CN112554224B - 一种可用于海上风机中的主辅组合式桩基础及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可用于海上风机中的主辅组合式桩基础及其施工方法，属于地基基础领域。本发明改善了海上风机中常用的大直径单桩基础：在主桩外设置钢套筒，而后注浆固定，并与若干辅桩桩顶相连接，以实现辅桩对主桩的支撑作用；为保证辅桩之间的整体性，采用大直径钢圈将每个辅桩的桩底连接起来，最后在钢圈中打入若干螺旋桩，以牢牢固定在海底，形成主辅组合式桩基础结构，共同承担竖向和水平荷载。这种主辅组合式桩基础，可极大提高桩基的水平承载力和侧向刚度，进而可减小单桩基础设计直径，降低风机工程的基础造价，特别适用于长期受风力、海浪等循环荷载作用，以及短暂冲击荷载作用(地震)的海上结构。

Description

一种可用于海上风机中的主辅组合式桩基础及施工方法

技术领域

本发明属于地基基础领域，具体涉及一种可用于海上风机工程中的主辅组合式桩基础结构的设计和施工方法，以弥补已有海上单桩基础侧向刚度小和水平承载力不足的缺陷。

背景技术

海上风机基础结构的安全可靠是确保上部风机正常运行的关键因素。对于风机基础，除了需要承受来自上部结构的自重荷载，还主要承受来自风力、波浪、海流等长期水平循环荷载以及海底地震、撞击等剧烈突发性荷载，因此对基础结构的竖向承载力、水平承载力，尤其是基础的侧向刚度、抗震性能有较高的要求。

国内目前常用的风机基础主要有单桩基础、支柱式基础以及高桩承台群桩基础等形式。其中，单桩基础一般采用大直径厚壁钢管桩，如图5（a）。单桩基础结构简单，竖向承载力较高，一般也不需另外处理海床地基，可直接打设进入海底持力层。但该类基础水平刚度较小，一般需要设计超大直径，才能满足水平承载要求，这大大增加了基础造价和海上施工的难度。支柱式基础一般采用三角绗架、四角绗架等预制钢结构组合的形式，如图5（b），该类基础能在一定程度上增大风机基础的侧向刚度，而且钢结构拼接可在陆上完成，可减少海上施工量。但该类基础的防撞能力偏低，一般需要额外设置单独的防撞系统，从而也增加了工程造价。高桩承台群桩基础在风机工程中使用最为广泛，主要包括混凝土承台、斜桩和直桩构成的群桩两部分，如图5（c）所示。该类基础竖向承载力和侧向刚度均较大，特别适用于海上结构。但该类基础的海上施工量大，施工周期长，基础造价也较高。综上所述，现有常用的风机基础结构存在可改善之处，需要一种结构简单、成本低、施工快的基础形式，来适应海上结构承载的特殊要求。

发明内容

本发明的目的在于针对单桩基础侧向刚度较小、抵抗水平循环荷载的能力较差的缺点，并结合现有技术中三种基础的结构优势，拟通过优化基础结构形式，设计出一种主辅组合式桩基础结构形式，以提高基础的侧向刚度和抗震能力，并增加基础的整体稳定性。此外，针对该类基础的特点并结合已有成熟的施工设备和方法，提出该类基础的一般施工方法。

本发明具体采用的技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种可用于海上风机中的主辅组合式桩基础，其包括主桩、外筒结构和螺旋桩；所述主桩为一直桩，桩顶用于承接上部风机结构，桩底插入海底地基中；

所述外筒结构包括外套筒、辅桩和钢圈；所述外套筒中设有大于主桩外径的通孔；所述钢圈为钢制环体；所述辅桩为斜桩；外套筒和钢圈同轴间隔布置，两者之间沿环向通过若干辅桩连接为上小下大的圆台形承力结构；所述外筒结构通过所述外套筒整体套于主桩上，所述钢圈支撑于海底地基中，外套筒与主桩之间连接固定，用于对主桩进行竖向支撑并限制侧向位移；

所述螺旋桩为带螺旋翼的钢管直桩，若干螺旋桩分别沿所述钢圈环向打入海底地基持力层中，且每条螺旋桩桩顶与钢圈连接固定，形成以主桩、辅桩和螺旋桩共同承载的组合式桩基础。

作为优选，所述外套筒为带有竖向通孔的圆柱体或圆锥体；所述通孔与主桩之间的间隙通过灌浆、浇筑混凝土或其他方式连接。

作为优选，所述外套筒的高度高于海水水面。

作为优选，所述主桩和辅桩为钢桩或预制管桩。

作为优选，所述辅桩直径小于主桩，数量为三根或以上，均匀分布在主桩周围。

作为优选，所述螺旋桩数量为三根或以上，等间隔分布在钢圈的外圈环向。

作为优选，所述外套筒与辅桩之间通过焊接或铰接方式连接固定，辅桩以及螺旋桩与钢圈之间固接。

作为优选，所述钢圈为圆环形或方环形结构。

第二方面，本发明提供了一种海上平台的基础结构，其包括若干个如第一方面任一方案所述的主辅组合式桩基础以及承台，若干所述主辅组合式桩基础分布于海平面上，所述承台由各主辅组合式桩基础整体承托，形成群桩-承台结构。

第三方面，本发明提供了一种如第一方面任一方案所述主辅组合式桩基础的施工方法，其步骤如下：

S1：在工厂中将外套筒、辅桩和钢圈预制成所述外筒结构，并转运至施工场地中；

S2：在海上预定位置打设主桩，使主桩打入海底地基中，使其能够在风浪等荷载作用下以及后续施工中保持竖直和稳定；

S3：将所述外筒结构吊至主桩桩顶上方，逐渐下放外筒结构使其钢圈和外套筒依次套入主桩并沉降至钢圈支撑于海底，且外套筒位于海面以上，然后微调外筒结构使主桩位于外筒结构中心；

S4：在钢圈环向预设位置打设若干螺旋桩至海底地基持力层，并将螺旋桩顶部与钢圈固定连接，使外筒结构稳定固定在海底地基中；

S5：在外套筒与主桩之间的空隙中灌浆或浇筑混凝土进行加固，使得外套筒与主桩之间连接为一体，最终形成主辅组合式桩基础结构。

第四方面，本发明提供了一种如第一方面任一方案所述主辅组合式桩基础的施工方法，其步骤如下：

S1：在工厂中将外套筒、辅桩和钢圈预制成所述外筒结构，并转运至施工场地中；

S2：将所述外筒结构吊至海上预定位置，逐渐下放沉降至钢圈支撑于海底且外套筒位于海面以上；

S3：将主桩起吊并垂直穿入所述外筒结构的钢圈和外套筒，然后微调外筒结构使主桩位于中心，再通过桩机将主桩打入海底地基中，使其能够在风浪等荷载作用下以及后续施工中保持竖直和稳定；

S4：在钢圈环向预设位置打设若干螺旋桩至海底地基持力层，并将螺旋桩顶部与钢圈固定连接，使外筒结构稳定固定在海底地基中；

S5：在外套筒与主桩之间的空隙中灌浆或浇筑混凝土进行加固，使得外套筒与主桩之间连接为一体，最终形成主辅组合式桩基础结构。

本发明为改善海上风机单桩基础结构侧向刚度小、抗震性能差的缺陷，设计了一种新的组合式桩基础结构形式。将单桩作为主桩，在主桩周围设置若干斜桩作为辅桩，结合螺旋桩加固地基的优点，用以支撑主桩并限制其水平晃动，形成主辅组合式基础，从而提高基础的水平承载性能和抗震性能。为了进一步提高基础整体刚度，设置大直径钢圈将斜桩底部连成一个整体，并考虑螺旋桩施工速度快、承载性能高的优点，采用螺旋桩将大直径钢圈牢牢固定在海底地基中，使得主桩、辅桩、螺旋桩形成一个受力整体，共同承受风机自重和外部荷载。将多个新型组合式桩基础与承台结构联合起来使用，又可形成一种海上群桩基础，作为大型海上平台的基础结构，具有承载力高、抗震能力强的优点。另外，本发明还提出了相应的海上施工工序，以适应主辅组合式基础的特殊要求。

附图说明

图1为主辅组合式桩基础结构示意图（a为轴测图，b为正视图，c为俯视图）

图2为主辅组合式桩基础各构件轴测示意图；

图3为主辅组合式桩基础施工步骤；

图4为主辅组合式群桩基础-承台结构示意图（左图为轴测图，右图为仰视图）；

图5为现有技术中常用的风机基础形式；

图中：1为主桩，2为外套筒，3为辅桩，4为钢圈，5为螺旋桩，6为螺旋翼。

具体实施方式

下面结合附图和实施步骤对本发明进一步说明。

本发明为解决海上风机工程中单桩基础侧向刚度小、抗震能力差的问题，在已有单桩基础结构的基础上，设计了一种主辅组合式基础结构及相应的施工工法。该种可用于海上风机中的主辅组合式基础由主桩-辅助桩-螺旋桩三位一体的受力体系，主要包括主桩1、外筒结构和螺旋桩5等部分。

如图1所示，主桩1为一竖直单桩，桩顶与上部风机连接，承担风机结构自重和外部荷载，为主要承载构件。主桩1需打设进入海床地基一定深度，以保证桩身竖直和稳定。外筒结构包括外套筒2、辅桩3和钢圈4。其中外套筒2中设有大于主桩1外径的通孔，主桩1能够穿过该通孔伸入下方，钢圈4为大直径的钢制环体，外套筒2和钢圈4同轴间隔布置。辅桩3有多个且均为斜桩，其尺寸比主桩1的尺寸小，为次要承载构件，主要用于提高基础结构的侧向刚度。辅桩3桩顶与主桩1桩身通过外套筒2相连，桩底与大直径钢圈4相连，形成一个上小下大的圆台形承力结构，可对主桩1能同时起到竖向支撑和限制水平位移的作用。但需要注意的是，此处并不需要是标准的圆台形，各辅桩3沿环向均匀斜向下布置即可。辅桩3与外套筒2、大直径钢圈4之间的连接可为固接或铰接，而主桩1与外套筒2之间则需采用固接连接，如焊接并注浆，以保证外套筒2不发生滑动。大直径钢圈4一般位于海床地基上，或存在一定埋深以保持稳定。在海底地基中打设若干螺旋桩5，将大直径钢圈4牢牢固定在海床地基中，形成一套以主桩-辅桩-螺旋桩为主要承载构件的完整受力体系。

如图2所示，主桩1可为钢管桩、预制管桩等类型，其桩长和直径相较于传统海上单桩基础的相应尺寸更小，单桩造价和施工难度更低。此外，主桩1打入地基的深度至少需满足主桩在施工过程的稳定。外套筒2 可为一带有竖向通孔的圆柱体或圆锥体或其他空心形体，长度一般较长以增加与主桩1之间的摩阻力。外套筒2内径稍大于主桩1的直径，外筒结构通过外套筒2整体套于主桩1上，钢圈4支撑于海底地基中。外套筒2中的通孔与主桩1之间的间隙可通过灌浆、浇筑混凝土或其他方式实现与主桩1之间的连接固定，因此外套筒2在安装完毕后一般应当位于海水面以上，以方便安装和后注浆。辅桩3均为斜桩，等间隔分布在主桩1的周围起到支撑作用。辅桩数量一般为三根或以上，可由套筒尺寸、设计荷载、施工要求等确定，均匀分布在主桩1周围。辅桩3也可以为钢桩或预制管桩，大直径钢圈4能够将每个辅桩的桩底连接起来形成整体以提供主要的水平承载作用，因此可大大提高基础的侧向刚度和抗震性能。大直径钢圈4可为圆环形或方环形结构，其尺寸与辅桩斜度和尺寸有关，决定了基础的侧向刚度。螺旋桩5一般为带螺旋翼6的钢管直桩，完全打入海底地基持力层，所有螺旋桩5均匀分布在大直径钢圈4结构之下，且每条螺旋桩5桩顶与钢圈4连接固定，形成以主桩、辅桩和螺旋桩共同承载的组合式桩基础。螺旋桩5数量为三根或以上，等间隔分布在钢圈4的外圈环向。但螺旋翼6的数量和位置可结合海底地层分布确定，一般需位于土质条件较好的土层中，以发挥更好的承载作用。

如图3所示，该类基础结构的施工主要分为五个步骤，分别为(a)装配外筒结构、(b)打设主桩、(c)嵌套外筒、(d)打设螺旋桩、(e)外套筒灌浆加固。下面具体描述主辅组合式桩基础的施工方法，其步骤如下：

S1：将外套筒2、辅桩3和钢圈4预制成所述外筒结构，该过程可在工厂完成，预制完成后再转运至施工场地中。

S2：在海上预定位置打设主桩1，使主桩1打入海底地基中，需进入地基一定深度，使其能够在风浪等荷载作用下以及后续施工中保持竖直和稳定。

S3：将外筒结构运至海上，并吊至主桩1桩顶上方，由于外筒内径大于主桩1外径，可逐渐下放外筒结构使其钢圈4和外套筒2依次套入主桩1，继续向下放直至沉降到底，钢圈4支撑于海底，且外套筒2位于海面以上，然后微调外筒结构使主桩1位于外筒结构中心。外筒结构也最好需一定土层埋深，使之能够依靠自身自重、地基土压力以及主桩1的限制作用下能够保持稳定。

S4：在钢圈4环向预设位置打设若干螺旋桩5至海底地基持力层，本实施例中沿钢圈4环向等角度打设4个螺旋桩5。螺旋桩5打设完毕后，将螺旋桩5顶部与钢圈4固定连接，使外筒结构稳定固定在海底地基中。螺旋桩5与钢圈4之间的固定方式取决于施工要求，可以通过螺纹机械连接，亦可通过其他外部连接件连接。

S5：在外套筒2与主桩1之间的空隙中密封灌浆或浇筑混凝土进行加固，使得外套筒2与主桩1之间连接为一体，最终形成主辅组合式桩基础结构。当然也可再利用焊接等方式增加外套筒与主桩之间的连接强度，保证两者之间不产生滑移。

当然上述施工步骤中，S1和S2可同时进行，或施工时间有重叠，以缩短施工周期。而且S2和S3亦可可作调换，以满足施工要求，调换后的施工过程如下：

S1：在工厂中将外套筒2、辅桩3和钢圈4预制成所述外筒结构，并转运至施工场地中；

S2：将外筒结构吊至海上预定位置，逐渐下放沉降至钢圈4支撑于海底且外套筒2位于海面以上；

S3：将主桩1起吊并垂直穿入外筒结构的钢圈4和外套筒2，然后微调外筒结构使主桩1位于中心，再通过桩机将主桩1打入海底地基中，使其能够在风浪等荷载作用下以及后续施工中保持竖直和稳定；

S4：在钢圈4环向预设位置打设若干螺旋桩5至海底地基持力层，并将螺旋桩5顶部与钢圈4固定连接，使外筒结构稳定固定在海底地基中；

S5：在外套筒2与主桩1之间的空隙中灌浆或浇筑混凝土进行加固，使得外套筒2与主桩1之间连接为一体，最终形成主辅组合式桩基础结构。

因此，该施工方法可以灵活地根据实际的场地情况进行调整，不作限制。

如图4所示，除了可将主辅组合式桩基础单独使用，例如可作为海上风机的基础，也可和陆上群桩基础类似，将多个图1所示的主辅组合式桩基础以及承台组合成群桩-承台结构，承台由各主辅组合式桩基础整体承托，作为大型海上平台的基础结构。相比于传统的海上群桩基础，具有更优良的承载性能和抗震性能，以适应具有长期水平循环荷载的海上条件。群桩的数量和组合形式，承台的形式和尺寸由施工要求、承载力设计要求等确定。

本发明通过上述技术方案，提供了一种能够适应海上长期循环荷载条件的组合式桩基础结构及其施工方法，可用于海上风机基础，或大型海上平台的基础结构，具有承载力高、抗震能力强，施工速度快、成本低等优点。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。例如，外套筒的长度以及桩身位置、斜桩和螺旋桩的数量和相对位置、各构件之间的连接方式等可以根据实际工程要求进行改变。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (14)

1.一种可用于海上风机中的主辅组合式桩基础的施工方法，其特征在于，所述主辅组合式桩基础包括主桩（1）、外筒结构和螺旋桩（5）；所述主桩（1）为一直桩，桩顶用于承接上部风机结构，桩底插入海底地基中；

所述外筒结构包括外套筒（2）、辅桩（3）和钢圈（4）；所述外套筒（2）中设有大于主桩（1）外径的通孔；所述钢圈（4）为钢制环体；所述辅桩（3）为斜桩；外套筒（2）和钢圈（4）同轴间隔布置，两者之间沿环向通过若干辅桩（3）连接为上小下大的圆台形承力结构；所述外筒结构通过所述外套筒（2）整体套于主桩（1）上，所述钢圈（4）支撑于海底地基中，外套筒（2）与主桩（1）之间连接固定，用于对主桩（1）进行竖向支撑并限制侧向位移；

所述螺旋桩（5）为带螺旋翼（6）的钢管直桩，若干螺旋桩（5）分别沿所述钢圈（4）环向打入海底地基持力层中，且每条螺旋桩（5）桩顶与钢圈（4）连接固定，形成以主桩、辅桩和螺旋桩共同承载的组合式桩基础；

所述施工方法的步骤如下：

S1：在工厂中将外套筒（2）、辅桩（3）和钢圈（4）预制成所述外筒结构，并转运至施工场地中；

S2：在海上预定位置打设主桩（1），使主桩（1）打入海底地基中，使其能够在风浪等荷载作用下以及后续施工中保持竖直和稳定；

S3：将所述外筒结构吊至主桩（1）桩顶上方，逐渐下放外筒结构使其钢圈（4）和外套筒（2）依次套入主桩（1）并沉降至钢圈（4）支撑于海底，且外套筒（2）位于海面以上，然后微调外筒结构使主桩（1）位于外筒结构中心；

S4：在钢圈（4）环向预设位置打设若干螺旋桩（5）至海底地基持力层，并将螺旋桩（5）顶部与钢圈（4）固定连接，使外筒结构稳定固定在海底地基中；

S5：在外套筒（2）与主桩（1）之间的空隙中灌浆或浇筑混凝土进行加固，使得外套筒（2）与主桩（1）之间连接为一体，最终形成主辅组合式桩基础结构。

2.如权利要求1所述的施工方法，其特征在于，所述外套筒（2）为带有竖向通孔的圆柱体或圆锥体；所述通孔与主桩（1）之间的间隙通过灌浆、浇筑混凝土或其他方式连接。

3.如权利要求1所述的施工方法，其特征在于，所述外套筒（2）的高度高于海水水面。

4.如权利要求1所述的施工方法，其特征在于，所述主桩（1）和辅桩（3）为钢桩或预制管桩。

5.如权利要求1所述的施工方法，其特征在于，所述辅桩（3）直径小于主桩（1），数量为三根或以上，均匀分布在主桩（1）周围。

6.如权利要求1所述的施工方法，其特征在于，所述螺旋桩（5）数量为三根或以上，等间隔分布在钢圈（4）的外圈环向。

7.如权利要求1所述的施工方法，其特征在于，所述外套筒（2）与辅桩（3）之间通过焊接或铰接方式连接固定，辅桩（3）以及螺旋桩（5）与钢圈（4）之间固接。

8.一种可用于海上风机中的主辅组合式桩基础的施工方法，其特征在于，所述主辅组合式桩基础包括主桩（1）、外筒结构和螺旋桩（5）；所述主桩（1）为一直桩，桩顶用于承接上部风机结构，桩底插入海底地基中；

所述外筒结构包括外套筒（2）、辅桩（3）和钢圈（4）；所述外套筒（2）中设有大于主桩（1）外径的通孔；所述钢圈（4）为钢制环体；所述辅桩（3）为斜桩；外套筒（2）和钢圈（4）同轴间隔布置，两者之间沿环向通过若干辅桩（3）连接为上小下大的圆台形承力结构；所述外筒结构通过所述外套筒（2）整体套于主桩（1）上，所述钢圈（4）支撑于海底地基中，外套筒（2）与主桩（1）之间连接固定，用于对主桩（1）进行竖向支撑并限制侧向位移；

所述螺旋桩（5）为带螺旋翼（6）的钢管直桩，若干螺旋桩（5）分别沿所述钢圈（4）环向打入海底地基持力层中，且每条螺旋桩（5）桩顶与钢圈（4）连接固定，形成以主桩、辅桩和螺旋桩共同承载的组合式桩基础；

所述施工方法的步骤如下：

S1：在工厂中将外套筒（2）、辅桩（3）和钢圈（4）预制成所述外筒结构，并转运至施工场地中；

S2：将所述外筒结构吊至海上预定位置，逐渐下放沉降至钢圈（4）支撑于海底且外套筒（2）位于海面以上；

S3：将主桩（1）起吊并垂直穿入所述外筒结构的钢圈（4）和外套筒（2），然后微调外筒结构使主桩（1）位于中心，再通过桩机将主桩（1）打入海底地基中，使其能够在风浪等荷载作用下以及后续施工中保持竖直和稳定；

S4：在钢圈（4）环向预设位置打设若干螺旋桩（5）至海底地基持力层，并将螺旋桩（5）顶部与钢圈（4）固定连接，使外筒结构稳定固定在海底地基中；

S5：在外套筒（2）与主桩（1）之间的空隙中灌浆或浇筑混凝土进行加固，使得外套筒（2）与主桩（1）之间连接为一体，最终形成主辅组合式桩基础结构。

9.如权利要求8所述的施工方法，其特征在于，所述外套筒（2）为带有竖向通孔的圆柱体或圆锥体；所述通孔与主桩（1）之间的间隙通过灌浆、浇筑混凝土或其他方式连接。

10.如权利要求8所述的施工方法，其特征在于，所述外套筒（2）的高度高于海水水面。

11.如权利要求8所述的施工方法，其特征在于，所述主桩（1）和辅桩（3）为钢桩或预制管桩。

12.如权利要求8所述的施工方法，其特征在于，所述辅桩（3）直径小于主桩（1），数量为三根或以上，均匀分布在主桩（1）周围。

13.如权利要求8所述的施工方法，其特征在于，所述螺旋桩（5）数量为三根或以上，等间隔分布在钢圈（4）的外圈环向。

14.如权利要求8所述的施工方法，其特征在于，所述外套筒（2）与辅桩（3）之间通过焊接或铰接方式连接固定，辅桩（3）以及螺旋桩（5）与钢圈（4）之间固接。

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