CN115094942A - 大直径组合筒、深水基础、风电基础及静力下沉施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海工领域，特别是大直径组合筒、深水基础、风电基础及静力下沉施工方法，其中大直径组合筒的筒体内填充有填料，筒体包括沿筒体长度方向依次设置的钢筋混凝土筒和钢筒，钢筋混凝土筒位于钢筒的上方，钢筋混凝土筒与钢筒之间封闭设置。本申请的一种大直径组合筒，通过钢筋混凝土筒来解决浪溅区腐蚀问题、同时利用钢筒能够适应更多地质条件。组合筒结合了上部钢筋混凝土筒重量大(因为混凝土强重比小，且部分水面以上是干容重)，下部钢筒在水下土中下沉摩阻力小的优势；下部钢筒受拉性能比上部钢筋混凝土筒好，匹配筒内填料随深度增加侧压力增加，筒体环向拉力引起筒壁拉力增加的特点，结构性能优。

Description

大直径组合筒、深水基础、风电基础及静力下沉施工方法

技术领域

本发明涉及海工领域，特别是一种大直径组合筒、深水基础、风电基础及静力下沉施工方法。

背景技术

圆筒结构在海洋工程领域被广泛使用，按材质可分：钢筒和钢筋混凝土筒，在同等大直径(最大外径≥16m时)需求的情况下，钢筒与混凝土筒各有优缺点，具体如下：

钢筒的优点：其比钢筋混凝土筒的重量会轻很多，方便运输，可以采用振动下沉方式进行下沉施工，工艺成熟，适用的地质范围比钢筋混凝土筒更广：

钢筒的缺点：在海洋中面临严重腐蚀问题，尤其位于浪溅区(水面附近)的部分，不得不采取防腐涂层、牺牲阳极等措施以提高使用寿命，但这会增加钢筒成本，带来不经济性问题；水深较大时，钢筒长度增加，其横向刚度变弱，涌浪作用下钢筒晃动剧烈，难以施工。

钢筋混凝土筒的优点：耐腐蚀性好；

钢筋混凝土筒的缺点：因为混凝土强重比远小于钢的强重比，导致同等条件下，钢筋混凝土筒壁厚要比钢筒厚很多，使得钢筋混凝土筒重量大，比钢筒的重量会重很多，给预制运输安装施工带来很大挑战，当其直径和高度很大时很难找到能够匹配的船机设备(直径超过二十多米时，目前全世界只有一条船机设备能够匹配，施工成本非常高)；钢筋混凝土筒壁厚相对较厚，很难像钢筒采用振动下沉方式，因此对地质有一定要求。

发明内容

本发明的目的在于：针对背景技术存在钢筒在海洋中的浪溅区(水面附近)面临严重腐蚀问题，提供一种大直径组合筒、深水基础、风电基础及用于大直径组合筒的静力下沉施工方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种大直径组合筒，包括筒体，筒体内填充有填料，筒体包括沿筒体长度方向依次设置的混凝土筒和钢筒，混凝土筒位于钢筒的上方，混凝土筒与钢筒之间封闭设置。

本申请的一种大直径组合筒，上部是混凝土筒，下部是钢筒，在使用时，钢筒全部没入水下，混凝土筒的一部分位于水面以上，另一部分位于水面以下，钢筒和混凝土筒形成的组合形式，通过混凝土筒来解决浪溅区腐蚀问题、同时利用钢筒能够适应更多地质条件。

同时，组合筒结合了上部混凝土筒重量大(因为混凝土强重比小，且水面以上部分是干容重)，下部钢筒在水下土中下沉摩阻力小的优势；下部钢筒受拉性能比上部混凝土筒好，匹配筒内填料随深度增加侧压力增加，筒体环向拉力引起筒壁拉力增加的特点，结构性能更优。

优选地，混凝土筒沿其长度方向的长度为H，7m≤H≤30m。

混凝土筒(32)沿其长度方向即高度方向。

优选地，钢筒最大外径20.5m≤R1≤40m。

优选地，钢筒的壁厚为T1，0.01m≤T1≤0.05m。

本申请的钢筒最大外径R1≥20.5m，而壁厚T1设置为0.01m≤T1≤0.05m，能够使得本身刚性的钢筒产生“布袋”效应，其结合了大型单桩(monopile)和传统重力式防波堤(revetment)的优点：

由于大型单桩(monopile)所用材料为混凝土或钢等人造材料，而本申请的大直径组合筒，钢筒内填充了更多的填料，例如淤泥、中粗砂，更绿色环保，进而节约成本；

由于传统重力式防波堤(revetment)的填料为自由坍落成型，故本申请的大直径组合筒，能够节约超过三分之二的内部填料。

填料对钢筒筒壁会产生法向土压力。

取钢筒筒壁上的一个微段研究可以看出，由于钢筒产生“布袋”效应，使得法向土压力带来钢筒筒壁上沿周向的拉力，使得内部填料与圆筒形成整体效应，拉力带来额外圆筒刚度(如同装砂的布袋)，加强钢筒结构刚度和整体稳定性。

优选地，混凝土筒的壁厚为T2，10≤T2/T1≤200。

在相同外径规格的情况下，由于混凝土强重比小，所以能达到要求的钢筒所需的壁厚远小于混凝土筒的壁厚，使得本申请的大直径组合筒整体重量比相同外径规格的钢筋混凝土筒要轻很多，从而能够使得更多的现有预制施工工艺及设备满足其运输及下沉施工。

优选地，混凝土筒与钢筒之间设置有横向限位装置，横向限位装置用于限制混凝土筒相对于钢筒的水平横移。

优选地，横向限位装置包括凹槽和与凹槽相配合的凸出部，凹槽设置于混凝土筒和钢筒中的一个上，凸出部设置于混凝土筒和钢筒中的另一个上，来控制混凝土筒相对于钢筒横向移动。

优选地，凹槽内填充有柔性填充层，柔性填充层填充于凸出部的两侧。

由于在施工中，由于施工误差，钢筒的顶部插入凹槽内的凸出部无法与凹槽完全精准配合，此时，凹槽内填充有柔性填充层，能够使混凝土筒与钢筒之间达到更好的封闭效果，同时，因为混凝土筒与钢筒普遍尺寸较大，在安装混凝土筒与钢筒过程中，当凹槽与凸出部配合安装时，能够起到减震作用，以降低混凝土筒与钢筒之间的冲击及震动。

优选地，混凝土筒底部与钢筒相连接。主要起两方面作用，其一，方便混凝土筒与钢筒整体起吊；其二，作为限制混凝土筒相对于钢筒横向移动的一种具体措施。

优选地，混凝土筒底部设置有预埋件，钢筒上连接有连接件，预埋件与连接件可拆卸连接和/或焊接。

优选地，筒体下部设置有减阻设施，减阻设施用于减小筒体下沉过程中的阻力。

优选地，减阻设施包括高压水设施，高压水设施设置于钢筒的下部，高压水设施用于减小钢筒的下沉端部阻力，在施工时，其用于破土。

优选地，钢筒下部设置有空气幕，空气幕用于减小钢筒的下沉侧面阻力。

钢筒大直径壁薄下沉时“挤土效应”弱的特点，使得空气幕最小化土体扰动，也即仅需排出周边砂土或松散粘土层。下沉到位后，土体强度恢复快，有利于后期筒体自身的稳定。

优选地，混凝土筒顶部敞口处覆盖有盖帽，盖帽与混凝土筒密封配合，盖帽上设置有抽气孔。

为了增加下沉力，混凝土筒顶部敞口处覆盖有盖帽，使得筒体内部形成密闭腔，盖帽上设置抽气孔，使用时，抽气孔与抽气设备相连通，抽气设备通过抽气孔抽取筒体内部气体，让筒内形成负压，获得下沉吸力，吸力与筒体重力协同工作，趋使筒体下沉。

优选地，筒体顶部设置有混凝土垫层。

优选地，混凝土筒包括至少两个竖向依次支撑的钢筋混凝土筒单元，相邻钢筋混凝土筒单元之间封闭设置。

优选地，混凝土筒上部最大外径小于下部最大外径。

优选地，还包括透水孔，所述筒体下部连接有底盖，所述透水孔贯穿底盖或钢筒下部的侧壁。

若水底面下为硬岩地基时，钢筒的底部很难插入水底面，在此情况下，且钢筒的下部连接有底盖，在本实施例的一种大直径组合筒下沉施工时，筒体外侧的水能够通过透水孔进入筒体内，从而对大直径组合筒下沉施工影响较小，而当筒体内填充填料后，填料自重能够对底盖施加压力，由于底盖与所述钢筒的下部相连接，从而使得填料自重对底盖施加的压力能够让筒体具有更好的稳定性。

优选地，钢筒横截面为圆形。

优选地，混凝土筒侧壁沿其轴向截面为工字型，用于增加混凝土筒整体强度。

优选地，所述混凝土筒两端敞口设置。

优选地，所述钢筒两端敞口设置。

本申请还公开了一种深水基础，包括如本申请的大直径组合筒，混凝土筒部分位于水面以下，钢筒全部位于水面以下。

优选地，钢筒的至少一部分插入水底面，其中，水底面指河床面或海床面。

优选地，钢筒外侧堆积有防冲刷结构，具体可选防冲刷碎石、土工布等。

本申请还公开了一种风电基础，包括如本申请的一种大直径组合筒，或如本申请的一种深水基础，筒体顶部支撑设置有重力式混凝土板，重力式混凝土板用于安装风电设备。

本申请的一种风电基础，包括如本申请的大直径组合筒，上部是混凝土筒，下部是钢筒，在使用时，钢筒全部没入水下，混凝土筒的一部分位于水面以上，另一部分位于水面以下，钢筒和混凝土筒形成的组合形式，通过混凝土筒来解决浪溅区腐蚀问题、同时利用钢筒能够适应更多地质条件。同时，组合筒结合了上部混凝土筒重量大(因为混凝土强重比小，且水面以上部分是干容重)，下部钢筒在水下土中下沉摩阻力小的优势；下部钢筒受拉性能比上部混凝土筒好，匹配筒内填料随深度增加侧压力增加，筒体环向拉力引起筒壁拉力增加的特点，结构性能更优，其相比较现有的风电基础来说，成本大大降低。

本申请还公开了一种用于大直径组合筒的静力下沉施工方法，包含以下步骤：

S1.将混凝土筒和钢筒分开预制，并分别输送至安装位置附近；

S2.将混凝土筒连接至钢筒上方，形成筒体；

S3.将筒体整体吊装至安装位置；

S4.下放筒体，使得筒体依靠自重下沉至设计标高，其中，混凝土筒的一部分没入水面，钢筒全部没入水面；

S5.在筒体内填充填料。

本申请的一种用于大直径组合筒的静力下沉施工方法，将混凝土筒和钢筒分开预制，相比较现有整体预制的混凝土筒或钢筒来说，单件预制规格大大减小，预制难度大大降低，且相比较整体预制的钢筋混凝土筒来说，大大降低对输送工具的要求，同时，在下沉过程中，组合筒结合了上部混凝土筒重量大(因为混凝土强重比小，且部分水面以上是干容重)，下部钢筒在水下土中下沉摩阻力小的优势，依靠自重即可下沉至设计标高，安装到位，相比较整体预制的钢筒需要专门的振动设备振动下沉来说，大大降低了施工成本和施工难度。

优选地，钢筒的底部沉入水底面。

优选地，筒体下部设置有高压水设施和空气幕，在步骤S4中，筒体下沉过程中，打开高压水设施和空气幕，高压水设施用于减小水下土对筒体的端阻力，空气幕用于减小水下土对筒体的侧阻力。

优选地，筒体上部设置有GPS和/或倾斜仪，在步骤S4中，利用GPS和/或倾斜仪、高压水设施和空气幕调整筒体的倾斜度。

优选地，填料包括淤泥，在步骤S5中，在筒体内填充淤泥，并对至少部分淤泥进行固化，以增加本申请所述的大直径组合筒的稳定性和整体性。

优选地，步骤S5之后还包括步骤S6：待筒体沉降稳定后，在筒体顶部浇筑补偿混凝土垫层至筒体顶部设计标高。

综上，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本申请的一种大直径组合筒，上部是混凝土筒，下部是钢筒，在使用时，钢筒全部没入水下，混凝土筒的一部分位于水面以上，另一部分位于水面以下，钢筒和混凝土筒形成的组合形式，通过混凝土筒来解决浪溅区腐蚀问题、同时利用钢筒能够适应更多地质条件。

同时，组合筒结合了上部混凝土筒重量大(因为混凝土强重比小，且水面以上部分是干容重)，下部钢筒在水下土中下沉摩阻力小的优势；下部钢筒受拉性能比上部混凝土筒好，匹配筒内填料随深度增加侧压力增加，筒体环向拉力引起筒壁拉力增加的特点，结构性能优。

附图说明

图1是本发明的一种大直径组合筒的结构竖向截面示意图。

图2是本发明的一种筒体的结构竖向截面示意图。

图3是本发明的附图2中A-A剖面示意图。

图4是本发明的附图3中C-C剖面示意图。

图5是本发明的附图3中D-D剖面示意图。

图6是本发明的附图3中D-D剖面示意图(爆炸图)。

图7是本发明的附图2中B部放大示意图。

图8是本发明的一种筒体的结构竖向截面示意图(设置有盖帽)。

图9是本发明的填料对钢筒筒壁会产生法向土压力示意图。

图10是本发明的钢筒筒壁上的微段研究示意图。

图11是本发明的一种筒体的结构竖向截面示意图(设置有混凝土垫层)。

图12是本发明的一种深水基础竖向截面示意图。

图13是本发明的空气幕和高压水设施调整筒体姿态示意图。

图14是本发明的一种风电基础竖向截面示意图(1节钢筋混凝土筒，钢筒的下部插入水底面)。

图15是本发明的一种风电基础竖向截面示意图(1节钢筋混凝土筒，钢筒的下部位于水底面)。

图16是本发明的一种风电基础竖向截面示意图(至少2节钢筋混凝土筒，钢筒的下部插入水底面)。

图17是本发明的一种风电基础竖向截面示意图(至少2节钢筋混凝土筒，钢筒的下部位于水底面)。

图18是本发明的一种静力下沉施工方法中钢筋混凝土筒预制示意图。

图19是本发明的一种静力下沉施工方法中钢筒预制示意图。

图20是本发明的一种静力下沉施工方法中钢筋混凝土筒和钢筒整体吊装示意图。

图21是本发明的一种静力下沉施工方法中钢筋混凝土筒和钢筒整体下沉示意图。

图22是本发明的一种静力下沉施工方法中钢筋混凝土筒和钢筒整体下沉至设计标高位置示意图。

图23是本发明的一种静力下沉施工方法中填料的施工示意图。

图24是本发明的一种静力下沉施工方法中筒体沉降示意图。

图25是本发明的一种静力下沉施工方法中浇筑补偿混凝土垫层的施工示意图。

图26是本发明的筒体与挡浪板的配合示意图。

图27是本发明的筒体的使用受力示意图。

图28是本发明的筒体的尺寸示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1所示，本实施例的一种大直径组合筒，包括筒体30，筒体30内填充有填料31，筒体30包括沿筒体30长度方向依次设置的混凝土筒32和钢筒33，混凝土筒32位于钢筒33的上方，混凝土筒32与钢筒33之间封闭设置。

本申请的一种大直径组合筒，上部是混凝土筒32，下部是钢筒33，在使用时，钢筒33全部没入水下，混凝土筒32的一部分位于水面37以上，另一部分位于水面37以下，钢筒33和混凝土筒32形成的组合形式，通过混凝土筒32来解决浪溅区腐蚀问题、同时利用钢筒33能够适应更多地质条件。

同时，组合筒结合了上部混凝土筒32重量大因为混凝土强重比小，且部分水面37以上是干容重，下部钢筒33在水下土中下沉摩阻力小的优势；下部钢筒33受拉性能比上部混凝土筒32好，匹配筒内填料31随深度增加侧压力增加，筒体30环向拉力引起筒壁拉力增加的特点，结构性能优。

混凝土筒32的两端是敞口设置，钢筒33的两端也是敞口设置。

混凝土筒32优选为钢筋混凝土筒。

根据水面37浪高的不同，混凝土筒32沿其长度方向的长度为H，7m≤H≤30m，使其满足高度方向从水面37以上+2～+12m，到水面37以下-15～-5m，以满足本申请的一种大直径组合筒在海洋上的普遍使用。

混凝土筒32侧壁沿其轴向截面为工字型，用于增加混凝土筒32整体强度。

如图28所示，在上述基础上，进一步优选的方式，钢筒33最大外径20.5m≤R1≤40m。钢筒33的壁厚为T1，0.01m≤T1≤0.05m。

经过反复实验得到，本申请的钢筒33最大外径R1≥20.5m，而壁厚T1仅0.01m≤T1≤0.05m，使得钢筒33能够产生“布袋”效应，其结合了大型单桩monopile和传统重力式防波堤revetment的优点：

由于大型单桩monopile所用材料为混凝土或钢等人造材料，而本申请的大直径组合筒，钢筒33内填充了更多的填料31，例如淤泥、中粗砂等，更绿色环保，进而节约成本；

由于传统重力式防波堤revetment的填料为自由坍落成型，故本申请的大直径组合筒，能够节约超过三分之二的内部填料。

同时，如图9所示，填料31对钢筒33筒壁会产生法向土压力。

如图10所示，取钢筒33筒壁上的一个微段研究可以看出，由于钢筒33产生“布袋”效应，使得法向土压力带来钢筒33筒壁上沿周向的拉力，使得内部填料与圆筒形成整体效应，拉力带来额外圆筒刚度如同装砂的布袋，加强钢筒33结构刚度和整体稳定性。

混凝土筒32优选钢筋混凝土材质制成的筒，其横截面可以是圆形、椭圆形、方形或多边形等截面，在其长度方向上，也可以是等，也可以是变截面。

钢筒33横截面优选为圆形、椭圆形、方形或多边形等，在其长度方向上，也可以是等截面，也可以是变截面。

钢筒33与混凝土筒32同轴设置。

在上述基础上，进一步优选的方式，混凝土筒32的壁厚为T2，10≤T2/T1≤200，在相同外径规格的情况下，由于钢筒33所需的壁厚远小于混凝土筒32的壁厚，使得本申请的大直径组合筒整体重量比相同外径规格的钢筋混凝土筒要轻很多，从而能够使得更多的现有预制施工工艺及设备满足其运输及下沉施工。

如图3-6所示，在上述基础上，进一步优选的方式，混凝土筒32与钢筒33之间设置有横向限位装置，横向限位装置用于限制混凝土筒32相对于钢筒33的水平横移。

具体地，横向限位装置包括凹槽322和与凹槽322相配合的凸出部332，凹槽322设置于混凝土筒32和钢筒33中的一个上，凸出部332设置于混凝土筒32和钢筒33中的另一个上，来控制混凝土筒32相对于钢筒33横向移动。

具体地，凹槽322设置于混凝土筒32底部，凸出部332设置于钢筒33顶部。

具体地，凹槽322沿混凝土筒32的筒壁周向设置一圈，凸出部332沿钢筒33的筒壁周向设置一圈，使得凹槽322和凸出部332的配合能够实现混凝土筒32与钢筒33之间封闭设置。

在上述基础上，进一步优选的方式，凹槽322内填充有柔性填充层323，柔性填充层323填充于凸出部332的两侧。

由于在施工中，由于施工误差，钢筒33的顶部插入凹槽322内的凸出部332无法与凹槽322完全精准配合，此时，凹槽322内填充有柔性填充层323，能够使混凝土筒32与钢筒33之间达到更好的封闭效果，同时，因为混凝土筒32与钢筒33普遍尺寸较大，在安装混凝土筒32与钢筒33过程中，当凹槽322与凸出部332配合安装时，能够起到减震作用，以降低混凝土筒32与钢筒33之间的冲击及震动。

具体地，柔性填充层323包括沥青，橡胶等材料。

在上述基础上，进一步优选的方式，混凝土筒32底部与钢筒33相连接。主要起两方面作用，其一，混凝土筒32与钢筒33相连接，方便混凝土筒32与钢筒33整体起吊；其二，作为限制混凝土筒32相对于钢筒33横向移动的一种具体措施。

具体地，混凝土筒32底部设置有预埋件324，钢筒33上连接有连接件333，预埋件324与连接件333可拆卸连接和/或焊接。

具体地，预埋件324与连接件333通过螺栓连接，其外部一圈相互焊接

具体地，连接件333与钢筒33之间连接有加强筋334。

具体地，预埋件324沿混凝土筒32的筒壁周向设置一圈，连接件333沿钢筒33的筒壁周向设置一圈，使得预埋件324和连接件333的连接能够实现混凝土筒32与钢筒33之间封闭设置。

如图7所示，在上述基础上，进一步优选的方式，筒体30下部设置有减阻设施，减阻设施用于减小筒体30下沉过程中的阻力。

具体地，减阻设施包括高压水设施34，高压水设施34设置于钢筒33的下部，高压水设施34用于减小钢筒33的下沉端部阻力，其中，高压水设施34优选高压水枪。

具体地，钢筒33下部设置有空气幕35，空气幕35用于减小钢筒33的下沉侧面阻力。

筒体30下沉过程中，打开高压水设施34和空气幕35，高压水设施34用于减小水下土对筒体30的端阻力，空气幕35用于减小水下土对筒体30的侧阻力。

进一步地，筒体30上部安装GPS和/或倾斜仪，利用GPS和/或倾斜仪、高压水设施34和空气幕35调整筒体30的倾斜度。

例如：如图13所示，当筒体30下沉过程向右侧倾斜时，加大左侧高压水设施34和空气幕35的压力，或减小右侧高压水设施34和空气幕35的压力，通过调节桶底不同部位的减阻设施释放的压力，结合筒体30倾斜仪或GPS等监测数据反馈，即可动态调节筒体30下沉姿态。

如图11所示，在上述基础上，进一步优选的方式，筒体30顶部设置有混凝土垫层38。

在上述基础上，进一步优选的方式，混凝土筒32包括至少两个竖向依次支撑的钢筋混凝土筒单元321，相邻钢筋混凝土筒单元321之间封闭设置。

在上述基础上，进一步优选的方式，混凝土筒32上部最大外径小于下部最大外径。

本实施例的有益效果：本申请的一种大直径组合筒，上部是混凝土筒32，下部是钢筒33，在使用时，钢筒33全部没入水下，混凝土筒32的一部分位于水面37以上，另一部分位于水面37以下，钢筒33和混凝土筒32形成的组合形式，通过混凝土筒32来解决浪溅区腐蚀问题、同时利用钢筒33能够适应更多地质条件。

同时，组合筒结合了上部混凝土筒32重量大因为混凝土强重比小，且部分水面37以上是干容重，下部钢筒33在水下土中下沉摩阻力小的优势；下部钢筒33受拉性能比上部混凝土筒32好，匹配筒内填料31随深度增加侧压力增加，筒体30环向拉力引起筒壁拉力增加的特点，结构性能优。

·采用上部混凝土筒和下部钢筒的组合。混凝土筒位于水上区和水位变动区(即浪溅区)，位于水上区的部分功能兼做上部结构的承台。钢筒位于在浸没区(即水面37以下)和入土区(即水底面39以下)，入土区兼做施工下沉构造。

钢筒33和混凝土筒32通过混凝土筒32预留的凹槽及其自重(由于混凝土筒32在上，地心引力往下)永久连接。

体系刚度来自混凝土和钢结构的组合，以及内部填料侧向土压力带来的几何刚度。

施工方便，施工代价小。因为混凝土筒32提供了自重，其竖向工字形断面加强了施工时的体系刚度(这点对于外海长周期波条件下施工特别重要)。钢筒33壁薄，直径大(壁径比t/D小于现有的任何结构)，因此下沉时可以避免其它桩或沉井的端部存在的“挤土效应”。而且下沉时钢壁与土层的侧向土摩擦力小于混凝土壁的。综上，辅助下沉的施工措施代价可以降到最低。

且上述有点对土地扰动亦可优化，下沉后土体强度恢复快，有利于圆筒外海环境下获得更高的稳定性。

从材料使用角度该方案结合了钢结构和混凝土结构各自的额优势，水位变动区和浪溅区腐蚀问题严重，混凝土结构防腐性能好，混凝土圆筒设置在覆盖该范围的高度区间。筒内填料随深度增加侧压力增加，筒体环向拉力引起筒壁拉力增大，钢结构设置在下部。综上结构性能优。

实施例2

如图8所示，本实施例的一种大直径组合筒，与实施例1的不同之处在于，混凝土筒32顶部敞口处覆盖有盖帽36，盖帽36与混凝土筒32密封配合，盖帽36上设置有抽气孔361。

为了增加下沉力，混凝土筒32顶部敞口处覆盖有盖帽36，使得筒体30内部形成密闭腔，盖帽36上设置抽气孔361，使用时，抽气孔361与抽气设备相连通，抽气设备通过抽气孔361抽取筒体30内部气体，让筒内形成负压，获得下沉吸力，吸力与筒体30重力协同工作，趋使筒体30下沉。

实施例3

如图11所示，本实施例的一种大直径组合筒，与实施例1或2的不同之处在于，还包括透水孔，所述筒体30下部连接有底盖311，所述透水孔贯穿底盖311或钢筒33下部的侧壁。

具体地，所述底盖311上贯穿设置有所述透水孔。

具体地，所述钢筒33下部的侧壁上贯穿设置有所述透水孔。

若水底面39下为硬岩地基时，钢筒33的底部很难插入水底面39，在此情况下，且钢筒33的下部连接有底盖311，在本实施例的一种大直径组合筒下沉施工时，筒体30外侧的水能够通过透水孔进入筒体30内，从而对大直径组合筒下沉施工影响较小，而当筒体30内填充填料31后，填料自重能够对底盖311施加压力，由于底盖311与所述钢筒33的下部相连接，从而使得填料自重对底盖311施加的压力能够让筒体30具有更好的稳定性。

实施例4

如图1-11所示，本实施例的一种大直径组合筒，与实施例1或2或3的不同之处在于，包括混凝土筒32、钢筒33、内置插槽、临时栓接或仰焊等部分。筒体30由混凝土筒32和钢筒33组成。永久阶段两者通过混凝土筒32底部的内置插槽3连接。考虑吊装施工将混凝土筒32和钢筒33栓接或仰焊。

如图26所示，若需要阻止波浪从两混凝土筒32间透过，可采用挡浪板4，同时，挡浪板4能够增加混凝土筒32的侧向刚度。

一种优选地方式：钢筋混凝土圆筒1采用“工字”截面，圆筒高度方向从水面以上+2～+12m，到水面以下-15～-5m。腹板壁厚0.5～1.5m，翼板宽1.5～3m，厚0.5～2.0m。钢圆筒壁厚1～5cm，从水面以下-15～-5m，到海床面或海床面以下15m。

实施例5

如图12所示，本实施例公开了一种深水基础，包括如实施例1或2或3或4的大直径组合筒，混凝土筒32部分位于水面37以下，钢筒33全部位于水面37以下。

如图11所示，在上述基础上，进一步优选的方式，钢筒33的至少一部分插入水底面39，其中，水底面39指河床面或海床面。

如图27所示，上述方案中，当波浪或海风施加给筒体30上部侧向外载荷F_外，水底面下部的土体能够给筒体30施加与外载荷F_外相反的被动土压力F_被，从而使的本实施例所述的大直径组合筒的整体自重能够提供对外载荷F_外的大部分抵抗能力即可满足要求，而不需要提供对于外载荷F_外的全部抵抗能力，从而在相对受力要求下，大直径组合筒的抗力要求能够有效降低。

具体地，在使用过程中，筒体30的重力占80％左右的抵抗能力，被动土压力F_被占20％左右的抵抗能力。

在上述基础上，进一步优选的方式，钢筒33外侧堆积有防冲刷结构310。

实施例6

实施例1或2或3或4的大直径组合筒，或实施例5的深水基础，均可用于风电基础、靠船基础、水上单体基础、水上发射平台基础、水上石油平台基础、水上储油设施基础、水上采油平台基础等，其中，以风电基础举例：

如图14-17所示，本实施例还公开了一种风电基础，包括如实施例1或2或3或4的大直径组合筒，或如实施例5的深水基础，筒体30顶部支撑设置有重力式混凝土板71，重力式混凝土板71用于安装风电设备7。

如图14所示，混凝土筒32部分位于水面37以下，钢筒33全部位于水面37以下，钢筒33的一部分插入水底面39，混凝土筒32顶部支撑设置有重力式混凝土板71，重力式混凝土板71上安装有风电设备7，具体如风力发电机，此时，混凝土筒32可以是等直径筒，也可以选择上小下大的锥台筒。

进一步地，如图15所示，混凝土筒32包括至少两个竖向依次支撑的钢筋混凝土筒单元321，相邻钢筋混凝土筒单元321之间封闭设置，其中至少一个混凝土筒32上部最大外径小于下部最大外径。

如图16所示，若水底面39下为硬岩地基时，混凝土筒32部分位于水面37以下，钢筒33全部位于水面37以下，钢筒33的底部位于水底面39，且钢筒33的底部密封连接有底盖311，以防止填料31从钢筒33的底部漏出，混凝土筒32顶部支撑设置有重力式混凝土板71，重力式混凝土板71上安装有风电设备7，具体如风力发电机。

进一步地如图17所示，混凝土筒32包括至少两个竖向依次支撑的钢筋混凝土筒单元321，相邻钢筋混凝土筒单元321之间封闭设置，其中至少一个混凝土筒32上部最大外径小于下部最大外径。水底面39指河床面或海床面。

实施例7

如图18-25所示，本实施例公开了一种用于如实施例1或2或3或4大直径组合筒的静力下沉施工方法，或如实施例5深水基础中的大直径组合筒的静力下沉施工方法，或如实施例6风电基础中的大直径组合筒的静力下沉施工方法，包含以下步骤：

S1.如图18和19所示，将混凝土筒32和钢筒33分开预制，并分别输送至安装位置附近；

S2.将混凝土筒32连接至钢筒33上方，形成筒体30；

S3.将筒体30整体吊装至安装位置；

S4.下放筒体30，使得筒体30依靠自重下沉至设计标高，其中，混凝土筒32的一部分没入水面37，钢筒33全部没入水面37；

S5.在筒体30内填充填料31。

S6.待筒体30沉降稳定后，在筒体30顶部浇筑补偿混凝土垫层38至筒体30顶部设计标高。

本申请的一种用于大直径组合筒的静力下沉施工方法，将混凝土筒32和钢筒33分开预制，相比较现有整体预制的钢筋混凝土筒或钢筒来说，单件预制规格大大减小，预制难度大大降低，且相比较整体预制的钢筋混凝土筒来说，大大降低对输送工具的要求，同时，在下沉过程中，组合筒结合了上部混凝土筒32重量大因为混凝土强重比小，且部分水面37以上是干容重，下部钢筒33在水下土中下沉摩阻力小的优势，依靠自重即可下沉至设计标高，安装到位，相比较整体预制的钢筒需要专门的振动设备振动下沉来来说，大大降低了施工成本和施工难度。

在上述基础上，进一步优选的方式，钢筒33的底部沉入水底面39。

在上述基础上，进一步优选的方式，筒体30下部设置有高压水设施34和空气幕35，在步骤S4中，筒体30下沉过程中，打开高压水设施34和空气幕35，高压水设施34用于减小水下土对筒体30的端阻力，空气幕35用于减小水下土对筒体30的侧阻力。

在上述基础上，进一步优选的方式，筒体30上部设置有GPS和/或倾斜仪，在步骤S4中，利用GPS和/或倾斜仪、高压水设施34和空气幕35调整筒体30的倾斜度。

在上述基础上，进一步优选的方式，填料31包括淤泥，在步骤S5中，在筒体30内填充淤泥，并对至少部分淤泥进行固化，以增加本申请所述的大直径组合筒的稳定性和整体性。

下面展示本实施例的静力下沉施工方法中一种较优的静力下沉施工方法：

混凝土筒32在陆上或预制工厂流水线上预制完成后，通过半潜驳运输至现场与钢筒33现场拼接。再整体吊装和下沉；

下沉时筒体30部分重力用于和吊力平衡，起到被动控制筒体30倾斜度的效果。之后通过筒底间隔设置的高压水设施34和空气幕35，减小筒体30下沉施工时的土的端阻力和侧阻力。高压水设施34和空气幕35至少沿筒体30周向等间隔设置4组，其中，高压水设施34优选高压水枪。

下沉过程中，通过调控部分高压水设施34和空气幕35的压力大小，主动控制筒倾斜度在0.2～2％。

为增加下沉力必要时，筒体30上部设置气密盖帽36，筒内形成密闭腔，盖帽36上设置抽气孔361、抽气管，让筒内形成负压，获得下沉吸力，吸力与重力协同工作，趋使筒体30下沉。筒体30下沉时和下沉后的原理见下面等式：

–L+Gc+Gs–Bc–Bs+S–T–F＝0

上式L：吊力，Gc：混凝土筒32重力，Gs：钢筒33重力，Bc：混凝土筒32浮力，Bs：钢筒33浮力，S：吸力必要时，T：钢筒33端阻力大小取决于地层土质参数，以及高压水减阻效果，F：钢筒33侧壁阻力大小取决于回填料摩擦角和高度，以及筒体30外部土质地层和空气幕35减阻效果。

筒体30的重力为G，G＝Gc+Gs；筒体30的浮力为B，B＝Bc+Bs。

组合筒体30沉至设计标高后，停止高压水设施34和空气幕35。筒下沉姿态控制结合不同位置高压水设施34和空气幕35压力调节以及筒顶设置GPS+倾斜仪等方法控制。完成后，筒内填满砂或填部分砂，必要时振冲(填砂高度和振冲必要性取决于外海荷载大小)，或者筒体30内部填淤泥并做部分固化(固化必要性取决于外海荷载大小)。

本实施例的一种静力下沉施工方法：对于静力下沉，大直径组合筒结合了上部混凝土圆筒重量大(因为混凝土强重比小，且部分水面以上是干容重)，下部钢圆筒土中下沉摩阻力小的优势；下部钢结构受拉性能比上部混凝土好，匹配筒内填料土体随深度增加侧压力增加，圆筒环向拉力引起筒壁拉力增加的特点，结构性能优；永久阶段，拉力带来额外圆筒刚度(如同装砂的布袋)，加强圆筒结构刚度和整体稳定性。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (30)

1.一种大直径组合筒，其特征在于，包括筒体(30)，筒体(30)内填充有填料(31)，筒体(30)包括沿筒体(30)长度方向依次设置的混凝土筒(32)和钢筒(33)，混凝土筒(32)位于钢筒(33)的上方，混凝土筒(32)与钢筒(33)之间封闭设置。

2.根据权利要求1所述的一种大直径组合筒，其特征在于，混凝土筒(32)沿其长度方向的长度为H，7m≤H≤30m。

3.根据权利要求1所述的一种大直径组合筒，其特征在于，钢筒(33)最大外径20.5m≤R1≤40m。

4.根据权利要求3所述的一种大直径组合筒，其特征在于，钢筒(33)的壁厚为T1，0.01m≤T1≤0.05m。

5.根据权利要求4所述的一种大直径组合筒，其特征在于，混凝土筒(32)的壁厚为T2，10≤T2/T1≤200。

6.根据权利要求1所述的一种大直径组合筒，其特征在于，混凝土筒(32)与钢筒(33)之间设置有横向限位装置，横向限位装置用于限制混凝土筒(32)相对于钢筒(33)的水平横移。

7.根据权利要求6所述的一种大直径组合筒，其特征在于，横向限位装置包括凹槽(322)和与凹槽(322)相配合的凸出部(332)，凹槽(322)设置于混凝土筒(32)和钢筒(33)中的一个上，凸出部(332)设置于混凝土筒(32)和钢筒(33)中的另一个上。

8.根据权利要求7所述的一种大直径组合筒，其特征在于，凹槽(322)内填充有柔性填充层(323)。

9.根据权利要求1所述的一种大直径组合筒，其特征在于，混凝土筒(32)底部与钢筒(33)相连接。

10.根据权利要求9所述的一种大直径组合筒，其特征在于，混凝土筒(32)底部设置有预埋件(324)，钢筒(33)上连接有连接件(333)，预埋件(324)与连接件(333)可拆卸连接和/或焊接。

11.根据权利要求1所述的一种大直径组合筒，其特征在于，筒体(30)下部设置有减阻设施，减阻设施用于减小筒体(30)下沉过程中的阻力。

12.根据权利要求11所述的一种大直径组合筒，其特征在于，减阻设施包括高压水设施(34)，高压水设施(34)设置于钢筒(33)的下部，高压水设施(34)用于减小钢筒(33)的下沉端部阻力。

13.根据权利要求11所述的一种大直径组合筒，其特征在于，钢筒(33)下部设置有空气幕(35)，空气幕(35)用于减小钢筒(33)的下沉侧面阻力。

14.根据权利要求1-13任意一项所述的一种大直径组合筒，其特征在于，混凝土筒(32)顶部敞口处覆盖有盖帽(36)，盖帽(36)与混凝土筒(32)密封配合，盖帽(36)上设置有抽气孔(361)。

15.根据权利要求1-13任意一项所述的一种大直径组合筒，其特征在于，筒体(30)顶部设置有混凝土垫层(38)。

16.根据权利要求1-13任意一项所述的一种大直径组合筒，其特征在于，混凝土筒(32)包括至少两个竖向依次支撑的钢筋混凝土筒单元(321)，相邻钢筋混凝土筒单元(321)之间封闭设置。

17.根据权利要求1-13任意一项所述的一种大直径组合筒，其特征在于，混凝土筒(32)上部最大外径小于下部最大外径。

18.根据权利要求1-13任意一项所述的一种大直径组合筒，其特征在于，还包括透水孔，所述筒体(30)下部连接有底盖(311)，所述透水孔贯穿底盖(311)或钢筒(33)下部的侧壁。

19.根据权利要求1所述的一种大直径组合筒，其特征在于，所述钢筒(33)横截面为圆形；

和/或，

所述混凝土筒(32)侧壁沿其轴向截面为工字型。

20.根据权利要求1所述的一种大直径组合筒，其特征在于，

所述混凝土筒(32)两端敞口设置；

和/或，

所述钢筒(33)两端敞口设置。

21.一种深水基础，其特征在于，包括如权利要求1-20任意一项的大直径组合筒，混凝土筒(32)部分位于水面(37)以下，钢筒(33)全部位于水面(37)以下。

22.根据权利要求21所述的一种深水基础，其特征在于，所述钢筒(33)的至少一部分插入水底面(39)。

23.根据权利要求21或22所述的一种深水基础，其特征在于，钢筒(33)外侧堆积有防冲刷结构(310)。

24.一种风电基础，其特征在于，包括如权利要求1-20任意一项所述的一种大直径组合筒，或如权利要求21-23任意一项所述的一种深水基础，筒体(30)顶部支撑设置有重力式混凝土板(71)，重力式混凝土板(71)用于安装风电设备(7)。

25.一种用于权利要求1-20任意一项大直径组合筒的静力下沉施工方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1.将混凝土筒(32)和钢筒(33)分开预制，并分别输送至安装位置附近；

S2.将混凝土筒(32)连接至钢筒(33)上方，形成筒体(30)；

S3.将筒体(30)整体吊装至安装位置；

S4.下放筒体(30)，使得筒体(30)依靠自重下沉至设计标高，其中，混凝土筒(32)的一部分没入水面(37)，钢筒(33)全部没入水面(37)；

S5.在筒体(30)内填充填料(31)。

26.根据权利要求25所述的一种静力下沉施工方法，其特征在于，在步骤S4中，钢筒(33)的底部沉入水底面(39)。

27.根据权利要求25所述的一种静力下沉施工方法，其特征在于，所述筒体(30)下部设置有高压水设施(34)和空气幕(35)，在步骤S4中，所述筒体(30)下沉过程中，打开所述高压水设施(34)和所述空气幕(35)，所述高压水设施(34)用于减小水下土对筒体(30)的端阻力，所述空气幕(35)用于减小水下土对筒体(30)的侧阻力。

28.根据权利要求27所述的一种静力下沉施工方法，其特征在于，筒体(30)上部设置有GPS和/或倾斜仪，在步骤S4中，利用GPS和/或倾斜仪、高压水设施(34)和空气幕(35)调整筒体(30)的倾斜度。

29.根据权利要求25所述的一种静力下沉施工方法，其特征在于，填料(31)包括淤泥，在步骤S5中，在筒体(30)内填充淤泥，并对至少部分淤泥进行固化。

30.根据权利要求25所述的一种静力下沉施工方法，其特征在于，步骤S5之后还包括步骤S6：待筒体(30)沉降稳定后，在筒体(30)顶部浇筑补偿混凝土垫层(38)至筒体(30)顶部设计标高。

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