CN118007690A - 一种海上风电用钢管混凝土搅拌复合桩基础的设计施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海上风电用钢管混凝土搅拌复合桩基础的设计施工方法，根据海上风电设备的荷载要求以及海水的深度，选择与海上风电设备所适配的支撑体，其采用承台或多脚架中的一种；针对采用承台作为支撑体的情况，在承台的下方施工若干钢管混凝土搅拌复合桩，若干钢管混凝土搅拌复合桩分别呈一定角度的倾斜布置在承台下方并形成向外的倾斜散射状；针对采用多脚架作为支撑体的情况，在承台的下方施工若干钢管混凝土搅拌复合桩，若干钢管混凝土搅拌复合桩呈竖直布置在多脚架的下方。本发明的优点是：1）结构受力合理，降低基础成本及施工难度；2）提高基础抗腐蚀性；3）具有良好的抗疲劳性能；4）提高基础使用寿命。

Description

一种海上风电用钢管混凝土搅拌复合桩基础的设计施工方法

技术领域

本发明涉及海上风电基础技术领域，尤其是一种海上风电用钢管混凝土搅拌复合桩基础的设计施工方法。

背景技术

海上风电基础一直是海上风电工程中的重点和难点，海上风电的基础结构，现有八种主要的结构类型，即单桩基础、高桩承台基础、导管架基础，重力式基础、三脚架基础、以及桶式、浮式基础与吸力式基础，如今国内用的最多的是钢管桩单桩或高桩承台基础。

由于海上风电荷载大，造成这两种基础钢管桩都比较大，即直径、桩长尺寸都较大，钢管桩直径最大可达10m，桩长几十米至近百米长，重量千吨以上，且施工场地位于海上，巨大的钢管桩给海上运输、吊装、打桩、等各施工工序都造成了巨大的困难，造价高昂，在海洋环境中，钢管的防腐也是一个很难处理的问题。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足，提供了一种海上风电用钢管混凝土搅拌复合桩基础的设计施工方法，复合桩在海底土层中由外侧搅拌水泥土桩为内部的钢管混凝土芯桩提供摩擦力，而钢管混凝土芯桩，由于钢管的约束作用，使钢管内的混凝土处于三向受力状态，其桩身承载能力较之一般的混凝土或纯钢管大幅提高，同时其整体刚度、抗弯、抗冲击性能大幅提高，可大幅度减少钢管的截面尺寸，给桩基材料的运输、吊装带来了很大的方便，同时节省了打桩的过程，可大幅度降低桩基的材料成本和施工成本，同时在内部混凝土和外部搅拌桩水泥土的保护下，复合桩基中的钢管防腐蚀能力也得到了大幅度提高，钢管混凝土结构的抗循环荷载疲劳性能较之空心钢管结构有明显提高，使桩基的设计寿命可以显著增加；钢管混凝土结构刚度大，使其基础可以适用于更深的海域；较之传统海上风电基础具有明显的技术经济优势。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种海上风电用钢管混凝土搅拌复合桩基础的设计施工方法，用于对海上风电设备支撑，所述海上风电设备包括风电机组、风电叶片和塔筒，其特征在于：所述设计施工方法包括以下步骤：

根据所述海上风电设备的荷载要求以及海水的深度，选择与所述海上风电设备所适配的支撑体，所述支撑体用于与所述塔筒连接以对所述海上风电设备进行支撑，其采用承台或多脚架中的一种；

针对采用所述承台作为所述支撑体的情况，在所述承台的下方施工若干钢管混凝土搅拌复合桩，若干所述钢管混凝土搅拌复合桩分别呈一定角度的倾斜布置在所述承台下方并形成向外的倾斜散射状；

针对采用所述多脚架作为所述支撑体的情况，在所述承台的下方施工若干钢管混凝土搅拌复合桩，若干所述钢管混凝土搅拌复合桩呈竖直布置在所述多脚架的下方；

所述钢管混凝土搅拌复合桩的底部插入海底土层，其插入所述海底土层的部分由外至内包括搅拌桩、钢管混凝土芯桩，所述钢管混凝土芯桩由钢管以及灌注在其内部的混凝土构成，所述钢管混凝土搅拌复合桩位于海面与海底之间海水的部分为钢管混凝土桩。

当采用所述承台作为所述支撑体时，在相邻的所述钢管混凝土搅拌复合桩之间通过钢管桁架连接以将若干所述钢管混凝土搅拌复合桩连接构成整体结构。

所述钢管桁架包括套箍和连接所述套箍的桁架杆件，所述套箍套设固定在所述钢管混凝土搅拌复合桩的外围；相邻的所述钢管混凝土搅拌复合桩上分别套设有所述套箍，且所述套箍之间通过所述桁架杆件连接固定构成整体结构。

所述多脚架具有与若干所述钢管混凝土搅拌复合桩的数量对应的支脚，各所述钢管混凝土搅拌复合桩的钢管混凝土桩与各支脚一一对应连接。

本发明的优点是：

1）结构受力合理，降低基础成本及施工难度：钢管混凝土搅拌复合桩，由外部大直径搅拌桩提供摩擦力，内部钢管混凝土芯桩提供桩身承载力；钢管混凝土芯桩，由于钢管的约束作用，使钢管内的混凝土处于三向受力状态，其桩身承载能力较之一般的混凝土或纯钢管桩大幅提高，在承担同等荷载时，可大幅度减少钢管的直径，减少桩基础的材料成本；同时可以还可以分节施工，与常规的海上风电基础大直径长钢管桩相比，大大降低了海上运输及吊装的成本；同时桩基采用搅拌下沉的工艺，不需要海上打桩，大幅降低了沉桩的难度和成本；本桩型从材料、海上运输、吊装、打桩等各方面均有效的降低了成本，综合造价较之常规钢管桩基础有明显的优势。

2）提高基础抗腐蚀性：钢管混凝土搅拌复合桩，钢管在管内混凝土、管外水泥土的包裹下，大幅度提高了其在海洋环境下的抗腐蚀性能。

3）具有良好的抗疲劳性能：钢管混凝土结构较之纯钢管桩结构，其在循环荷载下的抗疲劳性能具有明显优势，可明显提高基础的抗结构疲劳能力。

4）提高基础使用寿命：抗腐蚀性、抗结构疲劳性能是影响海上风电基础使用寿命的关键因素；由于海水的高腐蚀性，对目前的空心钢管桩腐蚀比较严重，同时风电机组运营过程中的长时间振动荷载、海浪、海冰、海风对基础的来回冲击，使海上风电基础承受了较大的循环荷载；目前海上风电基础设计寿命一般为25-30年；钢管混凝土搅拌复合桩结构在抗腐蚀性、抗结构疲劳性能上均有明显的加强，可有效的延长海上风电基础的使用寿命，加大其使用期内的发电量，进而降低海上风电单度电的综合成本。

5）结构抗冲击能力强：钢管混凝土结构相比空心钢管结构，由于其内部实心混凝土的存在，使其抗冲击、抗弯等性能也较空心钢管大幅提高，可有效抗击海浪、潮汐、海冰、海风等外部恶劣条件的冲击。

6）结构刚度大，稳定性强，适用海水深度大：钢管混凝土柱结构刚度大，其与海底以下的钢管混凝土搅拌复合桩为一体结构，其整体稳定性较之空心钢管高桩承台基础提高明显，同时由于钢管混凝土柱身具有良好的环向抗压能力，可现场水下采用套箍螺栓连接形式将钢管混凝土柱连成桁架系统，增加钢管桁架后，可大幅提高群桩承台基础的稳定性，使本结构可以应用在海水比较深的区域，大幅提高固定基础在海上风电的使用水深，为海上风电走向深海创造技术条件。

附图说明

图1为本发明实施例一的结构示意图；

图2为本发明实施例一的细部示意图；

图3为本发明实施例一的端部示意图；

图4为本发明实施例一中复合桩的截面示意图；

图5为本发明实施例一结合桁架的结构示意图；

图6为本发明实施例一中桁架的连接结构示意图；

图7为本发明实施例二的结构示意图；

图8为本发明实施例二的细部示意图；

图9为本发明实施例二的端部示意图；

图10为本发明实施例二中复合桩的截面示意图；

图11为本发明实施例一的施工步骤图Ⅰ；

图12为本发明实施例一的施工步骤图Ⅱ；

图13为本发明实施例一的施工步骤图Ⅲ；

图14为本发明实施例一的施工步骤图Ⅳ。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-14所示，图中标记1-24分别表示为：风电机组1、风电叶片2、塔筒3、承台4、钢管混凝土桩5、钢管混凝土搅拌复合桩6、混凝土7、钢管8、搅拌桩水泥土9、搅拌头10、钢管桁架11、套箍12、桁架杆件13、螺栓14、钢三脚架15、水泥浆泵16、注浆软管17、注浆钢管18、回转动力头19、施工平台20、机架21、钢管接头22、注浆钢管接头23、混凝土制备泵送船24。

实施例一：如图1至图6所示，本实施例中海上风电用高桩承台式钢管混凝土搅拌复合桩基础用于对海上风电设备进行支撑，该海上风电设备包括风电机组1、风电叶片2和塔筒3，其中风电叶片2安装在风电机组1上用于收集风能，而风电机组1则用于将风能转换为电能，塔筒3设置在风电机组1的下方。

具体而言，结合图1至图4所示，本实施例中的海上风电用高桩承台式钢管混凝土搅拌复合桩基础的主体包括作为支撑体的承台4和若干钢管混凝土搅拌复合桩6，其中若干钢管混凝土搅拌复合桩6设置在承台4的下部且各钢管混凝土搅拌复合桩6均呈一定角度的倾斜布置，使得若干钢管混凝土搅拌复合桩6呈散射状布置在承台4的下方，以对承台4进行有效支撑，而塔筒3则支撑在承台4的上方。

在本实施例中，位于承台4底部的桩基包括钢管混凝土桩5和钢管混凝土搅拌复合桩6，其中钢管混凝土桩5是位于海面至海底之间的海水之中，且其作为钢管混凝土搅拌复合桩6的芯桩部分，而钢管混凝土搅拌复合桩6则插入海底土层中，其包含了钢管混凝土桩5以及搅拌桩水泥土9（搅拌桩）的复合桩。

具体而言，钢管混凝土桩5包括钢管8以及灌注在其内部的混凝土7，由于钢管8的约束作用，使混凝土7处于三向受力状态；钢管混凝土搅拌复合桩6在海底土层中由外侧的搅拌桩水泥土9为内部的钢管混凝土桩5提供摩擦力，其桩身承载能力大幅提高，其整体刚度、抗弯、抗冲击性能大幅提高，可大幅度减少钢管的截面尺寸，给桩基材料的运输、吊装带来了很大的方便，同时节省了打桩的过程，可大幅度降低桩基的材料成本和施工成本。同时，位于海底土层内的钢管混凝土搅拌复合桩6的钢管8在内部混凝土7和外部搅拌桩水泥土9的保护下，防腐蚀能力也得到了大幅度提高，钢管混凝土结构的抗疲劳性能也较纯钢结构有明显的提高，可有效的提高海上风电基础的使用寿命。

如图3所示，在本实施例中，搅拌桩水泥土9在施工时，通过搅拌头10将水泥浆与海底土层的土体充分拌合形成水泥土。

如图5所示，为了进一步提高对承台4及上方的海上风电设备的支撑效果，在各钢管混凝土桩5之间可设置钢管桁架11以将各钢管混凝土桩5连接构成整体结构。

具体而言，如图6所示，钢管桁架11包括套箍12、桁架杆件13、螺栓14。其中，套箍12为可打开的两个半环状结构，其打开后可环抱在钢管8的外围而后通过螺栓14将两个半环状结构连接固定，从而使套箍12可以固定在钢管混凝土桩5上，桁架杆件13用于将相邻两个钢管混凝土桩5上的套箍12进行连接，从而将相邻钢管混凝土桩5连接固定构成整体。在使用时，为了提高使用效果，桁架杆件13可以分为水平杆件和斜向杆件，以提高各钢管混凝土桩5之间的整体性。

本实施例在施工时，如图11至图14所示，包括如下步骤：

1）搭建施工平台20，在施工平台20上架设各类施工设备。

2）回转动力头19抱住钢管8旋转，带动底部搅拌头10旋转切割土体，同时水泥浆泵16通过注浆软管17和注浆钢管18向搅拌头10喷注水泥浆，桩头土体在搅拌头10搅拌下与水泥浆充分拌合形成水泥土，同时机架21带动钢管8与搅拌头10在土体中边搅边下沉（此工艺与搅拌桩类似），如需复搅，机架21亦可带动钢管8及搅拌头10上下往复搅拌，完成复搅。

3）完成一根钢管8的搅拌桩施工后，如桩长未达到设计桩长，可通过钢管接头22、注浆钢管接头23进行连接，施工下一节钢管搅拌桩，直至达到设计桩长。

4）搅拌桩施工至设计桩长后，撤掉机架21，用混凝土制备泵送船24向空心的钢管8内灌注混凝土7，形成钢管混凝土搅拌复合桩6。

5）在若干钢管混凝土搅拌复合桩6之上施作承台4。

实施例二：如图7至图10所示，本实施例相较于实施例一的不同之处在于：对于海上风电设备的支撑体的选择不同且针对性的布置了不同的钢管混凝土搅拌复合桩6。

具体而言，如图7至图10所示，本实施例中的承台主体包括作为支撑体的钢三脚架15和若干钢管混凝土搅拌复合桩6，其中若干钢管混凝土搅拌复合桩6设置在钢三脚架15的下部且各钢管混凝土搅拌复合桩6均呈竖直布置，以对钢三脚架15进行有效支撑，而塔筒3则支撑在钢三脚架15的上方。在本实施例中，该钢三脚架15具有对称布置的三个支脚，各支脚分别与一对应的钢管混凝土搅拌复合桩6的钢管混凝土桩5连接。

在本实施例中，位于钢三脚架4底部的桩基包括钢管混凝土桩5和钢管混凝土搅拌复合桩6，其中钢管混凝土桩5是位于海面至海底之间的海水之中，且其作为钢管混凝土搅拌复合桩6的芯桩部分，而钢管混凝土搅拌复合桩6则插入海底土层中，其包含了钢管混凝土桩5以及搅拌桩水泥土9（搅拌桩）的复合桩。

上述实施例在具体实施时：这个两种结构形式都可以用在海底土层比较厚的地质条件下；采用承台4作为支撑体配合倾斜布置的钢管混凝土搅拌复合桩6时，可适用于风电荷载较大的条件下；钢管桁架11则可以起到增强作用，当海水深度较大，钢管混凝土柱在水中长度较大，对其稳定性要求较高时，通过增设钢管桁架11提高其在海水中的稳定性；采用钢三脚架15（多脚架）作为支撑体配合竖直布置的钢管混凝土搅拌复合桩6时，由于采用竖直桩，施工较为方便。

虽然以上实施例已经参照附图对本发明目的的构思和实施例做了详细说明，但本领域普通技术人员可以认识到，在没有脱离权利要求限定范围的前提条件下，仍然可以对本发明作出各种改进和变换，故在此不一一赘述。

Claims (4)

1.一种海上风电用钢管混凝土搅拌复合桩基础的设计施工方法，用于对海上风电设备支撑，所述海上风电设备包括风电机组、风电叶片和塔筒，其特征在于：所述设计施工方法包括以下步骤：

根据所述海上风电设备的荷载要求以及海水的深度，选择与所述海上风电设备所适配的支撑体，所述支撑体用于与所述塔筒连接以对所述海上风电设备进行支撑，其采用承台或多脚架中的一种；

针对采用所述承台作为所述支撑体的情况，在所述承台的下方施工若干钢管混凝土搅拌复合桩，若干所述钢管混凝土搅拌复合桩分别呈一定角度的倾斜布置在所述承台下方并形成向外的倾斜散射状；

针对采用所述多脚架作为所述支撑体的情况，在所述承台的下方施工若干钢管混凝土搅拌复合桩，若干所述钢管混凝土搅拌复合桩呈竖直布置在所述多脚架的下方；

所述钢管混凝土搅拌复合桩的底部插入海底土层，其插入所述海底土层的部分由外至内包括搅拌桩、钢管混凝土芯桩，所述钢管混凝土芯桩由钢管以及灌注在其内部的混凝土构成，所述钢管混凝土搅拌复合桩位于海面与海底之间海水的部分为钢管混凝土桩。

2.根据权利要求1所述的一种海上风电用钢管混凝土搅拌复合桩基础的设计施工方法，其特征在于：当采用所述承台作为所述支撑体时，在相邻的所述钢管混凝土搅拌复合桩之间通过钢管桁架连接以将若干所述钢管混凝土搅拌复合桩连接构成整体结构。

3.根据权利要求2所述的一种海上风电用钢管混凝土搅拌复合桩基础的设计施工方法，其特征在于：所述钢管桁架包括套箍和连接所述套箍的桁架杆件，所述套箍套设固定在所述钢管混凝土搅拌复合桩的外围；相邻的所述钢管混凝土搅拌复合桩上分别套设有所述套箍，且所述套箍之间通过所述桁架杆件连接固定构成整体结构。

4.根据权利要求1所述的一种海上风电用钢管混凝土搅拌复合桩基础的设计施工方法，其特征在于：所述多脚架具有与若干所述钢管混凝土搅拌复合桩的数量对应的支脚，各所述钢管混凝土搅拌复合桩的钢管混凝土桩与各支脚一一对应连接。