CN111364496A - 一种导管架打旋桩基础结构及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于基础结构技术领域，公开了一种导管架打旋桩基础结构及其施工方法，包括由主腿和支撑结构连接构成的导管架，每个主腿底部外侧焊接有裙装套筒，导管架通过裙装套筒连接打旋桩；打旋桩包括中心桩、加劲肋板和打旋承载叶片，加劲肋板设置在中心桩顶部，打旋承载叶片根据就位场地土质条件布置在中心桩的不同高度；打旋桩插入裙装套筒后，通过加劲肋板与裙装套筒灌浆连接；导管架底部设置有防沉结构；施工时，先沉放导管架、裙装套筒和防沉结构连接而成的整体结构，将打旋桩通过裙桩套筒插入土体，并采用打桩设备对打旋桩进行打桩；最后灌浆完成打旋桩与导管架的连接。本发明可以达到节约材料，提高承载力，减少施工时间，提高施工效率的目的。
Description
技术领域
本发明属于基础结构技术领域，具体的说，是涉及一种导管架基础及其施工方法。
背景技术
目前，海上风力发电工程中，固定式基础结构通常有桩基础、重力式基础、导管架基础和筒型基础等形式。随着海上风电开发走向深远海，导管架基础优良的承载性能和经济性在深水区域突显出来。海上风电导管架基础结构多采用多桩基础，随着导管架基础应用水深的增加，其所受的荷载量级不断增加，使得导管架多桩基础的桩长和桩重不断增加。过大的桩长和桩重极大增加了海上打桩施工的难度和风险。因此，如何优化桩基础形式，最大可能发挥桩基础承载力并降低施工难度使导管架基础设计中的关键问题。
发明内容
本发明着力于解决提高导管架桩基础承载力和降低施工难度的技术问题，提供一种导管架打旋桩基础结构及其施工方法，可以达到节约材料，提高承载力，减少施工时间，提高施工效率的目的。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：
一种导管架打旋桩基础结构，包括导管架，所述导管架由主腿和支撑结构连接构成，所述导管架的每个主腿底部外侧焊接有裙装套筒，并通过所述裙装套筒连接打旋桩；所述打旋桩包括中心桩、加劲肋板和打旋承载叶片，所述加劲肋板设置在所述中心桩顶部外侧，所述打旋承载叶片根据就位场地土质条件布置在所述中心桩外侧的不同高度；所述打旋桩插入所述裙装套筒后，通过所述加劲肋板与所述裙装套筒灌浆连接；所述导管架底部设置有防沉结构，所述防沉结构包括焊接于所述主腿的防沉板，所述防沉板底部焊接有肋板。
进一步地，所述打旋桩在水平面上按照其中心点连线能够构成一个正多边形进行排布。
进一步地，所述导管架设置有注水孔。
进一步地，基础就位场地存在软弱土层，则基础在位状态下所述中心桩对应于软弱土层所在高程布置至少一组所述打旋承载叶片。
进一步地，基础就位场地存在硬土层，则至少所述中心桩底部布置所述打旋承载叶片。
进一步地，所述打旋承载叶片为倾斜状，围绕中心桩轴线均匀布置且倾斜方向一致，其倾斜角度为30～150°。
进一步地，所述打旋承载叶片为螺旋状，围绕中心桩轴线均匀布置且旋转方向一致，其螺旋角度18～360°。
进一步地，所述防沉板开设有透水孔。
一种上述导管架打旋桩基础结构的施工方法，按照如下步骤进行：
(1)完成导管架、打旋桩、裙桩套筒和防沉结构的预制，并完成所述导管架与所述裙桩套筒和所述防沉结构的连接；
(2)将所述导管架、所述裙装套筒和所述防沉结构构成的整体结构运输至安装地点；
(3)定位后，将所述导管架、所述裙装套筒和所述防沉结构构成的整体结构起吊并下放，直至所述防沉结构的肋板完全进入土体；
(4)将所述打旋桩通过所述裙桩套筒插入土体，采用打桩设备对所述打旋桩进行打桩，打桩过程中所述打旋桩在所述打旋承载叶片与土体的相互作用下自动向下旋转入土，直至所述加强肋板完全进入所述裙桩套管；
(5)利用灌浆料在所述裙桩套管内进行灌浆，完成所述打旋桩与所述导管架的连接。
进一步地，步骤(3)的下沉过程中通过所述注水孔向所述导管架注水，实现整体结构的下沉和调平。
本发明的有益效果是：
本发明的导管架打旋桩基础结构及其施工方法，利用打旋桩代替传统单桩，打旋桩可选用通用打桩设备进行打桩施工，打旋桩在打旋承载叶片与土体的相互作用下很容易进入地面，到位后中心桩有效载荷面积远大于等直径单桩截面积，因此具有较大的抗拔承载能力；在抗拔承载力显著提高的相同时，打旋桩较传统单桩桩长和桩径都大幅缩短，节省大量钢材。本发明通过打旋桩与裙桩套筒之间灌浆连接，保证打旋桩与导管架的整体性，确保结构荷载的有效传递。本发明采用的箱型防沉结构较传统防沉板具有更强的抗滑承载力，并具备减缓沉放速度的作用，使导管架下沉施工具有更高的安全性和稳定性。
附图说明
图1是实施例1所提供的一种导管架打旋桩基础结构的主视图；
图2是实施例1所提供的一种导管架打旋桩基础结构的俯视图；
图3是实施例1所提供的一种导管架打旋桩基础结构的立体结构图；
图4是倾斜状打旋承载叶片的结构示意图；
图5是螺旋状打旋承载叶片的结构示意图；
图6是实施例1所提供的一种导管架打旋桩基础结构的施工状态图；
图7是实施例2所提供的一种导管架打旋桩基础结构的立体结构图。
上述图中：1、导管架；101、主腿；102、支撑结构；2、打旋桩；201、中心桩；202、加强肋板；203、打旋承载叶片；3、裙装套筒；4、防沉结构；401、防沉板；402、肋板。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
实施例1
如图1至图3所示，本实施例公开了一种用于海上风电的导管架打旋桩基础结构，主要包括导管架1、打旋桩2、裙装套筒3和防沉结构4，多个相同的打旋桩2在水平面上按照其中心点连线能够构成一个正多边形进行排布，每个打旋桩2顶部通过裙装套筒3与导管架1连接，防沉结构4设置在导管架1底部。
导管架1由多个主腿101和若干支撑结构102连接构成，主腿101和支撑结构102均为圆形钢管制成。主腿101和支撑结构102直径在500-3000mm范围内，壁厚在15-100mm范围内；主腿101直径通常大于支撑结构102直径。主腿11的数量与打旋桩2相同，通常为3-6个。通常，主腿101预留有注水孔，用于在下沉过程中人工向导管架11内注水，以减小导管架1本身的浮力；通过控制不同主腿101的注水量，还可以对导管架11进行调平。
打旋桩2包括中心桩201、加劲肋板202和打旋承载叶片203。通常，打旋桩2的中心桩201采用圆形钢管，桩径1-10m，入泥长度10-100m，厚度15-100mm。
加劲肋板202设置在中心桩201顶部外侧，加劲肋板202高度不大于裙装套筒3的高度，中心桩201直径和加劲肋板202宽度之和小于裙装套筒3的内径。加劲肋板202围绕中心桩201的轴线径向均布，数量为2-20个，宽度0.1-10m，厚度5-50mm。加劲肋板202采用钢结构，通过焊接与中心桩201相连。加劲肋板202可以增大与灌浆材料的接触面积，提高打旋桩2与裙装套筒3的连接强度，从而保证打旋桩2与导管架1的整体性，确保结构荷载的有效传递。
本实施例中，打旋承载叶片203布置在中心桩201底部。根据不同基础就位场地土质条件，一层或多层打旋承载叶片203可以布置在中心桩201外侧的不同高度。若基础就位场地存在软弱土层，一般情况下，基础在位状态下中心桩201对应于软弱土层所在位置的高度布置打旋承载叶片203，打旋承载叶片203旋入地基后提供主要的承载力，可使中心桩201长度减小，施工方便。本发明所指的软弱土层包括但不限于处于软塑/流塑状态的黏性土层、处于松散状态的砂土层、未经处理的填土和其他高压缩性土层。若基础就位场地存在难以打桩的强度较大硬土层，一般情况下，中心桩201底部布置打旋承载叶片203，基础就位后中心桩201底部落于硬土层顶部，打旋承载叶片203供主要的承载力，可使中心桩201不用插入硬土层，无需开挖施工，同时中心桩201长度减小，施工方便。本发明所指的硬土层包括但不限于岩石层、粗砾石层、碎石层。打旋承载叶片203的宽度可根据不同土层的土体强度和中心桩受力沿高程变化，土体较弱处宽度较宽，土体较强处宽度较窄。
打旋承载叶片203为钢制结构，可采用倾斜状或螺旋状。如图4所示，倾斜状打旋承载叶片203包括多个，围绕中心桩201轴线均匀布置且倾斜方向一致；倾斜状打旋承载叶片203加工下料简单，加工速度快，制作周期短。优选地，每个倾斜状打旋承载叶片203为平面片体结构，其内侧贴合于中心桩201表面焊接，其外侧平行于内侧与中心桩201的相贯线，保证打旋承载叶片203沿程宽度一致。优选地，倾斜状打旋承载叶片203的数量为2～20个，倾斜角度30～150°，宽度0.1～10m，厚度1～200mm。更为优选地，倾斜状打旋承载叶片203的倾斜角度为45～135°，该范围内的倾斜角度可以更好的形成与土体相互作用模式，保证打旋承载叶片203更有利于剪切土体。如图5所示，螺旋状打旋承载叶片203包括至少一个，围绕中心桩201轴线均匀布置且旋向一致；螺旋状打旋承载叶片203可以有效减少打旋桩2的下沉阻力，减少打旋过程的锤击能量和次数。优选地，螺旋状打旋承载叶片203的数量为1～20个，螺旋角度18～360°，宽度0.1～10m，厚度1～200mm。更为优选地，螺旋状打旋承载叶片203的螺旋角度为45～135°，该范围内的倾斜角度可以更好的形成与土体相互作用模式，保证打旋承载叶片203更有利于剪切土体。
施工时，打旋桩2可使用通用打桩设备进行打桩，打旋桩2在打旋承载叶片203与土体的相互作用下自动向下旋转进入土体，到位后断面面积较大的打旋承载叶片203为打旋桩2提供较大的承载能力。
裙桩套管3为圆形钢管，裙桩套管3的内径大于打旋桩2的最大外径(中心桩201直径和打旋承载叶片203宽度之和)，保证打旋桩2能够顺利插入裙桩套管3。裙桩套管3布置在导管架1的每个主腿101外侧，并通过焊接与主腿101底部相连。打旋桩2插入裙桩套管3后通过加劲肋板202与裙桩套管3灌浆连接，从而使打旋桩2和导管架1连接为整体。灌浆材料填满加劲肋7间的空隙，加劲肋7可以增大打旋桩2与灌浆材料的接触面积，灌浆材料为普通水泥浆、环氧胶泥或高强灌浆料。
结合图6所示，防沉结构4为底部敞开的箱型结构，包括防沉板401和肋板402，防沉板401采用钢板焊接拼装组成，防沉板401厚度15-50mm，肋板402厚度5-30mm。防沉板401通过焊接方式与导管架1的主腿101连接，肋板402焊接在防沉板401底面，形成底部敞开的箱型结构。防沉板401边角处开设有透水孔，透水孔直径5-20mm，透水孔可以使在导管架1调平过程中防沉结构4中的水顺利排出，以保证防沉板401完全接触泥面。
上述导管架打旋桩基础结构的施工方法，具体按照如下步骤进行：
(1)陆上完成导管架1、打旋桩2、裙桩套筒3和防沉结构4的预制，并完成导管架1的主腿101与裙桩套筒3和防沉结构4的连接。
(2)将导管架1、裙装套筒3和防沉结构4构成的整体结构吊装至浮吊或其它驳船上，运输至安装地点，利用锚泊系统实现精准定位。
(3)定位后，利用起重设备将导管架1、裙装套筒3和防沉结构4构成的整体结构起吊并下放，同时通过注水孔向导管架1内注水，实现上述整体结构的下沉。下沉过程中，防沉结构4可起到阻水作用，减缓结构下沉速度，保证导管架1平稳下沉。下沉至防沉结构4接触泥面后，继续通过注水孔向导管架1内注水，通过控制导管架1各个主腿101的注水量以实现导管架1的调平，直至肋板402完全进入泥面。
(4)将打旋桩2通过裙桩套筒3插入泥面，采用通用打桩锤设备进行打桩。打旋桩2插入土层中在打旋承载叶片203与土体的相互作用下旋转，利用打旋承载叶片203的扭力逐渐转入地基中；初始打桩时，钢制的打旋承载叶片203对地基有一定的剪切作用，打桩过程中，打旋承载叶片203随着锤击深度转动，对中心桩201基础周围土体产生一定的扰动作用，使周围土体强度减弱，利用打桩锤锤击作用及打旋承载叶片203的扭力使打旋桩2逐渐转入地基中，直至打旋桩2顶部的加强肋板202完全进入裙桩套管3。
(5)利用灌浆料在裙装套筒3内进行水下灌浆，灌浆材料为普通水泥浆、环氧胶泥或高强灌浆料，使加强肋板202、中心桩201和裙装套筒3紧密连接，从而使打旋桩2和导管架1构成为整体，最终完成施工。
实施例2
如图7所示，实施例2与实施例1的不同仅在于打旋桩2的具体结构存在差异。
根据软弱土层的土质参数，选取几个不同高程在打旋桩2上设置多组打旋承载叶片203。并且根据土层高度和承载力将各组打旋承载叶片203设计为不同的高度和宽度，土层越厚，打旋承载叶片203的高度越高，土层越软弱，螺旋叶片宽度越大，由此可以达到有效加固软弱土体，提高承载力的作用。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种导管架打旋桩基础结构，包括导管架，其特征在于，所述导管架由主腿和支撑结构连接构成，所述导管架的每个主腿底部外侧焊接有裙装套筒，并通过所述裙装套筒连接打旋桩；所述打旋桩包括中心桩、加劲肋板和打旋承载叶片，所述加劲肋板设置在所述中心桩顶部外侧，所述打旋承载叶片根据就位场地土质条件布置在所述中心桩外侧的不同高度；所述打旋桩插入所述裙装套筒后，通过所述加劲肋板与所述裙装套筒灌浆连接；所述导管架底部设置有防沉结构，所述防沉结构包括焊接于所述主腿的防沉板，所述防沉板底部焊接有肋板。
2.根据权利要求1所述的一种导管架打旋桩基础结构，其特征在于，所述打旋桩在水平面上按照其中心点连线能够构成一个正多边形进行排布。
3.根据权利要求1所述的一种导管架打旋桩基础结构，其特征在于，所述导管架设置有注水孔。
4.根据权利要求1所述的一种导管架打旋桩基础结构，其特征在于，基础就位场地存在软弱土层，则基础在位状态下所述中心桩对应于软弱土层所在高程布置至少一组所述打旋承载叶片。
5.根据权利要求1所述的一种导管架打旋桩基础结构，其特征在于，基础就位场地存在硬土层，则至少所述中心桩底部布置所述打旋承载叶片。
6.根据权利要求1所述的一种导管架打旋桩基础结构，其特征在于，所述打旋承载叶片为倾斜状，围绕中心桩轴线均匀布置且倾斜方向一致，其倾斜角度为30～150°。
7.根据权利要求1所述的一种导管架打旋桩基础结构，其特征在于，所述打旋承载叶片为螺旋状，围绕中心桩轴线均匀布置且旋转方向一致，其螺旋角度18～360°。
8.根据权利要求1所述的一种导管架打旋桩基础结构，其特征在于，所述防沉板开设有透水孔。
9.一种如权利要求1-8中任一项所述导管架打旋桩基础结构的施工方法，其特征在于，按照如下步骤进行：
(1)完成导管架、打旋桩、裙桩套筒和防沉结构的预制，并完成所述导管架与所述裙桩套筒和所述防沉结构的连接；
(2)将所述导管架、所述裙装套筒和所述防沉结构构成的整体结构运输至安装地点；
(3)定位后，将所述导管架、所述裙装套筒和所述防沉结构构成的整体结构起吊并下放，直至所述防沉结构的肋板完全进入土体；
(4)将所述打旋桩通过所述裙桩套筒插入土体，采用打桩设备对所述打旋桩进行打桩，打桩过程中所述打旋桩在所述打旋承载叶片与土体的相互作用下自动向下旋转入土，直至所述加强肋板完全进入所述裙桩套管；
(5)利用灌浆料在所述裙桩套管内进行灌浆，完成所述打旋桩与所述导管架的连接。
10.根据权利要求9所述的一种导管架打旋桩基础结构的施工方法，其特征在于，步骤(3)的下沉过程中通过所述注水孔向所述导管架注水，实现整体结构的下沉和调平。
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