CN116971411B - 一种风电单桩及沉桩施工装置 - Google Patents

Abstract

一种风电单桩及沉桩施工装置，单桩本体根部段的内部设置有隔板，使隔板和单桩本体根部段的内壁形成至少两个腔体，腔体用于挤压进入桩底部的填充物；腔体沿隔板从单桩本体根部向头部的腔体的截面逐步缩小；分布有腔体的单桩本体根部段上设置有活动倒刺，活动倒刺受到腔体内填充物的挤压后伸出单桩外，且活动倒刺的上端面垂直单桩外壁；一级护筒内设置有二级护筒，二级护筒用于置入钻孔设备对碎石层开挖钻孔，且二级护筒随钻孔设备一体向下作业行进，二级护筒带动一级护筒下沉。

Description

一种风电单桩及沉桩施工装置

技术领域

本发明涉及海上风电单桩技术领域，具体涉及一种风电单桩及沉桩施工装置。

背景技术

为了开发更多更大面积的海上风电，风电施工从浅水域逐渐向深水域发展，而深水域的海上风电有成熟的漂浮式平台，而且浅水域的风电单桩在推广到深水域时，面对深度淤泥（30-40米），碎石层4米以上的施工条件时，导致施工周期长，设备损耗大；

这是由于，现有的海上风电单桩在深度淤泥抗拔方面无有效应对技术手段，这种施工条件造成这样的后果：第一，造成施工上的困难；第二，简单增加风电单桩的管径，增加了桩体的稳定性和结构强度，直接增加管径的高成本，使其无法推广；

现有的施工工艺，在单桩施工中，在沉桩成孔工艺段，遇到岩层下方的碎石层，如何突破碎石层时，完成沉桩施工，存在如下问题：

如果增加锤打力度，导致护筒卷边；

如果在管桩上设置扩孔板，扩孔板即在管桩上增设附件来扩大管桩对外壁的岩土层的摩擦来使钻入的孔径扩大，这种技术思路是通过前端头部开出一个沉桩的大孔径，来减少头部段以外的管桩外壁和岩土层的摩擦力；在沉桩段有扩孔，即扩大下沉的孔径内壁，但是其也必然导致下沉过程，在遭遇碎石层时，锤打沉桩段的阻力更大，反而会导致锤打卷边更加严重；

由于碎石层的难以施工是由于头部难以伸入碎石层，而并非由于桩体和碎石层的摩擦力导致的；因此依赖于增大锤打力度会导致卷边更加严重，如果使用钻孔，这可能导致碎石层塌孔，导致进退两难；

单桩在深度淤泥水底的沉桩作业，抗拔方面无有效措施，而且改善抗冲击和抗拔，除增大管桩直径外，缺乏低成本措施；

进一步考虑，施工上不增加施工难度，保持原有的作业效率，则面临的技术障碍更大；

在单桩上增大管径或者增加附属构件改善受力，在碎石层及淤泥段，均会导致沉桩的阻力增加，尤其是在碎石层阻力更大；

因此就作业深度上改善管桩抗拔，碎石层沉桩施工可行性，及作业成本，如何实现低成本下改善单桩结构的基础寿命及抗冲击能力，尚无解决措施；

申请公布号CN116479885A，公开了一种安装海上风电单桩基础的稳桩装置，适应不同水深海域施工，能够适应更多的桩径，提出负压锚固区负压入泥的方式锚固于海床，其主要围绕风电桩上端平台结构进行；

申请公布号CN116378127A，公开了一种海上风电单桩桩周原位土加固方法和加固装置，风电单桩的桩周原位土加固方法包括在桩基础的周围铺设网格板，网格板被插入到桩基础周围的土体中，能够对桩基础周围的土体进行加强，改善桩基础周围土体的应力状况，减缓桩基础周围的土体流失；

现有技术中，公开号CN113502813A，提出一种沉桩技术方案，提到把多个扩孔板设在第二管段上，多个扩孔板在桩体的周向上间隔布置，同时提出桩基础的沉桩过程中，由于侧壁提供了垂向的摩擦力，所以沉桩效率随着沉桩深度的增加而增大，该专利提出在管桩上设置扩孔板，扩大下沉孔径，从而改善沉桩阻力，在沉桩完成后又再次利用扩孔板改善桩体和岩土的摩擦力，但是既然是头部扩孔，通过扩孔减小管桩和岩土的摩擦力使沉桩顺利下沉，也就意味着使整体孔径变大；在完成沉桩后，即对于头部以外段来说，管桩外壁的孔径增大，势必削弱了管段头部以外的岩土摩擦力，导致其抗拔特性减弱，而通过回填这种摩擦力恢复效果有限，这是由于沉桩深度及作业位置在水下，条件复杂且多变，难度很大；

上述现有技术，无法克服上述技术缺陷，改善深度淤泥下的风电单桩抗拔性能，并克服碎石层沉桩的施工难题，增大管桩直径的成本太高，而增加附属构件，进行简单的扩孔，即增大管桩的附属直径，在沉桩段阻力过大，而且使沉桩孔径变大，削弱了管桩和外层岩土的摩擦力，沉桩末段的头部依赖附属构件获得了较大摩擦力，但是头部以外的管桩由于沉桩过程中扩孔反而使该段的受力变得更加恶劣，摩擦力减小抗拔能力减弱，因此不可取；而且通过持续增大附属构件，无法解决沉桩的阻力增大的障碍，因此桩体的头部设置扩孔板主要用于扩孔，对于改善抗拔作用十分有限，因此需要进行技术改进，以解决上述施工的困难。

发明内容

有鉴于此，面对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种风电单桩及风电单桩沉桩施工装置，克服现有碎石层无法沉桩作业的情况，以及淤泥层过深导致的无法稳固的技术问题，并从风电单桩的结构上，改善其抗拔的受力结构，在低阻力下完成沉桩，使沉桩成本降低，进而降低施工成本。

一种风电单桩，用于沉桩末段下沉，单桩本体根部段的内部设置有隔板，使隔板和单桩本体根部段的内壁形成至少两个腔体，腔体用于挤压进入桩底部的填充物；腔体沿隔板从单桩本体根部向头部的腔体的截面逐步缩小，且伸入单桩本体根部段内的腔体末端收缩密封；分布有腔体的单桩本体根部段上设置有活动倒刺，单桩本体根部段的内壁设置有上滑台、下滑台，上滑台、下滑台用于限位活动倒刺，活动倒刺和上滑台、下滑台形成移动副；在沉桩阶段，活动倒刺是隐入在单桩本体根部段内部，使沉桩所需的孔径和原管桩所需孔径一致；在沉桩末段，不再继续掘进，或者在穿过碎石层后，利用锤打使进入单桩本体根部段内部的泥土挤压活动倒刺，活动倒刺受到腔体内填充物的挤压后伸出单桩外，活动倒刺伸出单桩本体根部段的长度为单桩本体根部段的壁厚的两倍以上，且活动倒刺的上端面垂直单桩外壁；完成沉桩后，活动倒刺为单桩本体根部段提供充足、充分的抗拔力。

本申请提供的一种风电单桩的技术方案，还具有以下技术特征：

优选的，活动倒刺的伸出单桩外的部分，过单桩的轴心线的平面的截面为矩形或者梯形或者V形，且梯形较长的底边为上端面。

优选的，活动倒刺的伸出单桩外的部分，垂直单桩的轴心线的平面的截面为环形段或者矩形。

优选的，隔板设置两个，隔板交叉处呈V形或U形，使单桩本体根部段的内部分成两个沿单桩逐步收缩的腔体。

优选的，V形或者梯形的活动倒刺的外侧边的长度，大于贴合单桩外壁的侧边的长度。

优选的，隔板交叉过单桩本体的中心。

优选的，伸入单桩本体根部段内的腔体末端收缩密封端设置孔。

一种风电单桩沉桩施工装置，用于上述的一种风电单桩的碎石层段沉桩，一级护筒内设置有二级护筒，二级护筒用于置入钻孔设备对碎石层开挖钻孔，且二级护筒随钻孔设备一体向下作业行进，二级护筒带动一级护筒下沉。

本申请提供的一种风电单桩沉桩施工装置的技术方案，还具有以下技术特征：

优选的，二级护筒连接有吊装设备和吊绳。

优选的，一级护筒内、二级护筒、钻孔设备分别各自连接有吊装设备和吊绳。

本发明的有益效果：

本发明使用时，利用单桩本体根部段设置活动倒刺，在沉桩末段，即沉桩的最大作业深度的沉桩固定作业，通过沉桩进入内壁的填充物挤压活动倒刺突出桩体外壁，从而完成沉桩及单桩本体根部段的抗拔性能改善，增加抗拔耐冲击力，而且在沉桩阶段活动倒刺隐入在桩体内，阻力小；

通过活动倒刺隐入在桩体内，在其它层，如淤泥层、岩土层、碎石层均可在原管桩的孔径下持续沉桩，无需扩孔，无持续的阻力增加的负担；

而在其它沉桩段及碎石层段，配合以二级护筒作业方式，通过活动倒刺隐入在桩体内壁，使桩体的根部和岩土层的摩擦力在原有范围内，保证沉桩的正常作业，克服碎石层的沉桩难题；

本发明实现了：

对于活动倒刺设置的管桩段，改善单桩本体根部段的外部抗拔受力，在面临深度淤积沉积泥土层，可以有效改善单桩本体根部段的抗拔结构的受力，使其耐冲击、抗拔；

对于活动倒刺设置的管桩段以外，本申请的沉桩无需扩孔，沉桩在管桩自有的孔径尺寸内，使管桩的外壁和岩土层的摩擦力处于正常范围，不会削弱管桩段和岩土层的摩擦力，使沉桩完成后的风电单桩处于设计时的平衡受力状态；

单桩本体根部段的内部设置隔板，在沉桩末段使单桩本体根部段进入泥土层时，由于隔板形成包围的逐渐缩小的腔体，进入该腔体的泥土受的挤压力更大，使进入单桩本体根部段内部的泥土更加瓷密；

对于单桩本体根部段，挤压造成内部的泥土密度大，相当于增加了单桩本体根部段自重，从而改善受力，使基础更加牢靠；在面临碎石层时，通过采用一级护筒内设置二级护筒，并置入钻孔设备，对碎石层进行开挖钻孔作业，解决了单开沉桩孔导致的塌孔问题，避免了一级护筒锤打卷边的问题。

附图说明

图1为本发明的一种风电单桩的单桩本体根部段的立体图；

图2为本发明的一种风电单桩的单桩本体根部段的仰视角的立体图；

图3为本发明的一种风电单桩的单桩本体根部段的俯视角的立体图；

图4为本发明的一种风电单桩的单桩本体根部段的俯视角的立体图；

图5为本发明的一种风电单桩的单桩本体根部段的主视图；

图6为本发明的图5的俯视图；

图7为本发明的图5的仰视图；

图8为本发明的图5的C-C剖视图；

图9为本发明的图5的A-A剖视图；

图10为本发明的图6的B-B剖视图；

图11为不同于图10的本发明的活动倒刺的内侧为斜面的剖视图；

图12为本发明的图10的活动倒刺隐入在桩体内的示意图；

图13为本发明的图11的活动倒刺隐入在桩体内的示意图；

图14为本发明的动倒刺伸出桩体部分为环形段示意图；

图15为本发明的一种风电单桩沉桩施工装置的示意图；

图16为本发明的一种风电单桩的沉桩末段的初始的腔体入口的挤压受力示意图；

图17为本发明的一种风电单桩的沉桩末段的活动倒刺的内、外受力示意图；

图18为本发明的一种风电单桩的沉桩完成后的活动倒刺的抗拔受力示意图；

图中：

1、单桩本体根部段

11、活动倒刺

12、隔板

13、上滑台

14、下滑台

2、一级护筒

3、二级护筒

4、钻孔设备

5、碎石层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1-9，一种风电单桩，单桩本体根部段1的内部设置有隔板12，使隔板12和单桩本体根部段1的内壁形成至少两个腔体，腔体用于挤压进入桩底部的填充物；腔体沿隔板12从单桩本体根部向头部的腔体的截面逐步缩小，且伸入单桩本体根部段1内的腔体末端收缩密封；分布有腔体的单桩本体根部段1上设置有活动倒刺11，单桩本体根部段1的内壁设置有上滑台13、下滑台14，上滑台13、下滑台14用于限位活动倒刺11，活动倒刺11和上滑台13、下滑台14形成移动副；在沉桩阶段，活动倒刺11是隐入在单桩本体根部段1内部，使沉桩所需的孔径和原管桩所需孔径一致；在沉桩末段，不再继续掘进，或者在穿过碎石层5后，利用锤打使进入单桩本体根部段1内部的泥土挤压活动倒刺11，活动倒刺11受到腔体内填充物的挤压后伸出单桩外，活动倒刺11伸出单桩本体根部段1的长度为单桩本体根部段1的壁厚的两倍以上，且活动倒刺11的上端面垂直单桩外壁；完成沉桩后，活动倒刺11为单桩本体根部段1提供充足、充分的抗拔力；

如图2、3、4、8、10、11，本申请的风电单桩，利用这种带活动倒刺11的风电单桩，改善了风电单桩的外部受力，利用内部的隔板12，通过挤压进入的致密的填充物使桩体的内壁受力得到改善，对于桩体本身由于这种挤压使桩体自重增加，桩体外部受力也通过自重增加得到稳固；

活动倒刺被挤出桩体外的过程如图16-18所示，如图16为沉桩末段的初始的腔体入口的挤压受力示意图，图17为活动倒刺在沉桩末段的内外部受力示意图，图18为沉桩完成后的活动倒刺的抗拔受力示意图；

活动倒刺11伸出在桩体外部，改善桩体的抗拔受力状态；

本申请的上述改善和现有技术存在较大区别：第一，在沉桩阶段，阻力小，结合风电单桩沉桩施工装置，通过一级护筒2内和二级护筒3完成掘进式的沉桩，而且由于活动倒刺是隐入在单桩本体根部段内部，即沉桩所需的孔径和原管桩所需孔径一致；第二，在沉桩末段，不再继续掘进，或者在穿过碎石层后，利用锤打使进入单桩本体根部段内部的泥土挤压活动倒刺11，活动倒刺11伸出单桩本体根部段1的长度为单桩本体根部段1的壁厚的两倍以上，完成沉桩后，活动倒刺11为单桩本体根部段1提供充足、充分的抗拔力；

由于免扩孔，不会削弱管桩的头部以外段和岩土的摩擦力；不同于利用扩孔板由于持续下沉中挤压产生的扩孔，削弱了头部以外和岩土层的摩擦力，仅在扩孔板安装处的头部有增大摩擦力的效果，这种显著区别，使其具有更好的施工应用前景及抗拔的性能改善效果。

具体的，如图10、11、12、13，活动倒刺11伸出单桩外的部分，过单桩的轴心线的平面的截面为矩形或者梯形或者V形，且梯形较长的底边为上端面；这种形状用于增大活动倒刺11的上端的受力面，其受力面为伸出单桩本体根部段1的上端面的面积，受力面的宽度为单桩本体根部段1的厚度的两倍及以上；活动倒刺11在不同施工阶段，隐入和伸出桩体，从而完成沉桩，沉桩无额外增加阻力，满足沉桩未段抗拔的要求。

具体的，如图8、14，活动倒刺11的伸出单桩外的部分，垂直单桩的轴心线的平面的截面为环形段或者矩形，图8为垂直单桩的轴心线的平面的截面为矩形，图14为垂直单桩的轴心线的平面的截面为环形段，通过截面可以推断，两者均可满足本申请的技术方案的需要，相比较而言，环形段在隐入桩体内时候，外表面和桩体外壁可以贴合，不会形成下部凹陷的问题。

具体的，如图10、11、12、13，单桩本体根部段1的内壁设置有上滑台13、下滑台14，上滑台13、下滑台14用于限位活动倒刺11，活动倒刺11和上滑台13、下滑台14形成移动副；当单桩本体根部段1的壁厚不足以提供活动倒刺11自由滑动空间的时候，增设上滑台13、下滑台14对活动倒刺11进行限位，提供滑动工作面，使其顺利滑出，形成抗拔结构；当活动倒刺11受到桩体内部压力大于桩体受到的外部压力的时候，活动倒刺11被挤出单桩本体根部段1外部。

具体的，如图1-4和10-13，隔板12设置两个，隔板12交叉处呈V形或U形；两个隔板12使单桩本体根部段1的内部分成两个沿单桩逐步收缩的腔体；形成的这种收缩结构，在沉桩末段，使进入单桩本体根部段1的填充物获得充分挤压，并对活动倒刺11产生更大挤压力，活动倒刺11受到的单桩本体根部段1内部的压力大于其在外部受到的压力，从而完成活动倒刺11从单桩本体根部段1内部突出到单桩本体根部段1外部，形成末段沉桩固定的抗拔结构。

具体的，如图10、11，梯形的活动倒刺11的外侧边的长度，大于贴合单桩外壁的侧边的长度；为了使活动倒刺11的V形上端面水平设置，可以设置活动倒刺11的一侧贴合单桩本体根部段1的外壁，而另一侧向上，使活动倒刺11的上端面形成一个水平受力的工作面。

具体的，如图10、11、12、13，隔板12交叉过单桩本体的中心，隔板12交叉位置在单桩本体的中心，或者说桩体下端口的直径，这样单桩本体的内部被隔板12一分为二，形成两个腔体，用于挤压进入单桩本体根部段1内部的填充物。

具体的，如图10、11、12、13，隔板12形成的腔体，在伸入在单桩本体根部段1内的末端位置收缩密封，这种设置，可以在末段沉桩阶段，使进入管桩内壁的填充物，顺利挤压活动倒刺11。

具体的，如图2、3、4、7、8，伸入单桩本体根部段1内的腔体末端收缩密封端设置孔，设置的孔用于在泥土或者填充物挤压时候，气体或者液体可以通过该孔顺利排出，从而留下夯实的沉积填充物。

如图15，一种风电单桩沉桩施工装置，用于上述的一种风电单桩的碎石层段沉桩，一级护筒2内设置有二级护筒3，二级护筒3用于置入钻孔设备4对碎石层5开挖钻孔，且二级护筒3随钻孔设备4一体向下作业行进，二级护筒3带动一级护筒2下沉。

具体的，二级护筒3连接有吊装设备和吊绳；一级护筒2内、二级护筒3、钻孔设备4分别各自连接有吊装设备和吊绳，用于辅助沉桩段作业；

本申请的施工装置，利用风电单桩进行沉桩施工，克服了碎石层5的沉桩作业，解决了塌孔和一级护筒2的卷边问题，相比较传统的施工，成本低，效率高，施工质量及进度更加可靠；克服了碎石层的作业难点，保障了施工进度及施工质量，可以有效保障沉桩作业的推进；结合风电单桩的这种活动倒刺11结构，抗拔特性可以充分得到发挥，在沉桩中免扩孔，避免管桩段的摩擦力被削弱的问题；

总的来说，本申请，通过活动倒刺11隐入在单桩本体根部段1内，在沉桩阶段可以有效减小阻力，结合沉桩施工装置可以有效克服碎石层完成沉桩作业；

在沉桩末段，利用进入单桩本体根部段1的内部的填充物，挤压活动倒刺11，使活动倒刺11突出在单桩本体根部段1的外部，增大了单桩本体根部段1的抗拔能力；而活动倒刺11伸出的长度为单桩本体根部段1的厚度的两倍以上，有效获得抗拔能力，抗拔的受力面积大；

在沉桩过程中对于沉桩阻力，由于活动倒刺11隐入在单桩本体根部段1内，无额外增加的沉桩阻力，对沉桩孔径免于扩孔；在沉桩末段，利用活动倒刺11被挤出，获得抗拔结构，提高单桩本体根部段1的沉桩抗拔能力。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种风电单桩，用于沉桩末段下沉，其特征在于，单桩本体根部段的内部设置有隔板，使隔板和单桩本体根部段的内壁形成至少两个腔体，腔体用于挤压进入桩底部的填充物；腔体沿隔板从单桩本体根部向头部的腔体的截面逐步缩小，且伸入单桩本体根部段内的腔体末端收缩密封；分布有腔体的单桩本体根部段上设置有活动倒刺，单桩本体根部段的内壁设置有上滑台、下滑台，上滑台、下滑台用于限位活动倒刺，活动倒刺和上滑台、下滑台形成移动副；在沉桩阶段，活动倒刺是隐入在单桩本体根部段内部，使沉桩所需的孔径和原管桩所需孔径一致；在沉桩末段，不再继续掘进，或者在穿过碎石层后，利用锤打使进入单桩本体根部段内部的泥土挤压活动倒刺，活动倒刺受到腔体内填充物的挤压后伸出单桩外，活动倒刺伸出单桩本体根部段的长度为单桩本体根部段的壁厚的两倍以上，且活动倒刺的上端面垂直单桩外壁；完成沉桩后，活动倒刺为单桩本体根部段提供充足、充分的抗拔力；

活动倒刺的伸出单桩外的部分，过单桩的轴心线的平面的截面为矩形或者梯形或者V形，且梯形较长的底边为上端面；

活动倒刺的伸出单桩外的部分，垂直单桩的轴心线的平面的截面为环形段或者矩形；

伸入单桩本体根部段内的腔体末端收缩密封端设置孔。

2.如权利要求1所述的一种风电单桩，其特征在于，隔板设置两个，隔板交叉处呈V形或U形，使单桩本体根部段的内部分成两个沿单桩逐步收缩的腔体。