CN115110591A - 一种用于海上风电单桩基础加固、纠偏的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于海上风电单桩基础加固、纠偏的装置及方法，装置包括套接固定在风电单桩基础上的钢护筒，钢护筒上沿周向均匀固定有若干钢架结构；在风电单桩基础周围设有复合地基，该复合地基通过在土体中注入水泥并搅拌加固而成；复合地基中设有若干根用作地锚的预制桩，多根预制桩以风电单桩基础为中心，环形均匀布置；钢架结构与预制桩通过锚索相连；操作时，通过分级张拉特定的锚索，对风机单桩基础施加外在拉力，实现纠偏；本发明可解决局部冲刷坑扩大、土体力学性能弱化问题，还可实现原有风电单桩基础竖向、水平及抗扭承载力的全面提升。

Description

一种用于海上风电单桩基础加固、纠偏的装置及方法
技术领域
本发明涉及桩基加固，具体涉及一种用于海上风电单桩基础加固、纠偏的装置及方法。
背景技术
海上风电单桩基础在风机服役期内需承受风、波浪、海流等多项横向循环荷载作用，这些多向耦合循环荷载的千万次循环足以使基础产生累积变位及周围土体强度弱化，从而影响风机基础的承载性能。另一方面，海床在海流作用下产生的局部冲刷广泛存在于我国海上风电场区域，且最大冲刷深度已远超设计冲刷深度，严重威胁风机的安全。海上风机正常服役期间的累积变位和冲刷坑是降低基础承载力和威胁结构整体稳定的主要因素。
发明内容
发明目的：本发明的目的是针对海上风机正常服役期间由累积变位和局部冲刷导致的基础承载力降低和结构整体稳定性减弱的问题，提出一种用于海上风电单桩基础加固、纠偏的装置，本发明的第二目的是提出一种用于海上风电单桩基础加固、纠偏的方法。
技术方案：本发明一方面提供一种用于海上风电单桩基础加固、纠偏的装置，包括套接固定在风电单桩基础上的钢护筒，钢护筒上沿周向均匀固定有若干钢架结构；在风电单桩基础周围设有复合地基，该复合地基通过在土体中注入水泥并搅拌加固而成；复合地基中设有若干根用作地锚的预制桩，多根预制桩以风电单桩基础为中心，环形均匀布置；钢架结构与预制桩通过锚索相连。
其中，钢架结构包括相连接的钢桁架和钢板，钢板上预留有导向孔，用以引导锚索拉力指向风电单桩基础中心；锚索穿过导向孔并通过锚接件固定在钢桁架上。为保证锚索的拉力方向指向风电单桩基础的中心，钢板和钢桁架提供的平面应与钢护筒切线方向保持一致。
预制桩顶部设有连接环，锚索穿过连接环后对折，并通过固定扣箍紧。预制桩上设有用于防止锚索滑动的凹槽。连接环与预制桩间可采用焊接，焊接处的强度和刚度应满足抗拉需求。环形布置的预制桩为一层或多层，根据实际需求而定，预制桩径向与环向间隔应满足相关规范规定的忽略群桩效应的要求。钢护筒与风电单桩基础采用高强螺栓固定连接，以保证钢护筒与其连接处的强度和刚度均需满足局部抗拉要求。锚索采用钢绞索、钢丝束或CFRP筋，由高强度、高弹性模量、高承载性能的材料制成。预制桩采用钢管桩、PC或PHC管桩，其桩径、壁厚和打入深度需抵抗锚索拉力产生的抗拔力与水平力作用，且避免结构自身的破坏。
另一方面，本发明还提供一种用于海上风电单桩基础加固、纠偏的方法，包括如下步骤：
(1)采用砂土与碎石混合物填平冲刷坑；
(2)在设计的风电单桩基础加固范围内，用搅拌桩机将水泥喷入土体并充分搅拌，水泥与土体硬结形成复合地基，以提高风电单桩基础周围土体强度；在水泥与土体未充分硬结之际，在设计位置打入若干根预制桩；
(3)在风电单桩基础上套设钢护筒，并采用高强螺栓连接；
(4)安装锚索，连接预制桩与钢护筒表面的钢架结构；
(5)张拉特定的锚索，对风机单桩基础施加外在拉力，实现纠偏；
纠偏过程中，锚索的张拉顺序为：与水平变位w垂直方向上的两根锚索首先张拉，然后与该两根锚索相邻且能提供与w方向相反拉力的锚索依次对称张拉，与w方向一致且通过风机单桩基础中心的锚索最后张拉，保证特定的锚索提供的拉力合力方向指向风机单桩基础中心且与风机单桩基础水平变位w方向相反；
(6)纠偏完成后，依次张拉并固定剩余锚索，使所有锚索保持一定的张力，且合力为零。
其中，步骤(2)中，复合地基加固深度需大于两倍风电单桩基础的直径，加固半径需大于风电单桩基础周围力学传递影响范围，可结合数值模拟进行判定。
步骤(5)中，每根锚索(2)施加的拉力相同，拉力大小采用下式计算：
Figure BDA0003728248780000021
Q为每根锚索施加的拉力；E为锚索的弹性模量；A为锚索的横截面积；w为风机单桩基础与钢护筒连接位置的水平变位；i为与w方向垂直的方向起至90°范围内的第i根锚索，i＝0,1,2…n；θ＝90°/n；j为从外到内预制桩的层数，j＝1，2，3，…，m；lj为第j层锚索长度；αj为第j层预制桩对应的锚索与海平面的夹角。
本发明中，在完成纠偏后，可实现原有风电单桩基础竖向、水平及抗扭承载力的全面提升。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：本发明通过对风电单桩基础周围土体进行加固以解决局部冲刷坑扩大、土体力学性能弱化问题；通过在加固区域环形布置预制桩，并与基础主体通过锚索相连，达到对风电单桩基础进行纠偏及提升其承载性能的目的；本发明装置结构简单，纠偏、加固方案高效可行。
附图说明
图1是风电单桩基础示意图；
图2是本发明的结构示意图；
图3是钢架结构布置示意图；
图4是钢架结构侧视图；
图5是钢架结构正视图；
图6是预制桩与复合地基的俯视图；
图7是锚索与预制桩间的连接结构示意图；
图8是纠偏时的张拉顺序示意图；
图9是纠偏结束后的张拉顺序示意图；
附图标记：1-风电单桩基础，11-钢护筒，111-高强螺栓，12-钢架结构，121-导向孔，122-钢板，123-钢桁架，2-锚索，21-锚接件，22-固定扣，3-预制桩，31-连接环，4-复合地基。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，待加固、纠偏的目标风电单桩基础1直径为6.5m，埋深40m，场地覆盖厚软黏土层，桩周形成类圆锥形局部冲刷坑，最大冲刷深度10m，最大冲刷直径15m，通过测得桩顶相应转角，确定单桩与塔筒连接部位的水平变位为w＝50mm。
如图2至图5所示的用于海上风电单桩基础加固、纠偏的装置，在风电单桩基础1与塔筒连接部位套设钢护筒11，钢护筒11与风电单桩基础1采用高强螺栓111连接。钢护筒11表面环形均布、焊接固定若干钢架结构12，钢架结构12包括预留导向孔121的钢板122，以及钢桁架123，钢桁架123用以支持、固定锚索2。预制桩3的顶部焊接连接环31，连接环31上设有凹槽，以防止锚索2滑动。锚索2一端穿过导向孔121后，在钢桁架122上通过锚接件21进行锚接，另一端穿过预制桩3顶部的连接环31后对折，并通过固定扣22箍紧以实现铰接，参见图7。钢桁架123与导向孔121的设计方案无特殊要求，但需保证锚索2的拉力方向指向风电单桩基础1的中心，钢板122和钢桁架123提供的平面应与钢护筒11的切线方向保持一致，且导向孔121需引导锚索2拉力指向基础1的中心。
如图6所示，若干根预制桩3打入风电单桩基础1周围的复合地基4中以形成地锚，本实施例中，预制桩3为两层，以风电单桩基础1为中心，环形均匀布置。复合地基4为在土体中注入水泥并搅拌加固而成。预制桩3打入复合地基4中形成反力系统。本实施例中，复合地基4加固深度为15m，加固区域的半径为40m。预制桩3采用直径为0.6m、壁厚为0.03m、埋深为12m的钢管桩。外圈预制桩3距离风电单桩基础1中心的半径为30m，内圈半径为24m。
下面介绍采用上述加固、纠偏装置，进行海上风电单桩基础加固、纠偏的方法，包括以下步骤：
(1)明确纠偏目标，探明风电单桩基础1周围已有冲刷坑范围和形态，以及风电单桩基础1的水平变位及倾角，设计纠偏及加固方案；
(2)处理冲刷坑，采用砂土与碎石混合物填平处理；
(3)在设计的地基加固范围内，利用搅拌桩机将水泥喷入土体并充分搅拌，水泥与土体硬结形成复合地基4；
(4)在水泥与土体未充分硬结之际，在设计位置打入若干根预制桩3以形成地锚，并于预制桩3的顶部焊接连接环31；
(5)在风电单桩基础1与塔筒连接部位套设钢护筒11，钢护筒11与风电单桩基础1采用高强螺栓连接，钢护筒11表面环形均布、焊接固定若干钢架结构12；
(6)安装锚索2，连接预制桩3与对应的钢架结构12；
(7)对特定锚索2进行分级依次张拉，并保证锚索2提供的拉力合力方向需指向基础中心且与风电单桩基础1原有水平变位方向相反；
如图8所示，通过张拉特定的锚索2，对风电单桩基础1提供外在拉力，实现纠偏目的，其中每根锚索2所施加的拉力相同，其大小采用下式进行计算：
Figure BDA0003728248780000041
Q为每根锚索2施加的拉力；E为锚索2的弹性模量；A为锚索2的横截面积；w为风电单桩基础1与塔筒连接部位的水平变位；i为与w方向垂直的方向起、至90°范围内的第i根锚索，本实施例中i＝4；θ＝22.5°；j为从外到内预制桩3的层数，本实施例中布置两层，j＝1、2；αj为第j层桩对应的锚索2与海平面组成的夹角，lj为第j层锚索2长度；α1为最外圈锚索2与海平面的夹角，α2为最内圈锚索2与海平面的夹角。
锚索2的张拉顺序为：与水平变位w垂直方向上的两根锚索A首先张拉，然后与之相邻且能提供与w方向相反拉力的锚索B对称张拉，接着依次为C、D，与w方向一致且通过基础中心的锚索E最后张拉。风电单桩基础1纠偏过程中，锚索A、B、C、D、E提供的拉力合力方向需指向基础中心且与风电单桩基础1原有水平变位w方向相反。
(8)纠偏完成后，依次张拉并固定剩余锚索2，使所有锚索2保持一定的张力，且合力为零，如图9所示，首先张拉A1，其次为B1，再次为C1，最后张拉D1。

Claims (8)

1.一种用于海上风电单桩基础加固、纠偏的装置，其特征在于：包括套接固定在风电单桩基础(1)上的钢护筒(11)，钢护筒(11)上沿周向均匀固定有若干钢架结构(12)；在风电单桩基础(1)周围设有复合地基(4)，该复合地基(4)通过在土体中注入水泥并搅拌加固而成；复合地基(4)中设有若干根用作地锚的预制桩(3)，多根预制桩(3)以风电单桩基础(1)为中心，环形均匀布置；钢架结构(12)与预制桩(3)通过锚索(2)相连。
2.根据权利要求1所述的用于海上风电单桩基础加固、纠偏的装置，其特征在于：钢架结构(12)包括相连接的钢桁架(123)和钢板(122)，其中钢板(122)上预留有导向孔(121)，用以引导锚索(2)拉力指向风电单桩基础(1)中心；锚索(2)穿过导向孔(121)并通过锚接件(21)固定在钢桁架(123)上。
3.根据权利要求2所述的用于海上风电单桩基础加固、纠偏的装置，其特征在于：预制桩(3)顶部设有连接环(31)，锚索(2)穿过连接环(31)后对折，并通过固定扣(22)箍紧。
4.根据权利要求3所述的用于海上风电单桩基础加固、纠偏的装置，其特征在于：预制桩(3)上设有用于防止锚索(2)滑动的凹槽。
5.根据权利要求1所述的用于海上风电单桩基础加固、纠偏的装置，其特征在于：环形布置的预制桩(3)为一层或多层。
6.根据权利要求1所述的用于海上风电单桩基础加固、纠偏的装置，其特征在于：钢护筒(11)与风电单桩基础(1)采用高强螺栓(111)固定连接。
7.一种用于海上风电单桩基础加固、纠偏的方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)填平冲刷坑；
(2)在设计的风电单桩基础(1)加固范围内，用搅拌桩机将水泥喷入土体并充分搅拌，水泥与土体硬结形成复合地基(4)；在水泥与土体未充分硬结之际，在设计位置打入若干根预制桩(3)；
(3)在风电单桩基础(1)上套设钢护筒(11)，并采用高强螺栓(111)连接；
(4)安装锚索(2)，连接预制桩(3)与钢护筒(11)表面的钢架结构(12)；
(5)张拉特定的锚索(2)，对风机单桩基础(1)施加外在拉力，实现纠偏；
纠偏过程中，锚索(2)的张拉顺序为：与水平变位w垂直方向上的两根锚索(2)首先张拉，然后与该两根锚索(2)相邻且能提供与w方向相反拉力的锚索(2)依次对称张拉，与w方向一致且通过风机单桩基础(1)中心的锚索(2)最后张拉，保证特定的锚索(2)提供的拉力合力方向指向风机单桩基础(1)中心且与风机单桩基础(1)水平变位w方向相反；
(6)纠偏完成后，依次张拉并固定剩余锚索(2)，使所有锚索(2)保持一定的张力，且合力为零。
8.根据权利要求7所述的用于海上风电单桩基础加固、纠偏的方法，其特征在于：步骤(5)中，每根锚索(2)施加的拉力相同，拉力大小采用下式计算：
Figure FDA0003728248770000021
Q为每根锚索(2)施加的拉力；E为锚索(2)的弹性模量；A为锚索(2)的横截面积；w为风机单桩基础(1)与钢护筒(11)连接位置的水平变位；i为与w方向垂直的方向起至90°范围内的第i根锚索，i＝0,1,2…n；θ＝90°/n；j为从外到内预制桩(3)的层数，j＝1，2，3，…，m；lj为第j层锚索(2)长度；αj为第j层预制桩(3)对应的锚索(2)与海平面的夹角。
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