CN111472382B - 一种带抗拔钢管桩的吸力桶基础及其安装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带抗拔钢管桩的吸力桶基础及其安装方法，包括桶体和抗拔桩机构，桶体为底部开口、顶部密封的桶状结构并且其内部形成内舱，桶体包括内桶壁和外桶壁，内桶壁和外桶壁之间形成中空夹层，抗拔桩机构设置于中空夹层内并可沿中空夹层上下滑动，抗拔桩机构包括底座和抗拔钢管桩；使用方法如下：(1)桶体自重下沉；(2)内舱抽水使桶体继续下沉；(3)使抗拔钢管桩从中间夹层伸出并贯入海床中；(4)使中空夹层内的高压水排出至水下灌浆液充满中空夹层，待水下灌浆液凝固使钢管桩与桶体成为一体；本发明能抗拔钢管桩贯入海床提高吸力桶基础的抗拔承载力，解决了通过加深桶长提高承载力产生的土塞以及材料浪费的问题。
Description
技术领域
本发明涉及海洋工程基础设计及安装技术领域，具体涉及一种带抗拔钢管桩的吸力桶基础及其安装方法。
背景技术
吸力桶基础常作为浮式海上风电结构及海上石油开采平台等海洋结构物的基础。吸力桶基础锚固在海床上，浮式海工结构物通过悬链线等连接方式与吸力桶基础相连。由于海工结构在工作状态下承受着海风、海浪及洋流的循环作用而发生运动，所以锚固在海床上的吸力桶基础也受循环荷载的作用。吸力桶基础的安装过程主要分两步，第一步，受重力作用下沉至海床并贯入一定深度；第二步，通过抽水泵把桶内腔的水体排除，进而产生桶内外压差使吸力桶继续贯入海床中。随着海洋工程结构物向着深远海发展，对吸力桶抗拔承载力的要求越来越高。以往通过增加筒体长度提高吸力桶基础抗拔承载力的方式，一方面会在桶内腔产生较大的土塞量，甚至把内腔的土体与海床下面的土体分离，失去桶内土提供的抗拔承载力；另一方面由于桶体较长，在贯入一定深度后，桶体的向上的侧摩阻力大于桶内外压差产生的下沉力，达到极限贯入深度，导致海床面上留有较长的桶身，造成材料的浪费。
因此，特别需要一种带抗拔钢管桩的吸力桶基础及其安装方法，以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的缺陷，提供一种带抗拔钢管桩的吸力桶基础及其安装方法，通过抗拔钢管桩与土体的侧摩阻力提高了吸力桶基础的承载力，解决了通过加深桶长提高承载力产生的土塞以及材料浪费的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种带抗拔钢管桩的吸力桶基础，包括桶体和抗拔桩机构，所述桶体为底部开口、顶部密封的桶状结构并且其内部形成内舱，所述桶体包括内桶壁和外桶壁，所述内桶壁和外桶壁之间形成中空夹层，所述桶体顶面设置有连通外部与内舱的抽水孔以及连通外部与中间夹层的注浆孔；
所述抗拔桩机构设置于中空夹层内并可沿中空夹层上下滑动，所述抗拔桩机构包括底座和设置于底座底部的若干的抗拔钢管桩，所述桶体底部设置有与抗拔钢管桩相对应的钢管桩伸出孔。
为了进一步实现本发明，所述桶体顶面中心处设置有连接件。
为了进一步实现本发明，所述抽水孔和注浆孔均设置有两个，所述注浆孔环设于抽水孔的外侧。
为了进一步实现本发明，所述底座水平环设于中空夹层内，所述底座的高度低于内桶壁高度1-2m。
为了进一步实现本发明，若干的抗拔钢管桩沿底座均匀分布。
为了进一步实现本发明，所述抗拔钢管桩的末端与桶体底部相齐平。
一种应用于上述吸力桶基础的安装方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.利用桶体自身重力贯入海床至桶体深度稳定。
S2.通过抽水孔将内舱的海水抽出，使桶体依靠顶部内外压力差继续贯入海床中至深度稳定.
S3.通过注浆孔向中空夹层注入高压水，使抗拔桩机构整体向下移动从而使抗拔钢管桩从中间夹层伸出并贯入海床中至底座移动至桶体底部。
S4.通过注浆孔向中空夹层注入水下灌浆液并使中空夹层内的高压水排出至水下灌浆液充满中空夹层，待水下灌浆液凝固后完成吸力桶基础的安装。
有益效果
本发明的抗拔钢管桩群在吸力桶贯入到指定深度以后，以高压水推动抗拔桩群贯入更深层次的土体中，通过抗拔钢管桩与土体的侧摩阻力提高了吸力桶基础的承载力，解决了通过加深桶长提高承载力产生的土塞以及材料浪费的问题；通过提升侧摩阻力对吸力桶基础抗拔承载力的占比，减少由负压承担的承载力，进而避免桶内产生渗流水时桶体内外压差快速减少而导致的基础承载力快速下降，由侧摩阻力提供的承载力能发挥一定作用保证基础不会快速失效。通过在桶体底部增加了抗拔钢管桩群，形成一定面积的防渗墙来增加桶外孔隙水进入到桶内的渗流路径，当桶体受循环荷载作用下，可以减少孔隙水瞬时涌入桶内舱的渗流量，减少桶体内外压差突然骤减导致的基础失效风险。
附图说明
图1为本发明带抗拔钢管桩的吸力桶基础的立体图；
图2为本发明带抗拔钢管桩的吸力桶基础的剖视图；
图3为本发明带抗拔钢管桩的吸力桶基础的顶部剖面立体图；
图4为本发明带抗拔钢管桩的吸力桶基础中抗拔桩机构的立体图；
图5为本发明带抗拔钢管桩的吸力桶基础安装过程时的剖面立体图
图6为本发明带抗拔钢管桩的吸力桶基础安装完成时的立体图；
图7为本发明带抗拔钢管桩的吸力桶基础自重贯入海床的剖视图；
图8为本发明带抗拔钢管桩的吸力桶基础抽水贯入海床的剖视图；
图9为本发明带抗拔钢管桩的吸力桶基础抗拔钢管桩贯入过程的剖视图；
图10为本发明带抗拔钢管桩的吸力桶基础安装完成的剖视图。
附图标记说明：
1、桶体；11、内舱；12、连接件；13、内桶壁；14、外桶壁；15、中空夹层；16、抽水孔；17、注浆孔；18、钢管桩伸出孔；2、抗拔桩机构；21、底座；22、抗拔钢管桩。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步地详细的说明，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构。
如图1-图10所示，本发明带抗拔钢管桩的吸力桶基础包括桶体1和抗拔桩机构2，其中：
参照图1-图6，桶体1为底部开口、顶部密封的桶状结构并且其内部形成内舱11，桶体1顶面中心处设置有连接件12，桶体1包括内桶壁13和外桶壁14，内桶壁13和外桶壁14之间形成中空夹层15，桶体1顶面设置有两个连通外部与内舱11的抽水孔16，桶体1顶面位于抽水孔16外侧设置有两个连通外部与中间夹层15的注浆孔17。
抗拔桩机构2设置于中空夹层15内并可沿中空夹层15上下滑动，抗拔桩机构2包括底座21和设置于底座2底部的若干的抗拔钢管桩22，底座21水平环设于中空夹层15内，底座21的高度应略低于内桶壁13高度1-2m，若干的抗拔钢管桩22沿底座均匀分布，抗拔钢管桩22的管径小于中间夹层15的宽度，底座21的侧面与内桶壁13外侧面以及外桶壁14内侧面相贴合，接触部分相对光滑，同时具有良好的密闭性，抗拔钢管桩22的末端与桶体1底部相齐平，桶体1底部设置有与抗拔钢管桩22相对应的钢管桩伸出孔18。
该吸力桶基础的安装方法如下：
步骤一，利用桶体1自身重力贯入海床至桶体1深度稳定。
参照图7，打开抽水孔16，桶体1由于重力作用会贯入海床，这个过程中，由于抽水孔16用于连通外部和内舱11，海床和内舱11之间的海水可以由抽水孔16自由排出，保证桶体1自重贯入过程中不会因内舱11的水压导致贯入受阻。
步骤二，通过抽水孔16将内舱11的海水抽出，使桶体1依靠顶部内外压力差继续贯入海床中至深度稳定。
参照图8，抽水孔16接入抽水系统，通过抽水孔16将内舱11的海水抽出时，由于内舱11水量不断减少，内舱11的压力变小，在桶体1顶部的内外侧形成压力差，进而使桶体1继续贯入更深层的海床中，当抽水系统抽水量减少并且桶体1下沉量稳定时，关闭抽水系统，完成桶体1抽水贯入过程。此时内舱11会形成海床土体的土塞，并且会有部分桶体1露出海床表面。
步骤三，通过注浆孔向中空夹层注入高压水，使抗拔桩机构整体向下移动从而使抗拔钢管桩从中间夹层伸出并贯入海床中至底座移动至桶体底部。
参照图9，注浆孔17接入注浆系统，通过注浆孔17向中空夹层15注入高压水，当高压水充满夹层15时，高压水推动底座21向下移动，整个过程中需要保持中间夹层15中的水压足够推动底座21移动，抗拔钢管桩22从中间夹层15中伸出并最终贯入更深处的海床中，当底座21移动至桶体1底部时，停止注高压水，此时完成高压水推动抗拔钢管桩22贯入海床。
步骤四，通过注浆孔17向中空夹层15注入水下灌浆液并使中空夹层15内的高压水排出至水下灌浆液充满中空夹层15，待水下灌浆液凝固后完成吸力桶基础的安装。
参照图10，一注浆孔17接入注浆系统，另一注浆孔17接入抽水系统，往接入注浆系统的注浆孔17注入比高压水密度更大的水下灌浆液，水下灌浆液注入中间夹层15，注入的水下灌浆液由中间夹层15底部向中间夹层15顶部积累，中间夹层15上部的高压水不断向中间夹层15顶部流动，抽水系统通过另一注浆孔17将高压水抽出，当接入抽水系统的注浆孔17连续抽出水下灌浆液时，中间夹层15注浆过程完成。
注浆完成后，撤离抽水系统及排水系统，等待中间夹层15内的水下灌浆液凝固，待中间夹层15浆液凝固后，抗拔钢管桩22通过底座21与桶体连接成一个整体，增加了桶体1自身的刚度，同时加大了桶体1自重。
本发明的抗拔钢管桩群在吸力桶贯入到指定深度以后，以高压水推动抗拔桩群贯入更深层次的土体中，通过抗拔钢管桩与土体的侧摩阻力提高了吸力桶基础的承载力，解决了通过加深桶长提高承载力产生的土塞以及材料浪费的问题；通过提升侧摩阻力对吸力桶基础抗拔承载力的占比，减少由负压承担的承载力，进而避免桶内产生渗流水时桶体内外压差快速减少而导致的基础承载力快速下降，由侧摩阻力提供的承载力能发挥一定作用保证基础不会快速失效。通过在桶体底部增加了抗拔钢管桩群，形成一定面积的防渗墙来增加桶外孔隙水进入到桶内的渗流路径，当桶体受循环荷载作用下，可以减少孔隙水瞬时涌入桶内舱的渗流量，减少桶体内外压差突然骤减导致的基础失效风险。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明并不局限于上述实施方式，在实施过程中可能存在局部微小的结构改动，如果对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，且属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型。
Claims (7)
1.一种带抗拔钢管桩的吸力桶基础，包括桶体，所述桶体为底部开口、顶部密封的桶状结构并且其内部形成内舱，其特征在于，所述桶体包括内桶壁和外桶壁，所述内桶壁和外桶壁之间形成中空夹层，所述桶体顶面设置有连通外部与内舱的抽水孔以及连通外部与中间夹层的注浆孔，所述注浆孔有两个，其中一个注浆孔接入注浆系统，另一注浆孔接入抽水系统；
还包括抗拔桩机构，所述抗拔桩机构设置于中空夹层内并可沿中空夹层上下滑动，所述抗拔桩机构包括底座和设置于底座底部的若干的抗拔钢管桩，所述桶体底部设置有与抗拔钢管桩相对应的钢管桩伸出孔。
2.根据权利要求1所述的带抗拔钢管桩的吸力桶基础，其特征在于，所述桶体顶面中心处设置有连接件。
3.根据权利要求1所述的带抗拔钢管桩的吸力桶基础，其特征在于，所述抽水孔和注浆孔均设置有两个，所述注浆孔环设于抽水孔的外侧。
4.根据权利要求1所述的带抗拔钢管桩的吸力桶基础，其特征在于，所述底座水平环设于中空夹层内，所述底座的高度低于内桶壁高度1-2m。
5.根据权利要求4所述的带抗拔钢管桩的吸力桶基础，其特征在于，若干的抗拔钢管桩沿底座均匀分布。
6.根据权利要求1所述的带抗拔钢管桩的吸力桶基础，其特征在于，所述抗拔钢管桩的末端与桶体底部相齐平。
7.一种应用于权利要求1-6任一所述吸力桶基础的安装方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.利用桶体自身重力贯入海床至桶体深度稳定；
S2.通过抽水孔将内舱的海水抽出，使桶体依靠顶部内外压力差继续贯入海床中至深度稳定；
S3.通过注浆孔向中空夹层注入高压水，使抗拔桩机构整体向下移动从而使抗拔钢管桩从中间夹层伸出并贯入海床中至底座移动至桶体底部；
S4.通过注浆孔向中空夹层注入水下灌浆液并使中空夹层内的高压水排出至水下灌浆液充满中空夹层，待水下灌浆液凝固后完成吸力桶基础的安装。
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