一种海上风机重力式基础复合地基及其处理方法与流程

文档序号:17862282发布日期:2019-06-11 22:56阅读:808来源:国知局

本发明涉及海上风电风机基础技术领域,尤其是涉及一种海上风机重力式基础复合地基及其处理方法。



背景技术:

在全球高度关注发展低碳经济的环境下,风力发电作为可再生能源市场潜力巨大。海上风电虽然起步较晚,但是凭借海风资源的稳定性和大发电功率的特点,海上风电近年来正在世界各地飞速发展。目前海上风电的风机基础主要有以下几种型式:单桩基础、导管架基础、高桩承台基础、重力式基础等。

我国海上风电起步以东海大桥海上风电试验风场作为里程碑,正在经历从潮间带逐步向近海浅水、深远海域的发展阶段。相比欧洲海上风电场区多为土层相对较硬的砂质海床,我国东部沿海区域基本上是由冲刷形成的淤泥质软土海床,工程力学性质差。因此我国的海上风机基础普遍选用单桩、多桩承台及导管架的基础型式,依靠打入土层深度及桩端嵌岩来提高桩基承载力。海上打桩作业窗口期短,施工难度较大,风机基础工程造价也相对较高。

重力式基础主要依靠自重来抵抗风、浪、流共同产生的作用,维持风机及自身结构的稳定,适用于水深不超过25m的近海区域。相比海上打桩,重力式基础在施工难度和经济性方面都有一定的优势。但对于我国海床表层为淤泥质软土层的地质,天然地基已不能作为基础持力层,重力式基础在软土海床海域难以应用。

目前对于我国海床表层为淤泥质软土层的地质,一般采用的是水泥土搅拌桩的方法。水泥土搅拌法适用于处理正常固结的淤泥与淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土、黏性土以及无流动地下水的饱和松散砂土等地基。海上现场施工过程中发现,水泥土搅拌桩法对于处于嵌固结或流动状态的,且土层较厚的淤泥或淤泥质土,实际处理未达到预期效果。水泥土搅拌桩的桩径往往较小,需要通过布置较密的桩,提高地基承载力,施工工期较长。



技术实现要素:

为解决以上问题,本发明提供一种海上风机重力式基础复合地基及其处理方法,通过对软土海床一定范围区域进行挤密砂桩加固,使砂桩与软土层土体共同作用形成复合地基,以满足重力式基础对地基承载力的要求。

本发明采用的技术方案是:一种海上风机重力式基础复合地基,包括挤密砂桩,其特征在于:所述挤密砂桩下端穿越软土层并进入硬土层,所述挤密砂桩上端设有褥垫层,所述褥垫层上设有重力式基础和抛石防护,所述抛石防护在重力式基础边缘且向外延伸;所述挤密砂桩的桩径d为0.5m~1.5m,挤密砂桩的桩长l为10m,挤密砂桩的桩间距s,满足:

fspk=[1+m(n-1)]fsk

其中:m、桩土面积置换率;n、复合地基桩土应力比;fsk、处理后桩间土承载力特征值;fspk、复合地基承载力。

作为优选,所述挤密砂桩采用正方形布桩,m=d2/(1.13s)2,确定桩间距s。

作为优选,所述褥垫层厚度为0.3m,范围为重力式基础底板边缘向外延伸0.3m。

进一步的,所述挤密砂桩的加固范围为褥垫层和抛石防护下方区域,及抛石防护边缘向外延伸2m范围。

一种海上风机重力式基础复合地基处理的方法,包括以下步骤:

a、对拟定机位进行地质勘查,确定表层软土层的地基承载力fsk1;并根据拟定机位海床的软土特性,选择用砂种类、颗粒级配以及施工工艺,制作挤密砂桩进行室内试验和现场试验,以确定选用的桩体材料和施工工艺的适用性;

b、根据重力式基础在极端荷载工况作用下,基底受到的最大压应力p,确定处理后复合地基承载力要求值fspk;

确定挤密砂桩的加固范围、桩径、桩长及桩间距:

挤密砂桩的加固范围:大于抛石防护施工范围;

挤密砂桩的桩径d:根据施工条件选择;

挤密砂桩的桩长l:挤密砂桩需穿越软土层并进入硬土层,且满足基础沉降变形的要求;

挤密砂桩的桩间距s:

根据fspk=[1+m(n-1)]fsk确定桩土面积置换率m,

其中:m、桩土面积置换率;n、复合地基桩土应力比;fsk、处理后桩间土承载力特征值;fspk、复合地基承载力;

根据不同的布桩方式,桩土面积置换率m与桩间距s及桩径d的关系,进而确定桩间距s;

c、根据步骤b确定的挤密砂桩加固范围、桩径、桩长及桩间距,使用步骤a选定的材料和施工工艺进行挤密砂桩现场施工;

d、挤密砂桩达到设计强度后,对加固区域进行地基承载力检测,检测达到设计承载力要求后,挖除设计桩顶以上土层,在桩顶设置褥垫层,并对褥垫层表面进行找平处理;

e、安装重力式基础;

f、在重力式基础边缘采取抛石防护措施。

作为优选,步骤a中,桩体材料为渗透率5~8m/d的中粗砂,其中大于0.5mm的砂含量占总重量的50%以上,含泥量小于3%。

作为优选,步骤b中,挤密砂桩的加固范围为抛石防护区域边缘向外延伸2m。

作为优选,步骤b中,所述挤密砂桩的桩径为0.5m~1.5m。

作为优选,步骤b中,所述挤密砂桩的桩长l为10m。

作为优选,步骤b中,挤密砂桩采用正方形布桩,m=d2/(1.13s)2,确定桩间距s。

作为优选,步骤d中,所述褥垫层厚度为0.3m,范围为重力式基础底板边缘向外延伸0.3m。

作为优选,步骤d中,所述褥垫层为级配碎石褥垫层。

进一步的,步骤f中,在重力式基础边缘延伸10m范围内采取抛石防护措施。

本发明取得的有益效果是:通过对拟定机位软土海床进行挤密砂桩加固,提高了基础持力层的地基承载力和风机基础的稳定性,使重力式基础可以应用于我国的软土海床海域,从而降低海上基础的造价。

附图说明

图1为本发明的结构示意图;

图2为挤密砂桩的平面布置图;

图中:1、挤密砂桩;2、褥垫层;3、重力式基础;4、抛石防护;5、软土层;6、硬土层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1-2所示,某近海海域海床表层为淤泥质软土层5,软土层5下面是硬土层6,在加固范围内使用挤密砂桩1进行加固,挤密砂桩1的桩顶铺设有褥垫层2,褥垫层2上安装重力式基础3,并在基础边缘范围做抛石防护4。

本实例中,现场海床条件:上层为淤泥质软土层,厚8m,地基承载力(fsk1)为80kpa,土层侧摩阻力(qs1)为20kpa;下层土为黏土层(硬土层),厚20m,地基承载力(fsk2)为140kpa,土层侧摩阻力(qs2)为65kpa,桩端阻力(qp)为1200kpa。

重力式基础的重量为3120t,基底为圆形,直径27m,基底面积(ap)572.3m2;风机极端荷载工况作用在基底的弯矩荷载m=160000kn.m,计算得到基底最大压应力p=210kpa,大于软土层地基承载力80kpa,需要对软土地基进行挤密砂桩加固。加固后软土土层承载力(fspk)根据上部荷载要求应达到210kpa以上。

根据海床土体特性和施工机械条件,选择的桩体材料为渗透率5~8m/d的中粗砂,其中大于0.5mm的砂含量占总重量的50%以上,含泥量小于3%。成桩采用挤密砂桩船进行振动沉管工艺,施工前打桩3根进行成桩试验,掌握其施工工艺以及桩管拔起高度、下压高度、下压振密时间等技术参数。

挤密砂桩的桩径根据施工条件选择:桩径d=1.5m,桩周长up=4.71m。加固桩长及桩间距s通过计算确定,计算方法参见《建筑地基处理技术规范》(jgj220-2012)。

本实例中加固桩长及桩间距确定原则如下:

第一步,确定桩长:

根据机位海床条件,加固桩长需穿越软土层,并进入硬土层厚度不小于2m,且满足基础沉降变形的要求,由此确定桩长为10m。

第二步,确定桩间距:

由fspk=[1+m(n-1)]fsk,可求得面积置换率m

其中:m—桩土面积置换率;n—复合地基桩土应力比,对于黏性土可取2.0~4.0,对于砂土、粉土可取1.5~3.0,本实例n取2.0;fsk1—处理后桩间土承载力特征值,本实例fsk取140kpa;fspk—复合地基承载力,本实例fspk取210kpa;

本实施例中,采用正方形布桩,

即桩间距s为1.8m

本实例中,上层软土厚度8m,挤密砂桩桩径1.5m,桩长10m。正方形布桩,桩中心间距1.8m,加固后地基承载力可从80kpa提高到210kpa。挤密砂桩的加固范围为抛石防护下方及边缘向外延伸2m,本实施例中,挤密砂桩加固范围为40m×40m,经核算,可以满足加固土体整体抗倾覆和抗滑移稳定性的要求。

在拟定机位进行挤密砂桩施工,施工时应严格遵循机具定位→桩管沉入→加砂料→拔管→桩管下压→拔管等工序,保证灌砂量符合设计要求,桩体连续密实;施工完成后,对加固区域进行地基承载力检测;检测满足设计承载力要求后,清除设计桩顶以上土层,然后在桩顶铺设级配碎石褥垫层,并对褥垫层表面找平;最后在褥垫层上安装重力式基础,褥垫层厚度为0.3m,褥垫层施工范围为重力式基础下方及边缘向外延伸0.3m。为防止基础周围土层冲刷,沿基础边缘延伸10m范围内采取抛石防护措施。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要结构特征。本发明不受上述实例的限制,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

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