海上风电抗冰结构单桩加固处理方法以及加固基础与流程

本发明属于风电基础加固领域，具体涉及海上风电抗冰结构单桩加固处理方法以及加固基础。

背景技术：

目前海上风电机组基础80%采用单桩型式，随着风电机组功率越来越大，载荷也越来越大，单桩桩径越来越大，对于表面深厚软弱土且下覆基岩地质结构，桩基稳定性难以满足要求，给设计和施工带来了极大的挑战。

技术实现要素：

本发明的技术问题是随着海上风电机组功率和载荷的增加，目前海上风电普通采用的单桩型式的风电机组桩基稳定性难以满足要求。

本发明的目的是解决上述问题，提供海上风电抗冰结构单桩加固处理方法以及加固基础，在风电机组的单桩周围的软土中设置多个挤密砂桩，形成新的复合地基，对海上风电机组的单桩桩基进行加固。

本发明的技术方案是海上风电抗冰结构单桩加固处理方法，利用挤密砂桩置换海床表面软土，对海上风电机组的单桩桩基进行加固，单桩加固处理方法包括以下步骤，

步骤1：计算每根挤密砂桩的桩中心坐标；

步骤2：施工船定位至挤密砂桩的精确坐标位置，依次分别沉放多根砂桩套管，当砂桩套管接近泥面时，对砂桩套管进行加压排水，同时保持管内的空气压力，继续下沉砂桩套管至设计的底面标高，下沉过程中检测并排挤掉砂桩套管端部进入的淤泥；

步骤3：将砂灌入砂桩套管；

步骤4：根据砂桩套管所处土层深度设定管内空气压力，持压上拔砂桩套管，管内砂留在土层中，检测砂桩套管内砂面标高，控制上拔砂桩套管的速度，避免拔管过快导致软土进入砂桩套管底部；持续维持管内压力回打，使砂柱挤密压实扩径；循环进行补砂、拔管、回打，形成整根挤密砂桩；

步骤5：重复步骤2-4，以风电机组的单桩为中心，在单桩周围设置多根挤密砂桩，形成挤密砂桩阵列，完成对单桩桩基加固。

步骤1之前，采用gps无验潮法进行水下地形测量，绘制水下地形图，确定泥面标高。

步骤4中，所述循环进行补砂、拔管、回打，单次的回打深度、成桩高度的计算式如下：

a=δgl×(1-d2²/d²)

h=δgl-a

δgl=gl2-gl1

其中δgl为拔管高度，a为回打高度，h为成桩高度，gl1为拔管前实测砂桩套管底面标高、gl2为拔管后实测砂桩套管底面标高，d2为砂桩套管底部内径，d为扩径后水下挤密砂桩直径。

步骤4中，所述检测砂桩套管内砂面标高，控制上拔砂桩套管的速度，避免拔管过快导致软土进入砂桩套管底部，当砂桩套管内排出砂量小于理论应用砂量时，减小上拔砂桩套管的速度，直至砂桩套管内排出砂量与理论应用砂量相等，

砂桩套管内排出砂量

v1=π×d1²(sl1-sl2)/4

式中sl1为拔管前实测管内砂面标高，sl2为拔管后实测管内砂面标高，d1为砂桩套管上部内径；

上拔砂桩套管δgl高度后理论应用砂量

v2=π×d2²(gl2-gl1)/4

δgl=gl2-gl1

式中gl1为拔管前实测砂桩套管底面标高、gl2为拔管后实测砂桩套管底面标高，d2为砂桩套管底部内径。

利用单桩加固处理方法形成的单桩加固基础，包括单桩桩基和多个挤密砂桩，单桩桩基与海床基岩连接，挤密砂桩设置在基岩上方的软土层中；挤密砂桩以单桩桩基为中心，间隔布置，形成挤密砂桩阵列。

优选地，单桩加固基础还包括抗冰锥，抗冰锥安装在单桩桩基水平面处。

优选地，所述单桩桩基为钢管桩。

优选地，所述挤密砂桩阵列的内圈为正方形、等边三角形或平行四边形。

优选地，挤密砂桩阵列的外圈为圆形。

优选地，挤密砂桩阵列中与单桩桩基相邻且离单桩桩基最近的挤密砂桩与单桩桩基中心的距离为6-10m。

优选地，所述挤密砂桩阵列的挤密砂桩的间距为1.3-3.5m。

优选地，所述挤密砂桩的桩径为1.2-2m。

优选地，所述挤密砂桩的桩长为10-60m。

相比现有技术，本发明的有益效果：

1）本发明的单桩加固处理方法，在风电机组单桩桩基周围设置挤密砂桩阵列，形成新的复合地基加固桩周土体，增强了风电机组基础的稳定性；

2）本发明的单桩加固处理方法，在设置每根挤密砂桩前，对挤密砂桩的位置进行了精确定位，确保了风电机组基础加固效果；

3）本发明的单桩加固处理方法，在设置挤密砂桩过程中，监测砂面标高并控制拔管速度，有效防止挤密砂桩夹泥，提高了施工质量；

4）挤密砂桩陈列由内向外施工，避免造成单桩桩周土体堆积过高不利于沙被和海缆敷设以及附属构件的安装，避免单桩桩周土体对桩体过度挤压造成桩体整体倾斜；

5）本发明的单桩加固处理方法，相比传统处理方式更安全可靠、经济高效；

6）单桩加固基础的抗冰锥，降低了单桩桩基的冰载荷。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明的单桩加固处理方法的流程图。

图2为挤密砂桩拔管、回打原理示意图。

图3为单桩加固基础的结构示意图。

图4为单桩桩基和挤密砂桩阵列的俯视图。

附图标记说明：钢管桩1、挤密砂桩2、抗冰锥3、牺牲阳极块4、检修平台5、爬梯6、线缆管7。

具体实施方式

如图1-2所示，海上风电抗冰结构单桩加固处理方法，对海上风电机组的单桩桩基进行加固，利用挤密砂桩船进行施工，挤密砂桩船采用gps测量系统定位，包括gps基站及船上2组gps接受站，单桩加固处理方法包括以下步骤，

步骤1：计算每根挤密砂桩的桩中心坐标，导入挤密砂桩船gps定位系统；

步骤2：挤密砂桩船定位至挤密砂桩的精确坐标位置，依次分别沉放3根砂桩套管，当砂桩套管接近泥面时，对砂桩套管进行加压排水，同时保持管内的空气压力，继续下沉砂桩套管至设计的底面标高，下沉过程中检测并排挤掉砂桩套管端部进入的淤泥；

步骤3：将砂灌入砂桩套管；

步骤4：根据砂桩套管所处土层深度设定管内空气压力，持压上拔砂桩套管，管内砂留在土层中，检测砂桩套管内砂面标高，控制上拔砂桩套管的速度，避免拔管过快导致软土进入砂桩套管底部；持续维持管内压力回打，使砂柱挤密压实扩径；循环进行补砂、拔管、回打，形成整根挤密砂桩；

步骤5：重复步骤2-4，以风电机组的单桩为中心，在单桩周围设置多根挤密砂桩，形成挤密砂桩阵列，完成对单桩桩基加固。

挤密砂桩用砂采用2艘2000t运砂船从庄河港码头运输到现场。挤密砂桩桩体材料采用粗砂或中砂，最大粒径不大于5mm，含泥量不大于5%。

步骤1之前，采用gps无验潮法进行水下地形测量，绘制水下地形图，确定泥面标高。

步骤2中，定位人员密切观察gps系统显示的桩位偏差，保证在沉设套管时桩位偏差小于0.2dmm,即320mm。同时在沉设过程中，通过调节水下挤密砂桩船压舱水控制挤密砂桩的垂直度，严格控制砂管垂直度在1.5%以内。

步骤2中，下沉砂桩套管时，通过测量管底标高和管内砂面标高观测砂桩套管内土塞高度，并根据观测结果调整管内气压，尽量使砂桩套管内的土塞高度保持在1m左右。

如图2所示，步骤4中，所述循环进行补砂、拔管、回打，单次的回打深度、成桩高度的计算式如下：

a=δgl×(1-d2²/d²)

h=δgl-a

δgl=gl2-gl1

其中δgl为拔管高度，a为回打高度，h为成桩高度，gl1为拔管前实测砂桩套管底面标高、gl2为拔管后实测砂桩套管底面标高，d2为砂桩套管底部内径，d为扩径后水下挤密砂桩直径。

步骤4中，所述检测砂桩套管内砂面标高，控制上拔砂桩套管的速度，避免拔管过快导致软土进入砂桩套管底部，当砂桩套管内排出砂量小于理论应用砂量时，减小上拔砂桩套管的速度，直至砂桩套管内排出砂量与理论应用砂量相等，

砂桩套管内排出砂量

v1=π×d1²(sl1-sl2)/4

式中sl1为拔管前实测管内砂面标高，sl2为拔管后实测管内砂面标高，d1为砂桩套管上部内径；

上拔砂桩套管δgl高度后理论应用砂量

v2=π×d2²(gl2-gl1)/4

δgl=gl2-gl1

式中gl1为拔管前实测砂桩套管底面标高、gl2为拔管后实测砂桩套管底面标高，d2为砂桩套管底部内径。

步骤4中，通过砂面监测仪，自动跟踪套管内残余砂量的高度，确保其高度不小于3m，若小于此值立即停止上拔并开始加砂，防止在排气加砂过程中管外软土在水土压作用下回灌而造成水下挤密砂桩夹泥。

部分区域挤密砂桩顶部入土较浅，周围土压力较小，因此回打时管内压力要减小，防止压力过大而将管内砂全部冲出，造成挤密砂桩断桩。为此，当施工至距桩顶1～2m时，应缩短每次成桩的高度，尽量提高挤密砂桩顶部的密实度。

移船定位的平面偏差严格控制在±320mm以内，若在砂桩套管入泥面后平面偏差超限，需及时调整，特别在急涨、落潮期间。同时，需定期根据实际定位情况适当调整船舶锚位，以更好控制平面偏差。

如图3-4所示，利用海上风电抗冰结构单桩加固处理方法形成的单桩加固基础，包括钢管桩1、抗冰锥3和376根挤密砂桩2，钢管桩1与海床基岩连接，挤密砂桩2设置在基岩上方的软土层中；挤密砂桩2以钢管桩1为中心，间隔布置，形成挤密砂桩阵列。挤密砂桩阵列中与钢管桩1相邻且离钢管桩1最近的挤密砂桩2与钢管桩1中心的距离为9.6m。挤密砂桩阵列的挤密砂桩2的间距为3.2m。挤密砂桩2的桩径为2m。挤密砂桩2桩长为14.8m。

单桩加固基础还包括牺牲阳极块4、检修平台5、爬梯6、线缆管7。抗冰锥3安装在钢管桩1水平面处。牺牲阳极块4与钢管桩1焊接，用于桩基金属部分抗腐蚀。爬梯6上端与检修平台5连接，下端延伸到水平面。线缆管7与钢管桩1固定连接，下端深入到软土层中，用于保护风电机组输电线缆。