结得到，所述堆石体采用分级碎石料4堆积于单桩1附近海床得到，所述分级碎石的粒径区间和碎石平均粒径按摩擦锥从上到下逐渐减小。
可以理解的是，水下自护型胶凝材料仅将摩擦锥外部一定厚度的堆石体硬化固结成胶结堆石体外壳，摩擦锥内部的堆石体仍是散粒体堆积而成的柔性结构体，摩擦锥外部被胶凝材料胶结而成的胶结堆石体外壳是刚性结构体，因此，摩擦锥可视为半刚性重力结构体或半柔性重力结构体。摩擦锥内部的堆石体可以适应复合基础的地基土体变形，同时堆石体具有高孔隙率，一方面可以为地基土体的固结排水提供排水通道，加速地基土体固结过程，提高地基土体的承载力，另一方面下部堆石体高空隙结构可满足地基淤泥在孔隙中的流动，因此复合基础适用于上部存在淤泥的海床。摩擦锥外部的胶结堆石体外壳一定程度上约束内部堆石体的运动，保证荷载作用下摩擦锥的整体受力，同时可以充分调动摩擦锥提供的水平抗力，进而提高复合基础的水平承载力，降低复合基础水平位移、桩身变形和弯矩。位于摩擦锥中部的单桩与摩擦锥内部堆石体通过摩擦方式形成接触连接，有利于水平荷载在单桩与摩擦锥之间的传递，提高复合基础整体水平承载力。灌浆胶结形成的摩擦锥胶结堆石体外壳可以避免波浪、海流对复合基础地基土体的冲刷，提高复合基础的稳定性。
具体的，水下自护型胶凝材料为适用于海水环境的水泥基胶凝材料，可以为水下自护型自密实水泥净浆、水下自护型自密实水泥砂浆、水下自护型自密实混凝土中的一种。
可以理解的是，适用于海水环境的水泥基胶凝材料是指水泥基胶凝材料在海水环境中不会发生分散，且能保持原始的流变性能和胶结性能，因此水下自护型胶凝材料能在自重作用下填充摩擦锥外部堆石体的空隙。同时，可根据相应的流变性能参数将摩擦锥外部堆石体固化粘结成胶结堆石体外壳。胶结堆石体外壳的力学性能参数由胶凝材料自身的流变性能参数和力学性能参数控制。试验发现，海水环境下胶结堆石体的强度略低于陆上胶结堆石体。
具体的，摩擦锥由内部堆石体和外部胶结堆石体外壳构成，所述胶结堆石体的结构类型为透水混凝土结构、堆石混凝土结构或钢筋堆石混凝土结构的一种或多种组合结构。
可以理解的是，改变堆石体所用的分级碎石材料和水下自护型胶凝材料的类型，可以控制胶结堆石体的结构类型。高性能水下自护型胶凝材料浇筑大粒径的分级碎石材料形成的胶结堆石体可保持堆石体浇筑前的空隙结构，此时胶结堆石体内部的孔隙仍是连通的，因此形成的结构类型类似于透水混凝土结构；若水下自护型胶凝材料完全填充摩擦锥外部堆石体空隙空间，形成的胶结堆石体为高强致密结构，不具有透水性，形成的结构类型类似混凝土结构或堆石混凝土结构；若摩擦锥外部布设有钢筋框架复合结构，且水下自护型胶凝材料完全填充钢筋框架内部堆石体空隙空间，形成的结构类型为钢筋堆石混凝土结构。此外，根据现场施工需要，胶结堆石体外壳也可以由两种或三种结构类型组合构成。
具体的，分级碎石材料为常规堆石料、尾矿堆石料和废弃矿渣中的一种或多种，尾矿堆石料和废弃矿渣的使用实现废物再利用。
具体的，摩擦锥底部堆石体还可采用水下自护型胶凝材料胶结成高孔隙率的胶结堆石体或在堆石体底部铺设刚性框架，堆石体底部采用高孔隙率胶结堆石体或刚性框架可使其整体受力，摩擦锥均匀沉降。
实施例2：
在本发明的另一方面，本发明提出了一种海上风电单桩-摩擦锥复合基础的施工方法。根据本发明的实施例，参考图3，该施工方法主要包括以下步骤：
S1：利用现有的大直径单桩沉桩设备进行单桩1施工；
S2：根据波浪、海流对基础冲刷范围确定摩擦锥2下部堆积范围，在施工船上采用管道输送或抛石方式将分级碎石材料4堆积于单桩周围海床上，自然堆积成摩擦锥2；
S3：先将灌浆装置5放于摩擦锥2外部表面，然后将灌浆装置5上的灌浆管与施工船上的灌浆机6连接；
S4：灌浆机6将均匀搅拌的水下自护型胶凝材料3通过灌浆管输送到摩擦锥2堆石体表面，胶凝材料3在自重作用下填充于摩擦锥2外部堆石体空隙，空隙内的胶凝材料固化后将摩擦锥外围堆石体黏结成胶结堆石体22。
S5：完成灌浆后，将灌浆装置5提起并用海水冲刷管道，最后放于施工船甲板。
需要说明的是，海水风电单桩-摩擦锥复合基础一般先进行单桩沉桩施工，然后进分级碎石材料堆积施工，分级碎石堆积过程不会影响沉桩过程，单桩和锥形锥的施工可进行平行作业；分级碎石材料可以适应不同的地形条件，因此无需像混凝土等刚性重力式基础一样，施工前需要对海床进行除淤、整平；分级碎石材料可采用现有的海水风电单桩基础防冲刷垫层施工工艺进行施工。
在本发明的一些实施例中，步骤S2还可以包括：根据波浪、海流对基础冲刷范围确定摩擦锥堆积下部范围，在施工船上采用管道输送或抛石方式先将部分堆石料堆积于单桩周围海床上形成初始摩擦锥，然后将绑扎的钢筋框架放于摩擦锥表面，最后再向钢筋框架内部填充堆石料，形成完整的摩擦锥。
具体的，若摩擦锥表面布设有钢筋框架时，灌浆形成的胶结堆石体结构为堆石钢筋混凝土结构，钢筋堆石混凝土结构有利于提高胶结堆石体的抗拉性能。
具体的，摩擦锥外壁胶结堆石体的结构类型及其厚度取决于水下自护型胶凝材料的流动性能和分级碎石料的粒径区间，采用高流动性的水下自护型胶凝材料，可形成就具有高透水性的胶结堆石体结构。
此外，发明人经过研究发现，先进行单桩沉桩施工，后进行堆石料堆积施工，堆石过程不会影响沉桩过程，单桩和锥形锥的施工可进行平行作业；堆石体采用“分级碎石”料在单桩附近海床上堆积，“分级碎石”材料可以适应不同的地形条件，因此无需像混凝土等刚性重力式基础一样，施工前需要对海床进行除淤、整平。对于特殊的地质条件，还可以先进行外围堆石体施工，通过堆石体的重力提高单桩周围地基土体力学性能，提高地基土体的承载能力，然后进行单桩施工，最后采用“分级碎石”填充初始堆石体与单桩周围的空间，形成完整的堆石锥，然后再进行灌浆，形成胶结堆石体外壳。
Claims (10)
1.一种海上风电单桩-摩擦锥复合基础，其特征其在于，它包括：
单桩（1），所述单桩（1）采用大直径钢管桩；
摩擦锥（2），所述摩擦锥（2）内部为堆石体（21），所述摩擦锥（2）外部为胶结堆石体外壳（22），所述胶结堆石体外壳（22）是采用灌浆方法胶结摩擦锥表面堆石体得到，所述单桩（1）位于摩擦锥中心区域；
所述堆石体（21）采用分级碎石材料堆积而成；灌浆所采用的材料为水下自护型胶凝材料（3）。
2.根据权利要求1所述的一种海上风电单桩-摩擦锥复合基础，其特征在于：所述胶结堆石体外壳（22）是水下自护型胶凝材料（3）在自重作用下填充于摩擦锥外围堆石体空隙，并通过胶凝材料固化粘结堆石体得到；所述分级碎石材料是宽级配区间的堆石料，所述分级碎石材料满足地基变形和水下自护型胶凝材料灌浆胶结的需求，所述水下自护型胶凝材料是适用于海水环境的水泥基胶凝材料。
3.根据权利要求1或2所述的一种海上风电单桩-摩擦锥复合基础，其特征在于：所述水下自护型胶凝材料（3）采用水下自护型自密实水泥净浆、水下自护型自密实水泥砂浆或水下自护型自密实混凝土。
4.根据权利要求1或2所述的一种海上风电单桩-摩擦锥复合基础，其特征在于：所述胶结堆石体外壳（22）的结构类型为透水混凝土结构、堆石混凝土结构或钢筋堆石混凝土结构的一种或多种组合结构。
5.根据权利要求1或2所述的一种海上风电单桩-摩擦1锥复合基础，其特征在于：所述分级碎石材料为常规堆石料、尾矿堆石料和废弃矿渣、预制混凝土块、废弃混凝土块的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的一种海上风电单桩-摩擦锥复合基础，其特征在于：所述堆石体（21）的底部采用水下自护型胶凝材料（3）胶结成高孔隙率的胶结堆石体或在堆石体底部铺设刚性透水、透淤泥框架。
7.权利要求1-6任意一项所述海上风电单桩-摩擦锥复合基础的施工方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
S1：利用现有的大直径单桩沉桩设备进行单桩（1）施工；
S2：根据波浪、海流对基础冲刷范围确定摩擦锥（2）下部堆积范围，在施工船上采用管道输送或抛石方式将分级碎石材料（4）堆积于单桩（1）周围海床上，自然堆积成摩擦锥（2）；
S3：先将灌浆装置放于摩擦锥（2）外部表面，然后将灌浆装置上的灌浆管与施工船上的灌浆机连接；
S4：灌浆机将均匀搅拌的水下自护型胶凝材料（3）通过灌浆管输送到摩擦锥堆石体表面，胶凝材料在自重作用下填充摩擦锥外围堆石体空隙，空隙内的胶凝材料固化后将摩擦锥外围堆石体黏结成胶结堆石体（21）；
S5：完成灌浆后，将灌浆装置提起并用海水冲刷管道，最后放于施工船指定甲板。
8.根据权利要求7所述的海上风电单桩-摩擦锥复合基础的施工方法，其特征在于：所述的步骤S2还包括，根据波浪、海流对基础冲刷范围确定摩擦锥下部堆积范围，在施工船上采用管道输送或抛石方式先将部分分级碎石材料堆积于单桩周围海床上形成初始堆石体摩擦锥，然后将绑扎的钢筋框架放于摩擦锥表面，最后再向钢筋框架内部填充分级碎石材料，形成完整的摩擦锥。
9.根据权利要求7所述的海上风电单桩-摩擦锥复合基础的施工方法，其特征在于：所述的步骤S2中灌浆形成的胶结堆石体结构为钢筋堆石混凝土结构。
10.根据权利要求7所述的海上风电单桩-摩擦锥复合基础的施工方法，其特征在于：摩擦锥外部胶结堆石体（21）的结构类型及其厚度取决于水下自护型胶凝材料的流动性能和分级碎石料的粒径区间，采用高流动性的水下自护型胶凝材料，形成就具有高透水性的胶结堆石体结构。
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