CN112942407B - 海上风电单桩-摩擦翼复合基础及其施工方法 - Google Patents

Abstract

一种海上风电单桩‑摩擦翼复合基础及其施工方法，它包括单桩和摩擦翼，摩擦翼通过传力管连接于单桩，单桩的锥形过渡段深入海床持力层，位于持力层内的摩擦翼的传力管与单桩的锥形过渡段紧密接触，摩擦翼的侧翼连接于传力管外壁，环翼布置于侧翼夹角内部。本发明摩擦翼在轴向上为贯通结构，便于穿过海床淤泥层嵌入持力层；侧翼、环翼和传力管相互支撑，利于保持摩擦翼的结构稳性，土体在侧翼和环翼之间产生土拱效应，显著提高土体抗力，摩擦翼增加了结构与土体相互作用面积，提高单桩‑摩擦翼复合基础承载能力。

Description

海上风电单桩-摩擦翼复合基础及其施工方法

技术领域

本发明属于海上风电基础及施工技术领域，涉及一种海上风电单桩-摩擦翼复合基础及其施工方法。

背景技术

国内海上风电基础结构以单桩基础、导管架基础、高桩承台基础、筒式基础为主。单桩基础为6~10m钢管桩，具有结构受力清晰、制作和施工工艺简单、施工周期短等优点，是水深30m以内海上风电场最常用的基础型式，在全球已建海上风电场的基础型式中占比超过80%。但是，对于福建、广东海域，部分机位点粘土和砂土覆盖层相对较浅，常规的单桩基础锚固深度往往无法满足水平承载力的要求。国内外企业和科研单位提出了多种单桩复合基础以提高单桩基础承载力，尤其是水平承载力，例如单桩和翼板复合基础结构（申请号：201020696951.4、202010832220.6）、单桩-翼板-堆石体复合基础（申请号：201922299487.9）、加强复合式单桩基础（申请号：201921099318.4）、单桩和摩擦环复合基础结构（申请号：202011077473.3）、单桩和筒体复合基础（申请号：201710374499.6）等。然而，对于海床覆盖层上方为较厚淤泥层的海上风电场，单桩和堆石体复合基础中的堆石体、单桩和筒体复合基础中的筒体难以穿过淤泥层位于/嵌入持力层，有效发挥其支撑作用，单桩和摩擦环复合基础虽然可以穿过淤泥层，仅通过支撑翼板与摩擦环提供的摩擦力和支挡力增加复合基础的承载能力，但摩擦环仅依靠结构壁面与周围土体之间的摩擦力和被动土抗力，且单桩和摩擦环需要一体制作、运输、施工，施工难度较大；对于深远海风电场，风、波浪、海流等外部荷载更大，单桩和翼板复合基础中翼板结构易发生弯曲、扭曲，甚至屈曲，无法实现提高单桩基础水平承载力的目的。因此，迫切需要一切新型的海上风电单桩复合基础，其既能适用于浅覆盖层海床，又能适用于上覆为较厚淤泥层的海床，且具有更高效的桩土相互作用，同时制作、运输和施工工艺简单。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种海上风电单桩-摩擦翼复合基础及其施工方法，采用单桩与摩擦翼组合结构，结构简单，便于制造、运输和安装；单桩的锥形过渡段深入海床持力层，位于持力层内的摩擦翼的传力管与单桩的锥形过渡段紧密接触，实现单桩与摩擦翼的连接；摩擦翼轴向上为贯通结构，便于嵌入海床持力层，摩擦翼的侧翼和环翼结构形式增大了复合基础与土体相互作用面积，提高单桩-摩擦翼复合基础的水平和轴向承载能力；同时，摩擦翼外部的侧翼和环翼结构形式充分利用土拱效应，有效提高单桩-摩擦翼复合基础的水平承载能力。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种海上风电单桩-摩擦翼复合基础，它包括单桩和摩擦翼；所述摩擦翼2通过传力管21连接于单桩1，摩擦翼的侧翼呈放射状与传力管外壁连接，环翼位于传力管外与侧翼连接；侧翼与环翼内壁、传力管外壁形成轴向贯通结构。

所述单桩的下端设置锥形过渡段，锥形过渡段的上缘外径小于传力管内径，下缘外径大于传力管内径，摩擦翼通过传力管连接于锥形过渡段。

所述侧翼为平板，远离传力管的一侧外缘和上缘优选为“V”形结构。

所述环翼由呈同心圆分布的多个弧形结构的弧板构成，相邻两个弧板交错布置或同心圆布设，弧板上缘优选为“V”形结构。

所述环翼为竖直侧板，竖直侧板与侧翼连接形成多边形结构的环翼。

所述多边形结构的环翼为多层结构，皆与传力管同心。

如上所述的海上风电单桩-摩擦翼复合基础的施工方法，它包括如下步骤：

S1，打桩，采用沉桩设备将单桩打入海床设计锚固深度，单桩的锥形过渡段深入海床的持力层中；

S2，采用起吊设备提升摩擦翼，从单桩上端缓慢释放，使传力管与单桩上端配合后，再缓慢释放摩擦翼；当摩擦翼穿过淤泥层后，解除摩擦翼与起吊设备的连接；

S3，采用起吊设备提升传力装置，从单桩上端缓慢释放，当传力装置与摩擦翼接触后，解除传力装置与起吊设备的连接；

S4，沉桩设备利用传力装置将摩擦翼打入海床的持力层直至设计嵌入深度；此时，传力管的内壁与单桩的锥形过渡段下部紧密接触；

S5，采用灌浆设备将浆液填充于传力管内壁与锥形过渡段外壁之间的空隙内，形成固定连接。

在优选的方案中，单桩的下端设置锥形过渡段，锥形过渡段的上缘外径小于传力管内径，下缘外径大于传力管内径。摩擦翼的传力管位于单桩下端的锥形过渡段处，传力管内壁与单桩外壁紧密接触，提高整体的稳定性和结构强度。

在优选的方案中，侧翼为平板，远离传力管的一侧外缘和上缘采用“V”形结构，“V”形结构从侧翼上缘向下逐步减小，有利于将摩擦翼打入海床持力层，减小阻力。

在优选的方案中，所述环翼为呈同心圆分布的多个弧形结构的弧板，每两个弧板交错布置或同心圆布设，弧板上缘优选为“V”形结构，“V”形结构从侧翼上缘向下逐步减小，有利于将摩擦翼打入海床持力层，减小阻力；所述侧翼与夹角内的环翼在荷载作用下形成土压力拱，充分调动周围土体水平抗力；通过数值仿真得出，在利用“土拱效应”后，单桩-摩擦翼复合基础水平承载力能够提高5%-10%。

在优选的方案中，所述侧翼为竖直侧板或框架结构，板结构有利于降低摩擦翼的应力集中，框架结构有利于降低摩擦翼安装时的阻力。

在优选的方案中，所述侧翼内部包括多层同心圆环翼，进一步提高摩擦翼的整体结构稳定性。

本发明具有的优点和积极效果：

1、相较于单桩和翼板复合基础、单桩和摩擦环复合基础，本发明的单桩-摩擦翼复合基础与持力层土体的相互作用面积更大，同时利用侧翼的外部和环翼形成的类梯形结构，有利于摩擦翼形成“土压力拱”，进一步提高土体水平抗力，有效增强了单桩-摩擦翼复合基础的水平承载能力和轴向承载能力。

2、相较于单桩和摩擦环复合基础，环翼位于两块侧翼夹角内，相邻的环翼交错布置，单桩-摩擦翼复合基础用钢量显著减少，有效降低成本。

3、相较于单桩和翼板复合基础，环翼位于两块侧翼夹角内，为侧翼提供了环向支撑，有效降低侧翼在土压力作用下的屈服、弯曲和扭曲变形。

4、相较于单桩和筒型复合基础，本发明所采用的摩擦翼在垂直方向上为贯通结构，便于穿过淤泥层嵌入海床持力层，有效降低摩擦翼在垂直方向上的结构尺寸，提高单桩-摩擦翼复合基础对海床地基的适用性。

5、单桩和摩擦翼在组装前为独立的结构部件，有效降低制作和运输难度，同时利用成熟的单桩施工工艺进行分步式施工，施工简单。

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为本发明的结构示意图。

图2为本发明摩擦翼的结构示意图。

图3为图2的俯视示意图。

图4为本发明摩擦翼的另一种结构示意图。

图5为图4的俯视示意图。

图6为本发明摩擦翼的另一种结构示意图。

图7为本发明使用状态图。

图8为图7的A处放大示意图。

图中：单桩1，锥形过渡段11，摩擦翼2，传力管21，侧翼22，环翼23，传力装置3，土压力拱4。

具体实施方式

如图1-图8中，一种海上风电单桩-摩擦翼复合基础，它包括单桩1和摩擦翼2；所述摩擦翼2通过传力管21连接于单桩1，摩擦翼2的侧翼22呈放射状与传力管21外壁连接，环翼23位于传力管21外与侧翼22连接；侧翼22、环翼23内侧与传力管21外壁之间形成轴向贯通结构。单桩1的锥形过渡段11深入海床持力层，位于持力层内的摩擦翼2的传力管21与单桩1的锥形过渡段11紧密接触，摩擦翼2轴向上为贯通结构，便于嵌入海床持力层，摩擦翼2的侧翼22和环翼23的结构形式增大了复合基础与土体相互作用面积，同时摩擦翼2外部的侧翼22和环翼23的结构形式充分利用土拱效应，有效提高单桩-摩擦翼复合基础的水平和轴向承载能力。

本发明中的摩擦翼2为轴向贯通结构，通过侧翼22和环翼23与持力层在水平方向上产生的土体抗力，以及在垂直方向上产生的摩擦阻力，提高单桩-摩擦翼复合基础的水平承载力、抗倾覆力矩和轴向承载力，摩擦翼利用“土拱效应”进一步提高单桩-摩擦环复合基础的水平承载能力和轴向承载能力，减小单桩1锚固深度，以使其适用于浅覆盖层海床；摩擦翼2在轴向上为贯通结构，便于穿过淤泥层嵌入至持力层，以使其适用于上覆土体为较厚淤泥层的海床。侧翼22和环翼23在结构上相互支撑，以保证摩擦翼2的结构稳性。

具体的，单桩1的下端设置锥形过渡段11，锥形过渡段11的上缘外径小于传力管21内径，下缘外径大于传力管21内径，保证传力管21与单桩1的紧密接触，摩擦翼2通过传力管21连接于锥形过渡段11。

具体的，所述侧翼22为平板，远离传力管21的一侧外缘和上缘优选为“V”形结构。

具体的，所述环翼23为呈同心圆分布的多个弧形结构的弧板，相邻两个弧板交错布置或同心圆布设，弧板上缘优选为“V”形结构。

具体的，所述环翼23为竖直侧板，竖直侧板与侧翼22连接形成多边形结构的环翼23。

具体的，所述多边形结构的环翼23为多层结构，皆与传力管21同心。最内侧环翼23与传力管21的距离大于荷载作用下传力管21的被动土压力范围，以利于单桩1和传力管21充分调动桩周土体抗力。

具体的，所述传力管21预先焊接于单桩1外壁，摩擦翼2与单桩1采用整体施工。

如上所述的海上风电单桩-摩擦翼复合基础的施工方法，它包括如下步骤：

S1，打桩，采用沉桩设备将单桩1打入海床设计锚固深度，单桩1的锥形过渡段11深入海床的持力层中；

S2，采用起吊设备提升摩擦翼2，从单桩1上端缓慢释放，使传力管21与单桩1上端配合后，再缓慢释放摩擦翼2；当摩擦翼2穿过淤泥层后，解除摩擦翼2与起吊设备的连接；

S3，采用起吊设备提升传力装置3，从单桩1上端缓慢释放，当辅助管32与摩擦翼2接触后，解除传力装置3与起吊设备的连接；

S4，沉桩设备利用传力装置3将摩擦翼2打入海床的持力层直至设计嵌入深度；此时，传力管21的内壁与单桩1的锥形过渡段11紧密接触；

S5，采用灌浆设备将浆液填充于传力管21内壁与锥形过渡段11外壁之间的空隙内，形成固定连接。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种海上风电单桩-摩擦翼复合基础，其特征是：它包括单桩（1）和摩擦翼（2）；所述摩擦翼（2）通过传力管（21）连接于单桩（1），摩擦翼（2）的侧翼（22）呈放射状与传力管（21）外壁连接，环翼（23）位于传力管（21）外与侧翼（22）连接；侧翼（22）、环翼（23）内壁与传力管（21）外壁之间形成轴向贯通结构；

所述环翼（23）由呈同心圆分布的多个弧板构成，相邻两个弧板交错布置，弧板上缘为“V”形结构；

所述单桩（1）的下端设置锥形过渡段（11），锥形过渡段（11）的上缘外径小于传力管（21）内径，下缘外径大于传力管（21）内径，摩擦翼（2）通过传力管（21）连接于锥形过渡段（11）；传力管（21）内壁与锥形过渡段（11）外壁之间的空隙内填充浆液；

所述侧翼（22）为平板，远离传力管（21）的一侧外缘和上缘为“V”形结构。

2.根据权利要求1所述的海上风电单桩-摩擦翼复合基础的施工方法，其特征是，它包括如下步骤：

S1，打桩，采用沉桩设备将单桩（1）打入海床设计锚固深度，单桩（1）的锥形过渡段（11）深入海床的持力层中；

S2，采用起吊设备提升摩擦翼（2），从单桩（1）上端缓慢释放，使传力管（21）与单桩（1）上端配合后，再缓慢释放摩擦翼（2）；当摩擦翼（2）穿过淤泥层后，解除摩擦翼（2）与起吊设备的连接；

S3，采用起吊设备提升传力装置（3），从单桩（1）上端缓慢释放，当传力装置（3）与摩擦翼（2）接触后，解除传力装置（3）与起吊设备的连接；

S4，沉桩设备利用传力装置（3）将摩擦翼（2）打入海床的持力层直至设计嵌入深度；此时，传力管（21）的内壁与单桩（1）的锥形过渡段（11）下部紧密接触；

S5，采用灌浆设备将浆液填充于传力管（21）内壁与锥形过渡段（11）外壁之间的空隙内，形成固定连接。

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