CN112878353A - 应用于海上风机桩桶复合基础的反滤装置及施工方法 - Google Patents

Abstract

应用于海上风机桩桶复合基础的反滤装置及施工方法，反滤装置包括桩体和双层桶体；双层桶体包括套装在桩体安装区的内桶体、设置在内桶体外部的外桶体、盖装在外桶体顶部桶口处的环形桶盖、连接内桶体和外桶体的肋板、以及反滤板；外桶体的内侧壁与内桶体的外侧壁之间具有间隙；内桶体和外桶体通过肋板固连在一起；肋板的表面设置第一锯齿状凸起；环形桶盖设有多个出水孔，每个出水孔对应连通一个灌浆腔；反滤板为由多块反滤板体拼成的圆环形反滤板；所述施工方法包括以下步骤：运输桩桶复合基础；自重沉贯；负压沉贯；注浆加固；桩体贯入。本发明的有益效果是：结构简单、施工便捷、安全可靠并能够应可避免因土塞现象导致负压贯入阻力增大。

Description

应用于海上风机桩桶复合基础的反滤装置及施工方法

技术领域

本发明属于海上风机桩桶复合基础安装工程技术领域，尤其涉及应用于海上风机桩桶复合基础的反滤装置及施工方法。

背景技术

近年来，随着社会的发展和科技的进步，能源问题也愈加突出。而风能作为一种可再生能源，以清洁环保的优点逐渐被世界各国广泛关注，其开发利用潜力巨大，并且是现阶段最廉价、开发利用技术最为成熟的一种新能源。并且我国海岸线曲折绵长，沿海地区风能资源丰富，因此海上风电场具有广阔的开发前景。

但是海洋环境恶劣，海上风机受到的水平荷载复杂多样。为了满足风机稳定、抗倾覆等性能要求，桩桶复合基础作为一种新型基础应运而生。

与其他传统海上风机基础相比，桩桶复合基础在施工时先对桶体进行施工，再打入桩体，最后对桩体和桶体之间的部分进行注浆操作，采用浆液填满桩体与桶体之间的空隙。其中，桶体首先依靠自重作用贯入海床一定深度，然后通过抽水泵把桶体内部的海水排出，以形成持续作用的负压而使其缓慢贯入到指定深度。但是在安装过程中，当负压超过最大允许负压后，会发生桶内土体的反向承载力破坏或砂土地基的液化失稳，产生过量土塞现象，从而严重影响基础的安装质量。因此，特别需要一种应用于海上风机桩桶复合基础的反滤装置，以解决现有施工过程中存在的问题。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是：提供一种结构简单、施工便捷、安全可靠并能够应用于海上风机桩桶复合基础的反滤装置及其安装方法，避免土塞现象导致负压贯入阻力增大，进而降低施工难度，缩短施工周期，达到提高桩桶复合基础安装质量的目的。

本发明所述的应用于海上风机桩桶复合基础的反滤装置，其特征在于：包括用于插入海床内的桩体和用于加固桩体的双层桶体，所述桩体为中空的圆柱体，在所述桩体的中部设有用于固定所述双层桶体的安装区，且桩体的桩端封闭；

所述双层桶体包括套装在所述桩体安装区的内桶体、设置在内桶体外部的外桶体、盖装在外桶体顶部桶口处的环形桶盖、连接内桶体和外桶体的肋板、以及至少一块用于过滤双层桶体内浆液的反滤板；

所述外桶体和所述内桶体均为上下敞开的圆桶结构；

所述外桶体同轴套设在所述内桶体外部，所述外桶体的内侧壁与所述内桶体的外侧壁之间具有间隙；所述间隙内设置多块沿双层桶体径向排布的肋板，所述内桶体和所述外桶体通过肋板固连在一起；所述肋板将所述间隙划分为多个用于形成负压的灌浆腔；

所述肋板为矩形板，所述肋板的表面设置若干第一锯齿状凸起，且第一锯齿状凸起在肋板上沿着肋板宽度方向排列成行，在肋板上沿肋板长度方向排列成列；同列上、下相邻两所述第一锯齿状凸起之间留有供反滤板竖向活动的活动区间；

所述环形桶盖盖装在所述外桶体顶部桶口处，所述内桶的顶部超出所述圆环桶盖的部分布设用于与桩体固连的螺栓预留孔；所述环形桶盖设有多个出水孔，每个出水孔对应连通一个灌浆腔；

所述反滤板为由多块反滤板体拼成的圆环形反滤板，所述反滤板体的边缘卡在相邻两肋板之间对应的活动区间内，用于过滤灌浆腔内的浆液。

进一步，所述反滤板体包括金属外框及金属筛网，所述金属外框围设在所述金属筛网外边沿上，其外形与所述灌浆腔的截面形状一致。

进一步，所述内桶的外侧壁设有第二锯齿状凸起，且第二锯齿状凸起在内桶上沿着内桶周向排列成行，在内桶上沿内桶轴向上排列成列，同列上、下相邻两所述第二锯齿状凸起之间留有供反滤板竖向活动的活动区间。

进一步，所述第二锯齿状凸起的上沿超出所述内桶外侧壁的表面，并且所述第二锯齿状凸起的横截面为三角形。

进一步，所述第一锯齿状凸起的上沿超出所述肋板的表面，并且所述第一锯齿状凸起的横截面为三角形。

进一步，所述内桶超出所述环形桶盖地方部分与所述环形桶盖之间增设加劲肋，且相邻加劲肋之间设置一个出水孔。

进一步，所述金属筛网的筛网孔径按照以下公式选择：

D/d₈₅<4；

其中，D为金属筛网孔径，单位mm；d₈₅为被保护土粒径，单位mm，小于该粒径土重占总土重的85％。

利用本发明所述的应用于海上风机桩桶复合基础的反滤装置进行的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)运输桩桶复合基础：

将定制好的反滤板装在双层桶体中，并与桩体通过浮运的方式一同运至指定的施工位置；

(2)自重沉贯：

打开所有的出水孔作为排气通道，再将双层桶体吊至指定位置后沉入海底，使其在自重作用下进行下沉，直至自重无法使之继续贯入海床为止；

(3)负压沉贯：

将环形桶盖上的出水孔与抽水泵相连通，并开启抽水泵进行工作，使得双层桶体内部逐渐形成负压并达到设计负压值，让双层桶体依靠顶部内外压力差继续贯入海床中直至达到设计深度，即完成负压沉贯施工工作；

(4)注浆加固：

完成负压沉贯后，断开抽水泵与出水孔的连接，并将出水孔与注浆管进行连接，加压将浆液缓慢注入双层桶体，直至浆液将双层桶体内的空隙全部填满；

(5)桩体贯入：

完成双层桶体贯入工作后，将桩体吊装至指定施工位置，缓慢牵引桩体定位在内桶体上方后进行打桩作业，将桩体打入到设计深度，最后安装内桶体与桩体间的螺栓，即完成海洋风机桩桶基础的施工。

本发明具有以下有益效果：

1)本发明提出“反滤桶”概念，将反滤板与吸力桶结合，可以通过工厂预制而成，以减少不必要的施工步骤，节约时间及成本。并且反滤桶的存在能够有效避免桩桶复合基础安装过程中出现的土塞现象，提高基础安装质量。该方法不仅适用于桩桶复合基础的安装，也可推广至一般吸力桶基础的安装过程中；

2)相较于一般的吸力桶，本发明中桶体含有多块肋板，能够提高整个桩桶复合基础的稳定性和抗扭性能，进而增强桶体抵抗变形能力。此外，双层桶体内壁上同样存在着多处锯齿状凸起，待桶体泥浆固化并与海床形成整体后，能够为桶体提供一定程度的抗拔力；

3)本发明中反滤板主体结构采用金属外框，这使得反滤板的结构强度大，抵抗变形能力强。反滤板主要是由金属丝编织而成的筛网进行反滤工作，金属筛网能够去除和过滤不同类型的土颗粒，简单、高效、运行费用低廉。且反滤板整体厚度小，占用空间小，还可以根据不同环境的地质条件，相应选择单层或多层不同孔径的金属筛网。可有效保护海床内部土体渗流的稳定性，并抑制海床内部土体液化失稳造成土塞现象，最终影响桩桶复合基础的安装质量。

附图说明

图1为本发明的整体示意图。

图2为本发明的反滤桶的结构示意图。

图3为本发明的桶体俯视图。

图4为本发明的反滤板侧视图。

图5为本发明的反滤板在双层桶体中的局部示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明。

参照附图：

实施例1本发明所述的应用于海上风机桩桶复合基础的反滤装置，包括用于插入海床内的桩体1和用于加固桩体的双层桶体，所述桩体1为中空的圆柱体，在所述桩体1的中部设有用于固定所述双层桶体的安装区，且桩体1的桩端封闭；

所述双层桶体包括套装在所述桩体安装区的内桶体3、设置在内桶体外部的外桶体2、盖装在外桶体顶部桶口处的环形桶盖4、连接内桶体和外桶体的肋板8、以及至少一块用于过滤双层桶体内浆液的反滤板5；

所述外桶体2和所述内桶体3均为上下敞开的圆桶结构；

所述外桶体2同轴套设在所述内桶体3外部，所述外桶体2的内侧壁与所述内桶体3的外侧壁之间具有间隙；所述间隙内设置多块沿双层桶体径向排布的肋板，所述内桶体和所述外桶体通过肋板固连在一起；所述肋板将所述间隙划分为多个用于形成负压的灌浆腔；

所述肋板8为矩形板，所述肋板8的表面设置若干第一锯齿状凸起9，且第一锯齿状凸起9在肋板8上沿着肋板宽度方向排列成行，在肋板上沿肋板长度方向排列成列；同列上、下相邻两所述第一锯齿状凸起之间留有供反滤板竖向活动的活动区间；

所述环形桶盖4盖装在所述外桶体2顶部桶口处，所述内桶体3的顶部超出所述圆环桶盖的部分布设用于与桩体固连的螺栓预留孔，并通过螺栓10与桩体固连在一起；所述环形桶盖4设有多个出水孔6，每个出水孔6对应连通一个灌浆腔；

所述反滤板5为由多块反滤板体拼成的圆环形反滤板，所述反滤板体的边缘卡在相邻两肋板之间对应的活动区间内，用于过滤灌浆腔内的浆液。

进一步，所述反滤板体包括金属外框11及单层或多层金属筛网12，所述金属外框11围设在所述金属筛网12外边沿上，其外形与所述灌浆腔的截面形状一致。

进一步，所述内桶体3的外侧壁设有第二锯齿状凸起13，且第二锯齿状凸起13在内桶体3上沿着内桶体周向排列成行，在内桶体3上沿内桶体轴向上排列成列，同列上、下相邻两所述第二锯齿状凸起之间留有供反滤板竖向活动的活动区间。

进一步，所述第二锯齿状凸起13的上沿超出所述内桶体外侧壁的表面，并且所述第二锯齿状凸起的横截面为三角形。

进一步，所述第一锯齿状凸起9的上沿超出所述肋板8的表面，并且所述第一锯齿状凸起的横截面为三角形。

进一步，所述金属筛网12的筛网孔径按照以下公式选择：

D/d₈₅<4；

其中，D为金属筛网孔径，单位mm；d₈₅为被保护土粒径，单位mm，小于该粒径土重占总土重的85％。

实施例2本发明所述的应用于海上风机桩桶复合基础的反滤装置，包括桩体1和双层桶体；所述桩体1是中空的圆柱体，桩端用与桩体相同的材料密封，避免桩体底部发生土塞；桩体1的中部套设于内桶3中；

所述双层桶体套设在所述桩体1的中部，包括内桶体3、外桶体2、环形桶盖4、肋板8、加劲肋7和反滤板5；

所述外桶体2套设在所述内桶体3外部，并通过4块沿双层桶体径向设置的肋板8连接，并且所述外桶体2和所述内桶体3之间的间隙经肋板8划分出四个区灌浆腔；

所述内桶体3套设在所述桩体1中部的安装区，其半径略大于桩体1的半径；所述内桶体3超出所述环形桶盖4的部分设有螺栓预留孔，可在施工完成阶段，通过螺栓10连接在桩体1的安装区，加强内桶体3与桩体1的整体性；

所述环形桶盖4盖装在所述外桶体2顶部桶口处，所述内桶体3的顶部超出所述圆环桶盖4的部分布设用于与桩体1固连的螺栓预留孔；所述环形桶盖4设有4个出水孔，根据划分出的四个灌浆腔，在每个灌浆腔对应设置一个出水孔6，其作用为连通桶内空间与外部空间，在负压贯入过程中作为抽水泵工作时的抽水通道，使桶内空间达到设计负压值，在负压贯入完成后，其可作为注浆孔，将浆液高压注入桶体内，填满桶体内所有空隙；

所述肋板8为一沿双层桶体径向设置的竖直矩形板，用于连接环形桶盖和内桶体，可保证双层桶体局部稳定并传递集中力，提高整个桩桶复合基础的稳定性和抗扭性能，进而增强桶体抵抗变形能力；所述肋板8的表面设置若干第一锯齿状凸起9，且第一锯齿状凸起在肋板上沿着肋板宽度方向排列成行，在肋板上沿肋板长度方向排列成列；同列上、下相邻两所述第一锯齿状凸起之间留有供反滤板竖向活动的活动区间；

所述加劲肋7为三角形板体，通过焊接将内桶体3与环形桶盖4相连，用于加强环形桶盖4上方结构强度，并提高环形桶盖4、内桶体3的整体性；

所述反滤板5为由多块反滤板体拼成的圆环形反滤板，可以为一块或着几块；所述反滤板体包括金属外框11及金属筛网12，其金属筛网的筛网孔径应根据地质勘察报告，按照以下公式进行选择：

D/d₈₅<4；

其中：D为金属筛网孔径；d₈₅为被保护土粒径，小于该粒径土重占总土重的85％。反滤板整体具有一定的结构强度，主要起到滤土排水的作用。

所述第一锯齿状凸起9分布在肋板表面，所述第二锯齿状凸起13分布在内桶体外侧壁上，横截面均为三角形，同列的上、下相邻两个第一锯齿状凸起之间的距离、同列的上、下相邻两个所述第二锯齿状凸起之间的距离为反滤板的竖向活动区间，所述第一锯齿状凸起的上沿、所述第二锯齿状凸起的上沿分别超出肋板、内桶体外侧壁表面，倾斜角度应能为反滤板提供一定的阻力，保证在负压形成的过程中，使得反滤板不会仅在抽水形成负压过程中发生位移变化，而导致后续安装质量降低。

实施例3利用实施例1所述的应用于海上风机桩桶复合基础的反滤装置进行的施工方法，包括以下步骤：

(1)运输桩桶复合基础：

将定制好的反滤板5装在双层桶体中，并与桩体1通过浮运的方式一同运至指定的施工位置；

(2)自重沉贯：

打开所有的出水孔6作为排气通道，再将双层桶体吊至指定位置后沉入海底，使其在自重作用下进行下沉，直至自重无法使之继续贯入海床为止；

(3)负压沉贯：

将环形桶盖4上的出水孔6与抽水泵相连通，并开启抽水泵进行工作，使得双层桶体内部逐渐形成负压并达到设计负压值，让双层桶体依靠顶部内外压力差继续贯入海床中直至达到设计深度，即完成负压沉贯施工工作；

(4)注浆加固：

完成负压沉贯后，断开抽水泵与出水孔6的连接，并将出水孔6与注浆管进行连接，加压将浆液缓慢注入双层桶体，直至浆液将双层桶体内的空隙全部填满；

(5)桩体贯入：

完成双层桶体贯入工作后，将桩体1吊装至指定施工位置，缓慢牵引桩体1定位在内桶体3上方后进行打桩作业，将桩体1打入到设计深度，最后安装内桶体3与桩体1间的螺栓10，即完成海洋风机桩桶基础的施工。

本发明在桶体底部设置反滤板5后，在桶体内部负压所引起的渗流作用下，海床表面紧靠反滤板5的土颗粒被渗流水搬运至反滤板5附近。在负压沉贯前期，由于反滤板5附近被淤堵的细土颗粒少，其对基础负压安装的影响较小。此时在桶体内部负压作用下而形成的渗流场在一定程度上减小了基础沉贯阻力。在负压沉贯后期，随着细土颗粒在反滤板5附近不断淤堵后，其渗透性会不断降低，在内外水头差不变的情况下，渗透系数降低的反滤板5承担了绝大部分水头损失，使土体与外界部分的水头损失大大减低，有效调节了渗流水的量。此时被淤堵的反滤板5类似于一个不透水层，有效阻断了内部负压往土体深部的传递，保证内部土体自身的稳定性。此外，在负压作用下，不断下降的桶体，使得反滤板5可沿着桶体内壁的第一锯齿状凸起9、第二锯齿状凸起13不断相对向上运动，有效保护了内部土体的渗流稳定性，抑制了桶体内部土体液化失稳造成土塞过高的现象，从而提高了桩桶复合基础的最终安装质量。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (8)

1.应用于海上风机桩桶复合基础的反滤装置，其特征在于：包括用于插入海床内的桩体和用于加固桩体的双层桶体，所述桩体为中空的圆柱体，在所述桩体的中部设有用于固定所述双层桶体的安装区，且桩体的桩端封闭；

所述双层桶体包括套装在所述桩体安装区的内桶体、设置在内桶体外部的外桶体、盖装在外桶体顶部桶口处的环形桶盖、连接内桶体和外桶体的肋板、以及用于过滤双层桶体内浆液的反滤板；

所述外桶体和所述内桶体均为上下敞开的圆桶结构；

所述外桶体同轴套设在所述内桶体外部，所述外桶体的内侧壁与所述内桶体的外侧壁之间具有间隙；所述间隙内设置多块沿双层桶体径向排布的肋板，所述内桶体和所述外桶体通过肋板固连在一起；所述肋板将所述间隙划分为多个用于形成负压的灌浆腔；

所述肋板为矩形板，所述肋板的表面设置若干第一锯齿状凸起，且第一锯齿状凸起在肋板上沿着肋板宽度方向排列成行，在肋板上沿肋板长度方向排列成列；同列上、下相邻两所述第一锯齿状凸起之间留有供反滤板竖向活动的活动区间；

所述环形桶盖盖装在所述外桶体顶部桶口处，所述内桶的顶部超出所述圆环桶盖的部分布设用于与桩体固连的螺栓预留孔；所述环形桶盖设有多个出水孔，每个出水孔对应连通一个灌浆腔；

所述反滤板为由多块反滤板体拼成的圆环形反滤板，所述反滤板体的边缘卡在相邻两肋板之间对应的活动区间内，用于过滤灌浆腔内的浆液。

2.如权利要求1所述的应用于海上风机桩桶复合基础的反滤装置，其特征在于：所述反滤板体包括金属外框及金属筛网，所述金属外框围设在所述金属筛网外边沿上，其外形与所述灌浆腔的截面形状一致。

3.如权利要求2所述的应用于海上风机桩桶复合基础的反滤装置，其特征在于：所述内桶的外侧壁设有第二锯齿状凸起，且第二锯齿状凸起在内桶上沿着内桶周向排列成行，在内桶上沿内桶轴向上排列成列，同列上、下相邻两所述第二锯齿状凸起之间留有供反滤板竖向活动的活动区间。

4.如权利要求3所述的应用于海上风机桩桶复合基础的反滤装置，其特征在于：所述第二锯齿状凸起的上沿超出所述内桶外侧壁的表面，并且所述第二锯齿状凸起的横截面为三角形。

5.如权利要求1所述的应用于海上风机桩桶复合基础的反滤装置，其特征在于：所述第一锯齿状凸起的上沿超出所述肋板的表面，并且所述第一锯齿状凸起的横截面为三角形。

6.如权利要求1所述的应用于海上风机桩桶复合基础的反滤装置，其特征在于：所述内桶超出所述环形桶盖地方部分与所述环形桶盖之间增设加劲肋，且相邻加劲肋之间设置一个出水孔。

7.如权利要求2所述的应用于海上风机桩桶复合基础的反滤装置，其特征在于：所述金属筛网的筛网孔径按照以下公式选择：

D/d₈₅<4；

其中，D为金属筛网孔径，单位mm；d₈₅为被保护土粒径，单位mm，小于该粒径土重占总土重的85％。

8.利用权利要求7所述的应用于海上风机桩桶复合基础的反滤装置进行的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)运输桩桶复合基础：

将定制好的反滤板装在双层桶体中，并与桩体通过浮运的方式一同运至指定的施工位置；

(2)自重沉贯：

打开所有的出水孔作为排气通道，再将双层桶体吊至指定位置后沉入海底，使其在自重作用下进行下沉，直至自重无法使之继续贯入海床为止；

(3)负压沉贯：

将环形桶盖上的出水孔与抽水泵相连通，并开启抽水泵进行工作，使得双层桶体内部逐渐形成负压并达到设计负压值，让双层桶体依靠顶部内外压力差继续贯入海床中直至达到设计深度，即完成负压沉贯施工工作；

(4)注浆加固：

完成负压沉贯后，断开抽水泵与出水孔的连接，并将出水孔与注浆管进行连接，加压将浆液缓慢注入双层桶体，直至浆液将双层桶体内的空隙全部填满；

(5)桩体贯入：

完成双层桶体贯入工作后，将桩体吊装至指定施工位置，缓慢牵引桩体定位在内桶体上方后进行打桩作业，将桩体打入到设计深度，最后安装内桶体与桩体间的螺栓，即完成海洋风机桩桶基础的施工。

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