CN114197512B - 一种适于用浅覆盖土层的海上风电复合式双桩基础及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适于用浅覆盖土层的海上风电复合式双桩基础及其施工方法，它包括内桩基础、外桩基础、桩周堆载重物、螺旋锚桩和锚索；所述内桩基础为空心钢管桩，桩端贯入持力层，内桩基础与外桩基础呈同心布置；所述外桩基础为侧壁带排水孔的圆形管桩，由带孔洞的钢板卷制焊接而成，外桩基础桩顶高出泥面；所述螺旋锚桩为桩顶带链接预埋件的钢制螺旋桩；所述锚索一端与风机钢制预埋件链接，另一端与螺旋锚桩链接，锚索安装完毕后应预先施加一定的张力。本桩基可以解决在浅覆盖层地条件下海上风电单桩基础水平承载力不足的问题。

Description

一种适于用浅覆盖土层的海上风电复合式双桩基础及其施工 方法

技术领域

本发明涉及海上风电基桩础领域，具体涉及一种适于用浅覆盖土层的海上风电复合式双桩基础及其施工方法。

背景技术

为应对气候变化减少环境污染，相比于陆地风资源，海上风速更大且稳定。

目前海上风电开发集中在近海区，以固定式基础为主，其中单桩基础因具有造价较低，施工简单，技术成熟等优势而被广泛使用。随着海上风电向中远海发展，单桩基础设计与施工也面临着诸多挑战。如在中远海域桩基础自由段承受更高的波流荷载，必须增大桩基直径以满足上部结构严苛的变形要求。其次是海上风机单机装机容量更大。例如2020年7月我国首台10MW海上风电机组在福清兴化湾并网发电，该机组轮毂中心高度距海平面约115米，风机叶轮直径185米，扫风面积相当于3.7个标准足球场，具有自重大，倾覆力矩高的特点，客观上需要直径更大的单桩基础满足承载力需要。再次，我国福建广东沿海是我国海风资源最丰富的区域，但大部分地区覆盖层较薄，且上部广泛分布深厚软土层，极大的削弱了单桩基础的水平承载力，某些区域10MW+级风机的单桩基础设计直径必须达到10m以上。虽然超大直径单桩可以满足工程需求，但需要特殊沉桩、监测和检测设备，施工难度极高，成桩质量难以保障。同时，超大直径单桩增加了海上风电单位千瓦成本，与海电平价上网的趋势向左。

目前，学术界和工业界为减小桩基设计直径，提高水平承载力开展了广泛的研究并取得了一定的成果，如摩擦盘单桩基础、裙桩单桩基础、导管架基础、斜群桩基础等，但也存在着一些不足。摩擦盘单桩基础与裙桩单桩基础类似，可归类为带侧向支撑的单桩基础，其侧向支撑与桩刚性连接，位置固定，不适用于按照贯入度控制施工的情况，当持力层高程起伏较大时成桩质量难以保证。导管架基础虽然具有较高的水平抗力，但与桩基础相比造价较高。斜群桩基础水平承载力高且造价较低，但施工周期长，不适用于施工窗口期较短的海上工程。因此，迫切需要开发一种新型海上风电复合式风电基础，使其能够适用于浅覆盖层地质条件，承受高水平荷载作用的海上风电工程。同时结构简单，施工难度小，单桩直径不至过大以达到缩短施工工期，降低造价的目的。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术不足，提供一种适于用浅覆盖土层的海上风电复合式双桩基础及其施工方法，此桩基基础是一种可以增强桩周土体抗剪强度，扩大土体应力传递范围的复合式双桩基础。本桩基可以解决在浅覆盖层地条件下海上风电单桩基础水平承载力不足的问题，同时减小桩基设计直径，节省材料，达到降低造价的目的。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种适于用浅覆盖土层的海上风电复合式双桩基础，它包括内桩基础、外桩基础、桩周堆载重物、螺旋锚桩和锚索；

所述内桩基础为空心钢管桩，桩端贯入持力层，内桩基础与外桩基础呈同心布置，并位于螺旋锚桩所构成平面的几何中心；

所述外桩基础为侧壁带排水孔的圆形管桩，由带孔洞的钢板卷制焊接而成，外桩基础桩顶高出泥面，其出泥面高程由桩周堆载重物的堆载高度确定；

所述螺旋锚桩为桩顶带链接预埋件的钢制螺旋桩；

所述锚索一端与风机钢制预埋件链接，另一端与螺旋锚桩链接，锚索安装完毕后应预先施加一定的张力。

所述内桩基础必须满足竖向承载力的设计要求，其直径需综合考虑桩周由桩周土体刚度、抗剪强度、竖向设计荷载、水平荷载、外桩基础直径、堆载、施工难度共同确定。

所述外桩基础的直径必须综合考虑内桩基础水平承载能力、桩周上部土体刚度、抗剪强度和施工难度共同确定；外桩基础入土深度不超过内桩基础泥面以下长度的1/4，且能保证外桩基础在工作状态下不发生沉降。

所述外桩基础泥面以下部分侧面应满布排水孔；排水孔孔径应满足桩周土体慢速剪切状态下的排水需要，并保证土体不通过排水孔被大量挤出。

所述桩周堆载重物为形状规则的大石块或预制混凝土块，堆载在内桩基础和外桩基础之间，单个桩周堆载重物的体积自泥面至堆载高程逐渐减小。

所述桩周堆载重物与桩基之间留有距离，不小于内桩基础入土深度的5‰。

所述螺旋锚桩能承受风机在工作状态下锚索传递的循环倾斜上拔荷载。

适于用浅覆盖土层的海上风电复合式双桩基础的施工方法，包含如下几个步骤：

步骤一：外桩基础的施工，采用现有的大直径桩基设备进行外桩基础的施工，将外桩基础打入预定高程并严格控制倾斜度；

步骤二：内桩基础的施工，使用测量设备定位外桩基础中心，在中心处贯入内桩基础，用高程或贯入度法确定内桩基础的施工质量并严格控制倾斜度，试桩数量不少于总内桩基础数量的1%，且不应少于2根；

步骤三：桩周堆载重物的施工，先堆载远离桩基的位置，后堆载临近桩基的位置，将用于堆载的重物运输至预定点位，采用带抓斗的驳船对称的循环的将其抛入水中；在堆载临近桩基的位置时采用管道抛石，保证桩周堆载的平整度，确保抛石与桩之间的间隙符合设计要求；

步骤四：限位结构施工，采用扭力打桩机将螺旋锚桩贯入到设计位置，选取不少于总桩数1%，且不应少于2根的螺旋锚桩开展循环倾斜上拔荷载的试桩，将锚索一端与螺旋锚桩链接牢固，另一端与风机钢制预埋件链接牢固。

本发明有如下有益效果：

1、该发明可以解决在浅覆盖层地条件下海上风电单桩基础水平承载力不足的问题，同时减小桩基设计直径，节省材料，达到降低造价的目的。

2、本发明提出了一种适于用浅覆盖土层的海上风电复合式双桩基础及其施工方法，通过堆载增加桩周土体抗剪强度，通过外桩基础增大土中应力扩散范围，通过限位结构限制风机水平位移，减小内桩基础承受的倾覆力矩。

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45°视角整体示意图。

图2是本发明正立视角结构布置示意图。

图3是本发明俯视角度结构布置示意图。

图4是本发明桩周单元体应力和极限土抗力Pu改变示意图。

图中：内桩基础1、外桩基础2、桩周堆载重物3、螺旋锚桩41、锚索42。

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：

参考图1和图2，一种适于用浅覆盖土层的海上风电复合式双桩基础，包括内桩基础1、外桩基础2、桩周堆载重物3、螺旋锚桩41和锚索42。所述内装基础1和外桩基础2为空心钢管桩，成同心布置。所述桩周堆载重物3为形状规则的大石块或预制混凝土块。所述螺旋锚桩41为钢制螺旋桩。

参考图3，锚索42一端与螺旋锚桩链接，另一端与风机钢制预埋件链接。风机在螺旋锚桩所组成平面的几何中心。外桩基础2在承受内桩基础传递的水平荷载时可扩大土体内的应力传播范围。

参考图4，桩周堆载重物3为泥面土体提供了上覆压力，在外桩基础的共同作用下，泥面处土体由二维压缩变为三维压缩受力，提高了抗剪强度，增加了极限土抗力Pu。

具体的，内桩基础1为空心钢管桩，桩端入持力层，其竖向承载能力满足工程设计需要。外桩基础2为侧面带由原型排水孔的大直径钢管桩，可在钢板上打孔后卷制焊接而成。

可以理解的是，当内桩基础1受到水平荷载后，桩周土体产生应力并沿着内桩基础1的位移方向向外桩基础传播。当外桩基础2再次向外传播应力时，由于外桩基础2直径较大，应力扩散角度将增加，可调动更大范围的土体参与抵抗水平荷载。在长周期循环荷载的作用下，桩周土体为排水剪切状态，因此外桩基础2的排水孔需满足排水要求且不至挤出大量土体导致桩间土流失。试验发现，水平荷载主要由桩基础上部承担，且外桩基础2不受竖向荷载作用，因此其入土长度不必超过内桩基础泥面以下长度的1/4，不必深入持力层，只满足在自重下不发生沉降即可。内桩基础1、外桩基础和桩间土体共同承担结构的水平荷载，因此内桩基础直径由桩周土体刚度、抗剪强度、竖向设计荷载、水平荷载、外桩基础直径、堆载、施工难度共同决定。

具体的，桩周堆载重物3可为形状规则的大石块或预制混凝土块，堆载在内、外桩基础之间。单个重物体积自泥面向上逐渐增大，并在水平方向上与内、外桩留有一定的间隙。

可以理解的是，桩周堆载重物3将为泥面处土体提供竖向附加应力，使土单元体由二维压缩状态变为三维压缩状态，提高其抗剪能力，增大极限土抗力Pu。同时，堆载还可减小冲刷作用，防止桩周土流失。单个重物体积自泥面向上逐渐增大，在保证泥面处土体受力均匀的同时还可减小抛石工作量。水平方向上与桩基留有间隙可以避免桩基与堆载物发生碰撞。

具体的，限位装置包括螺旋锚桩和锚索。锚桩能承受锚索传递来的循环倾斜上拔荷载，锚索安装完成后应预先施加一定的张力。

可以理解的是，在工作状态下海上风机将产生循环位移，因此应保证螺旋锚桩在倾斜上拔的循环加-卸载作用下累积位移和刚度变化在允许范围内。

实施例2：

在本发明的另一方面，提出了一种适于用浅覆盖土层的海上风电复合式双桩基础的施工方法。根据本发明的实施例，参考图2，该施工方法主要包括以下步骤：

步骤一：外桩基础2的施工，采用现有的大直径桩基设备进行外桩基础2的施工，将外桩基础2打入预定高程并严格控制倾斜度；

步骤二：内桩基础1的施工，使用测量设备定位外桩基础2中心，在中心处贯入内桩基础1，用高程或贯入度法确定内桩基础1的施工质量并严格控制倾斜度，试桩数量不少于总内桩基础1数量的1%，且不应少于2根；

步骤三：桩周堆载重物3的施工，先堆载远离桩基的位置，后堆载临近桩基的位置，将用于堆载的重物运输至预定点位，采用带抓斗的驳船对称的循环的将其抛入水中；在堆载临近桩基的位置时采用管道抛石，保证桩周堆载的平整度，确保抛石与桩之间的间隙符合设计要求；

步骤四：限位结构施工，采用扭力打桩机将螺旋锚桩41贯入到设计位置，选取不少于总桩数1%，且不应少于2根的螺旋锚桩41开展循环倾斜上拔荷载的试桩，将锚索42一端与螺旋锚桩41链接牢固，另一端与风机钢制预埋件链接牢固。

需要说明的是，一种适于用浅覆盖土层的海上风电复合式双桩基础一般先进行外桩基施工，之后进行内桩基础施工。当内桩基设计直径较小时，打桩过程中土塞效应将挤密桩周土，增加土抗力。

Claims (5)

1.一种适于用浅覆盖土层的海上风电复合式双桩基础，其特征在于：它包括内桩基础（1）、外桩基础（2）、桩周堆载重物（3）、螺旋锚桩（41）和锚索（42）；

所述内桩基础（1）为空心钢管桩，桩端贯入持力层，内桩基础（1）与外桩基础（2）呈同心布置，并位于螺旋锚桩（41）所构成平面的几何中心；

所述外桩基础（2）为侧壁带排水孔的圆形管桩，由带孔洞的钢板卷制焊接而成，外桩基础（2）桩顶高出泥面，其出泥面高程由桩周堆载重物（3）的堆载高度确定；

所述螺旋锚桩（41）为桩顶带链接预埋件的钢制螺旋桩；

所述锚索（42）一端与风机钢制预埋件链接，另一端与螺旋锚桩（41）链接，锚索（42）安装完毕后应预先施加一定的张力；

所述内桩基础（1）必须满足竖向承载力的设计要求，其直径需综合考虑桩周由桩周土体刚度、抗剪强度、竖向设计荷载、水平荷载、外桩基础（2）直径、堆载、施工难度共同确定；

所述外桩基础（2）的直径必须综合考虑内桩基础（1）水平承载能力、桩周上部土体刚度、抗剪强度和施工难度共同确定；外桩基础（2）入土深度不超过内桩基础泥面以下长度的1/4，且能保证外桩基础（2）在工作状态下不发生沉降；

所述桩周堆载重物（3）为形状规则的大石块或预制混凝土块，堆载在内桩基础（1）和外桩基础（2）之间，单个桩周堆载重物（3）的体积自泥面至堆载高程逐渐减小。

2.根据权利要求1所述一种适于用浅覆盖土层的海上风电复合式双桩基础，其特征在于：所述外桩基础（2）泥面以下部分侧面应满布排水孔；排水孔孔径应满足桩周土体慢速剪切状态下的排水需要，并保证土体不通过排水孔被大量挤出。

3.根据权利要求1所述一种适于用浅覆盖土层的海上风电复合式双桩基础，其特征在于：所述桩周堆载重物（3）与桩基之间留有距离，不小于内桩基础（1）入土深度的5‰。

4.根据权利要求1所述一种适于用浅覆盖土层的海上风电复合式双桩基础，其特征在于：所述螺旋锚桩（41）能承受风机在工作状态下锚索（42）传递的循环倾斜上拔荷载。

5.权利要求1-4任意一项所述适于用浅覆盖土层的海上风电复合式双桩基础的施工方法，其特征在于，包含如下几个步骤：

步骤一：外桩基础（2）的施工，采用现有的大直径桩基设备进行外桩基础（2）的施工，将外桩基础（2）打入预定高程并严格控制倾斜度；

步骤二：内桩基础（1）的施工，使用测量设备定位外桩基础（2）中心，在中心处贯入内桩基础（1），用高程或贯入度法确定内桩基础（1）的施工质量并严格控制倾斜度，试桩数量不少于总内桩基础（1）数量的1%，且不应少于2根；

步骤三：桩周堆载重物（3）的施工，先堆载远离桩基的位置，后堆载临近桩基的位置，将用于堆载的重物运输至预定点位，采用带抓斗的驳船对称的循环的将其抛入水中；在堆载临近桩基的位置时采用管道抛石，保证桩周堆载的平整度，确保抛石与桩之间的间隙符合设计要求；

步骤四：限位结构施工，采用扭力打桩机将螺旋锚桩（41）贯入到设计位置，选取不少于总桩数1%，且不应少于2根的螺旋锚桩（41）开展循环倾斜上拔荷载的试桩，将锚索（42）一端与螺旋锚桩（41）链接牢固，另一端与风机钢制预埋件链接牢固。

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