CN211172057U - 具有水泥搅拌桩加固地基的海上单桩基础 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于海洋工程的桩基领域的一种具有水泥搅拌桩加固地基的海上单桩基础，技术方案为：钢管桩被沉入海床的软土地基，在软土地基内，钢管桩周围设置水下深层水泥搅拌法形成的加固地基，加固地基为与钢管桩同轴的旋转体；加固地基包括由水泥搅拌桩和各水泥搅拌桩之间的软土。其水平承载力高、桩顶水平位移小、桩身倾角小、基础刚度大，适应海上风机水平荷载大的特点，满足海上风机对基础水平位移和桩身倾角的严格要求，满足“结构+基础”整体自振频率的要求。

Description

具有水泥搅拌桩加固地基的海上单桩基础

技术领域

本实用新型涉及海洋工程的桩基领域，尤其涉及一种软土地基中的水平承载性能高的海上单桩基础。

背景技术

海上风力发电是新能源领域发展的重点，市场前景非常广阔。风机机组对于基础的水平位移和不均匀沉降具有严格控制标准，“结构+基础”的自振频率需要避开外部荷载的驱动频率。目前，海上风力发电机组的常见基础型式有单桩、高桩承台、多脚架、导管架式、重力式、负压桶和浮动平台结构等。在海上风电项目中，单桩基础被广泛采用，因其具有占地较小、结构简易、施工快捷、造价较低等优点；但另一方面，单桩基础相对于其它基础型式缺点在于对于刚度较小、结构较柔。我国近海海域海床表层多为深厚的软弱土，在一定程度上制约了该类型基础的应用。在复杂海洋环境下，波浪、海流等会对风机基础施加巨大水平荷载；随着风机单机容量越来越大，轮毂高度越来越高，叶片越来越长，风机荷载越来越大。尽管钢管桩自身抗弯刚度较大，但是桩周地基表层的土体能够提供的水平约束有限。若采用常规单桩基础，增加桩径、桩长或壁厚的方法会导致消耗更多的材料，单桩重量的增加也带来更高的施工难度，使得基础造价的迅速增加，影响风电场的发电效益。因此研发软土地基中的水平承载性能高的海上单桩基础具有实际的工程意义。

实用新型内容

鉴于单桩基础在软土地基海域应用的难点，本实用新型的目的在于提供了一种具有水泥搅拌桩加固地基的海上单桩基础，其水平承载力高、桩顶水平位移小、桩身倾角小、基础刚度大，适应海上风机水平荷载大的特点，满足海上风机对基础水平位移和桩身倾角的严格要求，满足“结构+基础”整体自振频率的要求。

本实用新型的技术方案为：钢管桩被沉入海床的软土地基，在软土地基内，钢管桩周围设置水下深层水泥搅拌法形成的加固地基，加固地基为与钢管桩同轴的旋转体；加固地基包括由水泥搅拌桩和各水泥搅拌桩之间的软土。

基于上述技术特征，加固地基中内圈的水泥搅拌桩排列形成内圈水泥搅拌桩墙；内圈水泥搅拌桩墙体与钢管桩的桩身接触，内圈水泥搅拌桩墙体采用具有缓凝性能的水泥。

内圈水泥搅拌桩墙体与钢管桩的桩身接触，即内圈水泥搅拌桩墙体的水平投影与钢管桩的水平投影有交集，钢管桩沉桩过程中需要切开初凝前的内圈水泥搅拌桩墙体。位于接触处的内圈水泥搅拌桩墙体应采用应具有缓凝性能的水泥，可采用缓凝水泥或采用掺加缓凝剂的常用水泥，满足使用要求前提下，优先选用定型产品。

基于上述技术特征，加固地基中内圈的水泥搅拌桩排列形成内圈水泥搅拌桩墙体；内圈水泥搅拌桩墙体与钢管桩之间留有间隔区域，间隔区域内采用地基加固技术处理，包括加强土体方法或置换方法进行地基处理，实现荷载有效传递。

基于上述技术特征，内圈水泥搅拌桩墙体的横截面形状为与钢管桩同心的圆形或正多边形。

基于上述技术特征，水泥搅拌桩在钢管桩外布置为扶壁式，沿内圈水泥搅拌桩墙体间隔布置扶壁，扶壁由各水泥搅拌桩互相咬合形成，各扶壁之间为软土。

基于上述技术特征，水泥搅拌桩在钢管桩外布置为格构式，各水泥搅拌桩互相咬合形成闭合的骨架，骨架之间为软土。

基于上述技术特征，水泥搅拌桩在钢管桩外布置为满堂式，各水泥搅拌桩互相咬合布满整个加固地基。

基于上述技术特征，加固地基为阶梯状，梯层依次由上往下向内收。加固地基采用变截面可以节省材料、减少海上作业时间，具有更好的经济性。

基于上述技术特征，在软土地基的上表面，围绕钢管桩设置一层桩周防冲刷结构。桩周防冲刷结构可以采用不同的方案，比如沙被、抛石、软体排、连锁块、固化土等铺成的覆盖层等，其功能是防止桩周围的土体被水流冲走。软体排包括土工织物和填充料等；连锁块包括钢筋混凝土等。桩周防冲刷结构的平面形状不限，外边缘可以设计成圆形或多边形或其它不规则形状，其尺寸可以根据各工程实际确定。

位于海床以上的钢管桩的桩身外安装附属结构。附属结构主要包括但不限于钢平台、靠泊结构和电缆管。钢管桩上预留位置，用于与附属结构连接。

应用本软土地基中的水平承载性能高的海上单桩基础，可以使单桩基础适用于更广的海域、更大的风机机型，从风机基础选型这个基本层面，避免采用高桩承台、多脚架、导管架等造价较高的基础类型，从而有效降低海上风机基础工程造价，减短施工工期，提升风电场发电效益。

本具有水泥搅拌桩加固地基的海上单桩基础，相对于普通的海上单桩基础，水平承载力有效提高，有效地降低桩顶水平侧移，单桩泥面处转角有效降低，改善“结构+基础”整体自振频率，同时具有节约单桩基础用钢量的效益。

如上，本实用新型软土地基中的水平承载性能高的海上单桩基础，具有以下有益效果：该软土地基中的水平承载性能高的海上单桩基础，经济、安全、可靠，适用于更广的海域、更大的风机机型，在工程造价方面有了很大程度的降低；而且施工工艺简单，只需增加小范围的水下地基处理，这里主要是指水下深层水泥搅拌，实行起来方便有效。

附图说明

图1：为本实用新型具有水泥搅拌桩加固地基的海上单桩基础实施方式一的立面布置图。

图2：为本实用新型具有水泥搅拌桩加固地基的海上单桩基础实施方式二的立面布置图。

图3：为本实用新型具有水泥搅拌桩加固地基的海上单桩基础中加固地基为阶梯状的立面布置图。

图4：为本实用新型中水泥搅拌桩在钢管桩外满堂式布置的加固地基平面示意图。

图5：为本实用新型中水泥搅拌桩在钢管桩外格构式布置方案一的加固地基平面示意图。

图6：为本实用新型中水泥搅拌桩在钢管桩外格构式布置方案二的加固地基平面示意图。

图7：为本实用新型中水泥搅拌桩在钢管桩外扶壁式布置方案一的加固地基平面示意图。

图8：为本实用新型中水泥搅拌桩在钢管桩外扶壁式布置方案二的加固地基平面示意图。

图9：为本实用新型中水泥搅拌桩在钢管桩外扶壁式布置方案三的加固地基平面示意图。

图10：为本实用新型中内圈水泥搅拌桩墙体与钢管桩外边缘中间留有间隔区域的示例一。

图11：为本实用新型中内圈水泥搅拌桩墙体与钢管桩外边缘中间留有间隔区域的示例二。

构件标号说明

软土地基1；钢管桩2；水泥搅拌桩3；加固地基4；桩周防冲刷结构5；内圈水泥搅拌桩墙体7；间隔区域8；泥面9。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型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实用新型，而并非对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。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。

在本实用新型的描述中，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实用新型中的具体含义。

此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

本实用新型具有水泥搅拌桩加固地基的海上单桩基础可有多种实施方式和布置型式，不同的实施方式和布置型式可以互相组合，以下说明及附图仅为其中一些组合的示例，其余未附图的组合仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

如图1至图3所示，本实用新型提供具有水泥搅拌桩加固地基的海上单桩基础，它包括位于软土地基1的钢管桩2、水下深层水泥搅拌法加固的加固地基4、桩周防冲刷结构5和附属结构。钢管桩2被沉入海床。在软土地基1内，钢管桩2周围设置水下深层水泥搅拌法形成的加固地基4，加固地基4包括水泥搅拌桩3和各水泥搅拌桩3之间的软土。水下深层水泥搅拌法可参见《水运工程地基设计规范》(JTS 147–2017)，其本身属于成熟技术。钢管桩2用于支承风机塔筒，传递上部结构荷载。水下深层水泥搅拌法加固的加固地基4主要作用在于为钢管桩2提供水平约束，将水平荷载扩散传递到周围的软土地基。

桩周防冲刷结构5用于保护软土地基和水下深层水泥搅拌法加固的加固地基4，避免由于钢管桩2周围土体受冲刷而无法提供水平约束。桩周防冲刷结构5布置在软土地基的上表面，围绕钢管桩2周围设置。桩周防冲刷结构5可以是不同的方案，比如沙被、抛石、软体排、连锁块、固化土覆盖层等。

图1、图2所示为本实用新型具有水泥搅拌桩加固地基的海上单桩基础的两种实施方式结构示意图。

如图1所示为本实用新型具有水泥搅拌桩加固地基的海上单桩基础第一种实施方式，内圈水泥搅拌桩墙体7与钢管桩2的桩身接触，内圈水泥搅拌桩墙体7采用缓凝性水泥。

如图2所示为本实用新型具有水泥搅拌桩加固地基的海上单桩基础第二种实施方式，内圈水泥搅拌桩墙体7与钢管桩2的桩身之间留有间隔区域8，间隔区域8采用加强土体方法或置换方法进行地基处理，实现荷载有效传递。

如图3所示，加固地基4为阶梯状，梯层依次由上往下向内收。

图3所示的阶梯状的加固地基4的内圈水泥搅拌桩墙体7与钢管桩2的桩身接触；实际工程中，也可以与钢管桩2桩身之间留有间隔区域。

加固地基4的顶高程位于软土地基的泥面9以下。加固地基4的底高程要看工程需要和施工设备条件确定。加固地基4的大小可以根据各工程实际，综合考虑钢管桩承载力要求、变形控制、工程造价确定。

附属结构主要包括但不限于钢平台、靠泊结构和电缆管。安装位置为位于海床以上的钢管桩2外侧。钢管桩2上预留位置，用于连接固定附属结构。

图4至图11显示本实用新型具有水泥搅拌桩加固地基的海上单桩基础的平面布置型式。

图4所示为水泥搅拌桩在钢管桩外满堂式布置，本布置方式具有很好的防冲刷性能。各水泥搅拌桩3互相咬合，布满整个加固地基4。

图5所示为水泥搅拌桩在钢管桩外格构式布置型式一。水泥搅拌桩3互相咬合形成闭合的单层骨架，骨架间隔区域为软土。

图6所示为水泥搅拌桩在钢管桩外格构式布置型式二。水泥搅拌桩3互相咬合形成闭合的二层骨架，骨架内部为软土。即在图5所示的方案中多加了一道圆形的分割骨架。本布置方式具有较好的防冲刷性能。

图7所示为水泥搅拌桩在钢管桩外扶壁式布置型式一，内圈水泥搅拌桩墙体7由单排的水泥搅拌桩排列围成，在其外侧间隔布置扶壁，扶壁由单排的水泥搅拌桩排列形成，各扶壁之间为软土。

图8所示为水泥搅拌桩在钢管桩外扶壁式布置型式二，内圈水泥搅拌桩墙体7由多排的水泥搅拌桩排列围成，在其外侧间隔区域布置扶壁，扶壁由多排的水泥搅拌桩互相咬合形成，各扶壁之间为软土。本布置方式具有好的防冲刷性能。

图4、图5、图6、图7和图8显示内圈水泥搅拌桩墙体7成圆形布置的情况。图9显示为水泥搅拌桩在钢管桩外扶壁式布置型式三，内圈水泥搅拌桩墙体7成正多边形布置。

图4至图9所示为内圈水泥搅拌桩墙体7与钢管桩2接触，位于接触处的所述水泥搅拌桩3采用缓凝性水泥。图10显示内圈水泥搅拌桩墙体7与钢管桩2外边缘中间留有间隔区域 8的示例一，内圈水泥搅拌桩墙体7为与钢管桩同圆心的圆形。图11显示内圈水泥搅拌桩墙体7与钢管桩2外边缘中间留有间隔区域8的示例二，内圈水泥搅拌桩墙体7为与钢管桩同形心的正多边形。间隔区域8采用加强土体方法或置换方法进行地基处理，实现荷载有效传递。

当采用内圈水泥搅拌桩墙体与钢管桩的桩身接触时，本实用新型的施工步骤可为：首先按设计图纸进行水下深层水泥搅拌桩施工，采用满堂式布置、格构式布置或扶壁式布置，位于内圈水泥搅拌桩墙体7应采用具有缓凝性能的水泥。采用水下深层水泥搅拌法形成加固地基4后，在内圈水泥搅拌桩墙体7初凝前在完成钢管桩2沉桩施工，然后做好桩周防冲刷结构5，最后安装附属结构。

当采用内圈水泥搅拌桩墙体与所述钢管桩的桩身留有间隔区域时，本实用新型的施工步骤可为：首先按设计图纸进行水下深层水泥搅拌桩施工，采用满堂式布置或格构式布置或扶壁式布置，水下深层搅拌桩可采用普通水泥，接着完成钢管桩2沉桩施工，内圈水泥搅拌桩墙体7与钢管桩2的间隔区域8采用加强土体方法或置换方法进行地基处理，实现荷载有效传递，做好桩周防冲刷结构5，最后安装附属结构。桩周防冲刷结构5的外边缘可以设计成圆形或为多边形等，其范围可以根据各工程实际确定。

本实用新型实现风机水平荷载通过钢管桩2传到水下深层水泥搅拌法的加固地基4，再传到周围软土地基1，传力路径简洁直接。

综上，本实用新型采用水下水泥搅拌法改善桩周土体的强度和刚度，提高软土地基的水平承载性能，安全、可靠、环保、经济。本实用新型水平承载力高、桩顶水平位移小、桩身倾角小、基础刚度大，适应海上风机水平荷载大的特点，满足海上风机对基础水平位移和桩身倾角的严格要求，满足“结构+基础”整体自振频率的要求。本软土地基中的水平承载性能高的海上单桩基础突破软土地基对单桩基础的制约，适用于更广的海域，适用于单机容量更大、轮毂高度更高、叶片更长、水平荷载更大的风机，可以从风机基础选型这个基本层面，避免采用高桩承台、多脚架、导管架等造价较高的基础类型，从而有效降低海上风机基础工程造价，减短施工工期，提高海上风电场的经济效益；而且施工工艺简单，只需增加小范围的水下地基处理施工，实行起来方便有效。所以，本实用新型有效克服了现有单桩基础中的在软土地基中应用的难点，因而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种具有水泥搅拌桩加固地基的海上单桩基础，钢管桩(2)被沉入海床的软土地基(1)，其特征在于：在所述软土地基(1)内，所述钢管桩(2)周围设置水下深层水泥搅拌法形成的加固地基(4)，所述加固地基(4)为与所述钢管桩(2)同轴的旋转体；所述加固地基(4)包括由水泥搅拌桩(3)和各所述水泥搅拌桩(3)之间的软土。

2.根据权利要求1所述的一种具有水泥搅拌桩加固地基的海上单桩基础，其特征在于：所述加固地基(4)中内圈的所述水泥搅拌桩排列形成内圈水泥搅拌桩墙体(7)；所述内圈水泥搅拌桩墙体(7)与所述钢管桩(2)的桩身接触，所述内圈水泥搅拌桩墙体(7)采用具有缓凝性能的水泥。

3.根据权利要求1所述的一种具有水泥搅拌桩加固地基的海上单桩基础，其特征在于：所述加固地基(4)中内圈的所述水泥搅拌桩排列形成内圈水泥搅拌桩墙体(7)；所述内圈水泥搅拌桩墙体(7)与所述钢管桩(2)之间留有间隔区域(8)，所述间隔区域(8)内采用地基加固技术处理。

4.根据权利要求2或3所述的一种具有水泥搅拌桩加固地基的海上单桩基础，其特征在于：所述内圈水泥搅拌桩墙体(7)的横截面形状为与所述钢管桩(2)同心的圆形或正多边形。

5.根据权利要求2或3所述的一种具有水泥搅拌桩加固地基的海上单桩基础，其特征在于：所述水泥搅拌桩(3)在所述钢管桩(2)外布置为扶壁式，沿所述内圈水泥搅拌桩墙体(7)间隔布置扶壁，所述扶壁由各所述水泥搅拌桩(3)互相咬合形成，各所述扶壁之间为所述软土。

6.根据权利要求2或3所述的一种具有水泥搅拌桩加固地基的海上单桩基础，其特征在于：所述水泥搅拌桩(3)在所述钢管桩(2)外布置为格构式，各所述水泥搅拌桩(3)互相咬合形成闭合的骨架，所述骨架之间为所述软土。

7.根据权利要求2或3所述的一种具有水泥搅拌桩加固地基的海上单桩基础，其特征在于：所述水泥搅拌桩(3)在所述钢管桩(2)外布置为满堂式，各所述水泥搅拌桩(3)互相咬合布满整个所述加固地基(4)。

8.根据权利要求1或2或3所述的一种具有水泥搅拌桩加固地基的海上单桩基础，其特征在于：所述加固地基(4)为阶梯状，梯层依次由上往下向内收。

9.根据权利要求1或2或3所述的一种具有水泥搅拌桩加固地基的海上单桩基础，其特征在于：在所述软土地基(1)的上表面，围绕所述钢管桩(2)周围设置一层桩周防冲刷结构(5)。

10.根据权利要求9所述的一种具有水泥搅拌桩加固地基的海上单桩基础，其特征在于：所述桩周防冲刷结构(5)为沙被或抛石或软体排或连锁块或固化土铺成的覆盖层。

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