CN112627225A - 一种海上风电单桩、支撑盘和小型吸力桶的复合基础结构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海上风电单桩、支撑盘和小型吸力桶的复合基础结构及其施工方法，它包括钢管桩、支撑盘和小型吸力桶，所述钢管桩固定安装在支撑盘的中心孔部位，两者保持同心布置；所述支撑盘的内部设置有第一肋板，所述小型吸力桶均布固定在支撑盘的底端，所述小型吸力桶和支撑盘之间设置有第二肋板，所述支撑盘的内部填充有抛填堆石或灌入混凝土。通过支撑盘和小型吸力桶，使得复合基础适应具有淤泥覆盖层的海床地质环境、并具有更强的竖向承载能力和侧向承载能力；通过向支撑盘抛填堆石或灌入混凝土，增大盖重，从而强化土体、提高基础抗倾覆能力和阻挡波浪对海床土体的冲刷。

Description

一种海上风电单桩、支撑盘和小型吸力桶的复合基础结构及 其施工方法

技术领域

本发明涉及一种海上风电水下基础结构，尤其涉及一种海上风电单桩、支撑盘和小型吸力桶的复合基础结构及其施工方法，属于岩土工程和海洋工程领域。

背景技术

风能是一种清洁的可再生能源。海上风能资源具有风速大且稳定、储能丰富、分布广泛、发电产出高且使用寿命长的特点，开发前景广阔。目前，海上风电工程项目的建设正处于高速发展期，单桩作为一种便捷的基础结构，受到设计和施工单位的广泛认可。然而，当水下覆盖层厚度较浅或海底上层地基为软黏土时，为保证基础安全性，需增大桩径或桩长，或者采用嵌岩桩，加大了工程造价和施工难度。

单桩、支撑盘和小型吸力桶复合基础结构是对单桩基础的一种改良，充分结合了单桩和吸力桶的优点，设计与施工较简单，成本相对较低，提高了基础的竖向和侧向承载能力。与单桩和大型吸力桶复合基础（如专利公开号：CN 107217682 A，CN 110016930 A）相比，本发明所述复合基础成本相对较低，这种组合可增加桩基础的整体稳定性，多个小型吸力桶的设置使得在恶劣的海洋工况下施工更加灵活，同时有利于整体基础在施工过程中的调平。此外，CN 209636843 U中公开了一种海上风机三桶导管架-大直径单桩复合基础，但是其抗风浪的冲刷和抗倾覆能力有限。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术问题。为此本发明提出一种海上风电单桩、支撑盘和小型吸力桶的复合基础结构及其施工方法，通过支撑盘和小型吸力桶，使得复合基础适应具有淤泥覆盖层的海床地质环境、并具有更强的竖向承载能力和侧向承载能力；通过向支撑盘抛填堆石或灌入混凝土，增大盖重，从而强化土体、提高基础抗倾覆能力和阻挡波浪对海床土体的冲刷。

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、支撑盘和小型吸力桶的复合基础结构，它包括钢管桩、支撑盘和小型吸力桶，所述钢管桩固定安装在支撑盘的中心孔部位，两者保持同心布置；所述支撑盘的内部设置有第一肋板，所述小型吸力桶均布固定在支撑盘的底端，所述小型吸力桶和支撑盘之间设置有第二肋板，所述支撑盘的内部填充有抛填堆石或灌入混凝土。

所述钢管桩的结构形式采用单桩结构。

所述支撑盘采用空心且不封顶的大直径圆盘结构，所述支撑盘的中心孔部位设置有中心筒，所述中心筒的底端向下延伸，并伸出支撑盘底端面一段长度。

所述第一肋板采用梯形或矩形结构形式，所述第一肋板的两个平行边分别与支撑盘的内壁与外壁固定相连。

所述第一肋板共有多个，并均布设置在支撑盘的内部。

所述第二肋板采用梯形或矩形结构形式，所述第二肋板的两个平行边分别与小型吸力桶的外壁和支撑盘的中心筒固定相连；所述第二肋板与小型吸力桶的数量相同。

所述小型吸力桶采用小直径圆环结构，开口向下；所述小型吸力桶顶部与支撑盘底部相连；所述小型吸力桶顶部附有吸力装置，所述吸力装置位于支撑盘内部；所述小型吸力桶共有多个，并均布设置在支撑盘底部。

所述支撑盘的直径选用25~40m；所述支撑盘内部第一肋板数量为3~8个；所述小型吸力桶的直径为6~10m，数量为3-6个；所述堆石体的填筑材料为宽级配散粒堆石料；所述混凝土的材料为水下自密实混凝土。

海上风电单桩、支撑盘和小型吸力桶的复合基础结构的施工方法，包括以下步骤：

step1：打入所述钢管桩至目标深度；

step2：从钢管桩顶部套入支撑盘及小型吸力桶整体结构，通过自身重力作用下，使小型吸力桶底部靠近或触及海床的淤泥层表面；

step3：通过吸力装置，使小型吸力桶嵌入海床的持力层至目标深度；

step4：灌浆使得支撑盘内壁与钢管桩外壁浇筑相连；

step5：向支撑盘中抛填堆石或灌入混凝土。

海上风电单桩、支撑盘和小型吸力桶的复合基础结构的施工方法，包括以下步骤：

step1：通过吸力装置，沉入支撑盘与小型吸力桶整体结构，直至小型吸力桶穿过海床的淤泥覆盖层并嵌入到海床的持力层；

step2：定位打桩位置，从支撑盘中部打入钢管桩，直至打入到目标深度；

step3：对钢管桩外壁与支撑盘内壁进行水下灌浆连接；

step4：向支撑盘中抛填堆石或灌入混凝土。

本发明有如下有益效果：

1、本发明所采用的单桩、支撑盘和小型吸力桶的复合基础结构，其结构较简单，设计、制造与运输难度较小，有效降低了工程成本。

2、施工设备与单桩大致相同，结合利用吸力装置，施工效率高且难度小。

3、所述钢管桩、支撑盘、小型吸力桶和肋板相互固定连接，形成的整体结构强度大。

4、所述支撑盘、肋板和小型吸力桶提供的摩擦力，可一定程度提高基础的竖向承载能力。

5、所述小型吸力桶嵌入海床持力层，可明显提高基础的水平承载能力和抗倾覆能力。

6、所述支撑盘及抛填的堆石或灌入的混凝土，增大了基础盖重，强化了桩周土体，提高了基础的侧向承载能力，并能阻挡波浪对海床土体的冲刷。

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是本发明的主视图。

图2是本发明的俯视图。

图3是本发明图1中A-A视图。

图4是本发明图1中B-B视图。

图5是本发明支撑盘内部肋板采用梯形方案的主视图。

图6是本发明支撑盘底部肋板采用矩形方案的主视图。

图中：钢管桩1、支撑盘2、小型吸力桶3、肋板4、肋板5、堆石6、混凝土7、吸力装置8、淤泥覆盖层9、持力层10。

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。

实施例1：

参见图1-6，一种海上风电单桩、支撑盘和小型吸力桶的复合基础结构，它包括钢管桩1、支撑盘2和小型吸力桶3；所述钢管桩1的外壁与支撑盘2的内壁相连，支撑盘2和钢管桩1同心布置；所述支撑盘2内部设置有第一肋板4；所述支撑盘2底部设置有小型吸力桶3和第二肋板5。有如下两种可能的施工方式：

一是先打入所述钢管桩1至目标深度；然后从钢管桩1顶部套入支撑盘2及小型吸力桶3整体结构，通过自重，使小型吸力桶3底部靠近或触及海床的淤泥层9表面；通过吸力装置8，使小型吸力桶3嵌入海床的持力层10至目标深度；灌浆连接支撑盘2内壁与钢管桩1外壁；而后向支撑盘2中抛填堆石6或灌入混凝土7。

二是先通过吸力装置8使所述小型吸力桶3穿过海床的淤泥覆盖层9并嵌入到海床的持力层10；然后从支撑盘2中部打入钢管桩1；打桩至目标深度后，对钢管桩1外壁与支撑盘2内壁进行水下灌浆连接；而后向支撑盘2中抛填堆石6或灌入混凝土7。

本发明中的复合基础结构结合了单桩与吸力桶的优点，在不大幅增加制造成本的前提下，通过支撑盘和小型吸力桶提供的摩擦力，可提高基础的竖向承载能力；通过将小型吸力桶嵌入持力层，可明显提高基础的水平承载能力和抗倾覆能力，从而显著减低桩体的水平位移和倾斜率。

进一步的，所述钢管桩1的结构形式采用单桩结构。采用普通钢管桩，降低了成本。

进一步的，所述支撑盘2采用空心且不封顶的大直径圆盘结构，内壁向下有所延伸。发挥了连接钢管桩与小型吸力桶的作用，为增大盖重提供了平台。

进一步的，所述小型吸力桶3采用小直径圆环结构，开口向下。采用小直径圆环结构，不会大幅增加制造成本。

实施例2：

参见图1-6，在本实施例中，所述支撑盘2内部制造有第一肋板4，肋板可采用梯形或矩形形状。所述第一肋板4的两个平行边分别与支撑盘2的内壁与外壁固定相连；所述第一肋板4共有多个，并均布设置在支撑盘2内部。采用第一肋板4，其一方面增大了支撑盘2的整体强度；另一方面，使得支撑盘2内部形成多个扇形区域，为吸力装置布置、堆石抛填或混凝土灌入提供了空间。

进一步的，所述支撑盘2的直径为25~40m。目的是获得最佳的桩基支撑效果。

进一步的，所述支撑盘内部第一肋板4的数量为3-8个。目的是获得最佳的结构强度增强效果。

实施例3：

参见图1-6，在本实施例中，所述支撑盘2底部制造有小型吸力桶3和第二肋板5。所述小型吸力桶3顶部与支撑盘2底部相连；所述小型吸力桶3顶部附有吸力装置8，吸力装置8位于支撑盘2内部。所述第二肋板5可采用梯形或矩形形式，第二肋板5的两个平行边分别与支撑盘2的内壁与小型吸力桶3的外壁固定相连，加强了复合基础。

进一步的，所述小型吸力桶3的直径为6~10m，。目的是获得最佳的桩基支撑效果。

进一步的，所述支撑盘底部第二肋板5和小型吸力桶3的数量保持一致，为3~6个，。目的是获得最佳的结构加强效果和桩基支撑效果。

实施例4：

参见图1-6，在本实施例中，施工至钢管桩1和小型吸力桶3至目标深度后，向支撑盘2中抛填堆石或灌入混凝土，可增大盖重，强化桩周土体，提高复合基础的侧向承载能力，并能有效阻挡波浪对海床土体的冲刷。

实施例5：

海上风电单桩、支撑盘和小型吸力桶的复合基础结构可能的施工方法有两种。

方法一包括以下步骤：

step1：打入所述钢管桩1至目标深度；

step2：从钢管桩1顶部套入支撑盘2及小型吸力桶3整体结构，通过自重，使小型吸力桶3底部靠近或触及海床的淤泥层9表面；

step3：通过吸力装置8，使小型吸力桶3嵌入海床的持力层10至目标深度；

step4：灌浆连接支撑盘2内壁与钢管桩1外壁；

step5：向支撑盘2中抛填堆石6或灌入混凝土7。

方法二包括以下步骤：

step1：通过吸力装置8，沉入支撑盘2与小型吸力桶3整体结构，直至小型吸力桶3穿过海床的淤泥覆盖层9并嵌入到海床的持力层10；

step2：定位打桩位置，从支撑盘2中部打入钢管桩1，直至打入到目标深度；

step3：对钢管桩1外壁与支撑盘2内壁进行水下灌浆连接；

step4：向支撑盘2中抛填堆石6或灌入混凝土7。

Claims (10)

1.一种海上风电单桩、支撑盘和小型吸力桶的复合基础结构，其特征在于：它包括钢管桩（1）、支撑盘（2）和小型吸力桶（3），所述钢管桩（1）固定安装在支撑盘（2）的中心孔部位，两者保持同心布置；所述支撑盘（2）的内部设置有第一肋板（4），所述小型吸力桶（3）均布固定在支撑盘（2）的底端，所述小型吸力桶（3）和支撑盘（2）之间设置有第二肋板（5），所述支撑盘（2）的内部填充有抛填堆石（6）或灌入混凝土（7）。

2.根据权利要求1所述的一种海上风电单桩、支撑盘和小型吸力桶的复合基础结构，其特征在于：所述钢管桩（1）的结构形式采用单桩结构。

3.根据权利要求1所述的一种海上风电单桩、支撑盘和小型吸力桶的复合基础结构，其特征在于：所述支撑盘（2）采用空心且不封顶的大直径圆盘结构，所述支撑盘（2）的中心孔部位设置有中心筒，所述中心筒的底端向下延伸，并伸出支撑盘（2）底端面一段长度。

4.根据权利要求1所述的一种海上风电单桩、支撑盘和小型吸力桶的复合基础结构，其特征在于：所述第一肋板（4）采用梯形或矩形结构形式，所述第一肋板（4）的两个平行边分别与支撑盘（2）的内壁与外壁固定相连。

5.根据权利要求1或4所述的一种海上风电单桩、支撑盘和小型吸力桶的复合基础结构，其特征在于：所述第一肋板（4）共有多个，并均布设置在支撑盘（2）的内部。

6.根据权利要求1所述的一种海上风电单桩、支撑盘和小型吸力桶的复合基础结构，其特征在于：所述第二肋板（5）采用梯形或矩形结构形式，所述第二肋板（5）的两个平行边分别与小型吸力桶（3）的外壁和支撑盘（2）的中心筒固定相连；所述第二肋板（5）与小型吸力桶（3）的数量相同。

7.根据权利要求1所述的一种海上风电单桩、支撑盘和小型吸力桶的复合基础结构，其特征在于：所述小型吸力桶（3）采用小直径圆环结构，开口向下；所述小型吸力桶（3）顶部与支撑盘（2）底部相连；所述小型吸力桶（3）顶部附有吸力装置（8），所述吸力装置（8）位于支撑盘（2）内部；所述小型吸力桶（3）共有多个，并均布设置在支撑盘（2）底部。

8.根据权利要求1所述的一种海上风电单桩、支撑盘和小型吸力桶的复合基础结构，其特征在于：所述支撑盘（2）的直径选用25~40m；所述支撑盘内部第一肋板（4）数量为3~8个；所述小型吸力桶（3）的直径为6~10m，数量为3-6个；所述堆石体（6）的填筑材料为宽级配散粒堆石料；所述混凝土（7）的材料为水下自密实混凝土。

9.权利要求1-8任意一项所述海上风电单桩、支撑盘和小型吸力桶的复合基础结构的施工方法，其特征在于包括以下步骤：

step1：打入所述钢管桩（1）至目标深度；

step2：从钢管桩（1）顶部套入支撑盘（2）及小型吸力桶（3）整体结构，通过自身重力作用下，使小型吸力桶（3）底部靠近或触及海床的淤泥层（9）表面；

step3：通过吸力装置（8），使小型吸力桶（3）嵌入海床的持力层（10）至目标深度；

step4：灌浆使得支撑盘（2）内壁与钢管桩（1）外壁浇筑相连；

step5：向支撑盘（2）中抛填堆石（6）或灌入混凝土（7）。

10.权利要求1-8任意一项所述海上风电单桩、支撑盘和小型吸力桶的复合基础结构的施工方法，其特征在于包括以下步骤：

step1：通过吸力装置（8），沉入支撑盘（2）与小型吸力桶（3）整体结构，直至小型吸力桶（3）穿过海床的淤泥覆盖层（9）并嵌入到海床的持力层（10）；

step2：定位打桩位置，从支撑盘（2）中部打入钢管桩（1），直至打入到目标深度；

step3：对钢管桩（1）外壁与支撑盘（2）内壁进行水下灌浆连接；

step4：向支撑盘（2）中抛填堆石（6）或灌入混凝土（7）。

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