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；
即
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。