海上非打入型大直径单桩基础结构及其施工方法与流程

本发明涉及一种海上非打入型大直径单桩基础结构及其施工方法。适用于海上风电等行业。

背景技术：

随着蓝天保卫战的打响以及可再生能源技术的发展，海上风能作为风能发展的重要方向，其不占用陆地资源，风速高，离消纳负荷中心近等特点使其迎来了新的快速发展。

海上风电的基础结构作为连接风机塔筒和地基的桥梁，承担着风、浪、流等复杂循环环境荷载的联合作用，其结构型式设计及施工方法是海上风电开发建设的关键技术难点之一。传统高桩承台结构在岩基区域存在无法稳桩，采用辅助措施后施工周期长，造价高，结构安全风险高等特点。而采用非打入型单桩基础结构可以充分利用风化岩层水平承载能力高的优点，大幅节省钢材，施工速度快，造价低。同时就全球海上风电发展现状来看，大直径单桩结构以其结构型式简单，传力路径清晰，施工安装方便等特点著称，是目前最主流的风机基础结构型式，但目前尚无在岩基区域采用非打入型大直径桩的实施经验。

对于福建、广东等沿海海域存在部分基岩埋深较浅，大直径单桩不能自稳或者桩体通过辅助措施可以自稳但无法通过液压打桩锤打入等情况。虽然国内制桩工艺、单桩设备和沉桩能力在不断提高，但对于此类地质条件，传统的国内现有大直径单桩施工工艺已不满足设计要求。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种结构简单、施工方便、受力明确的海上非打入型大直径单桩基础结构及其施工方法，旨在扩大大直径单桩基础的适用范围，提高复杂地质条件下风机基础结构海上施工效率，充分利用岩质地基条件下大直径单桩的水平承载性能，提高基础结构整体稳定性。

本发明所采用的技术方案是：一种海上非打入型大直径单桩基础结构，适用于岩质基础，其特征在于：在岩质基础上钻设有钻孔，钻孔内植入大直径单桩，大直径单桩底部经水下封底混凝土封底，所述大直径单桩外壁与钻孔孔壁之间间隙充填有通过预装于所述大直径单桩内的灌浆系统灌入的灌浆材料。

所述灌浆系统包括若干固定于大直径单桩下部外壁的若干圈水平向灌浆管和若干均匀固定于大直径单桩内壁且从大直径单桩上端延伸到所述水平向灌浆管相应位置的竖向灌浆管，所述竖向灌浆管经开设于大直径单桩上的桩身开孔连通水平向灌浆管，所述水平向灌浆管上设有若干浆液溢出口。

所述水平向灌浆管为角钢或1/4圆管与所述大直径单桩外壁结合后形成。

所述角钢或1/4圆管下边部与大直径单桩外壁采用连续焊相连；所述角钢或1/4圆管上边部与大直径单桩外壁采用间断焊相连，在角钢或1/4圆管上边部与直径单桩外壁形成若干所述浆液溢出口。

所述竖向灌浆管为角钢或1/4圆管与所述大直径单桩内壁结合后形成。

所述灌浆材料满足抗水分散性、凝结时间大于5小时、骨料最大粒径小于5mm。

所述钻孔孔径大于所述大直径单桩桩径100～300mm。

所述大直径单桩上套有钢护筒，钢护筒下端沉入岩质基础，该钢护筒与固定于岩质基础上的施工平台组合成整体。

一种海上非打入型大直径单桩基础结构的施工方法，其特征在于步骤如下：

a、在岩质基础上搭设施工平台；

b、将钢护筒下端沉入岩质基础，钢护筒与施工平台组成整体；

c、在钢护筒上端架设钻机本体，钻机本体的嵌岩钻机钻头通过钢护筒筒内通道对钢护筒对应的岩质基础进行钻孔作业至设计底高程；

d、清除钻孔内的岩屑，并往钻孔内植入预制好并布置有灌浆系统的大直径单桩；

e、在大直径单桩底部浇筑水下封底混凝土，等水下封底混凝土固化后通过灌浆系统对大直径单桩外壁与钻孔孔壁之间间隙进行灌浆操作；

f、拆除施工平台和钢护筒。

本发明的有益效果是：本发明结构简单、施工方便，首次将大直径单桩基础的应用场景推广至桩体不能满足自稳和打桩锤无法直接打入等复杂地质条件；与传统大直径单桩施工工艺相比，无需采用大能量的液压打桩锤，减少施工噪声，环境友好。本发明通过钻孔后植入大直径单桩的方式，将大直径单桩固定于岩质基础上，操作简单方便，提高施工效率。本发明通过大直径单桩预设的灌浆系统自下而上灌浆，提供桩-岩之间空隙的密实性，提高水平承载性能和基础整体结构的的稳定性。本发明通过间断焊形成若干浆液溢出口，制作方便快捷、成本较低。本发明中在灌浆完成后，大直径单桩外壁的水平向灌浆管增大大直径单桩与灌浆材料的接触面积，有助于提高基础结构整体稳定性。

附图说明

图1为实施例的结构示意图。

图2为实施例中灌浆系统的结构示意图。

图3为图2的a-a剖视图。

图4为图2的b部放大示意图。

图5～图9为实施例的施工过程示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例为一种海上非打入型大直径单桩基础结构，具有直径为4.0～8.0m的大直径单桩7，在岩质基础1上钻设有钻孔2，钻孔2孔径大于所述大直径单桩7桩径100～300mm，大直径单桩7植入钻孔2内。大直径单桩7底部浇筑水下封底混凝土8，大直径单桩7外壁与钻孔2孔壁之间间隙通过大直径单桩内置的灌浆系统灌注有灌浆材料9，灌浆材料满足抗水分散性、凝结时间大于5小时、骨料最大粒径小于5mm。

如图2～图4所示，本实施例中灌浆系统包括两条竖向灌浆管10和两圈水平向灌浆管11，其中水平向灌浆管11位于大直径单桩7下部，由围绕大直径单桩7外壁一圈的1/4圆管与单桩外壁围合形成，该1/4圆管下边部与大直径单桩外壁采用连续焊相连，1/4圆管上边部与大直径单桩外壁采用间断焊相连，从而在角钢或1/4圆管上边部与大直径单桩外壁之间形成若干浆液溢出口1101；竖向灌浆管10由沿大直径单桩7轴向布置，从大直径单桩7上端延伸至与水平向灌浆管11对应位置的1/4圆管与单桩内壁围合形成，该1/4圆管直接焊接固定于大直径单桩7内壁，其顶部通过加强板12与大直径单桩7内壁焊接。本实施例中大直径单桩7上、竖向灌浆管10和水平向灌浆管11相交位置开设有连通竖向灌浆管10和水平向灌浆管11的桩身开孔13。本例中灌浆材料9可沿着竖向灌浆管10通过桩身开孔13进入水平向灌浆管11，灌浆材料9通过浆液溢出口1101溢出到大直径单桩7与钻孔2之间的间隙。

本实施例的具体施工方法如下：

大直径单桩7的选材、选型、加工和装配工作在沉桩前在陆地完成，同时在单桩内外侧布设灌浆系统。对于施工平台3和钢护筒4的可行性或补救措施及钻进过程中的施工平台3和钢护筒4的稳定性需在实施之前进行分析判断。

“搭-钻-植-灌-拆”施工

施工步骤a：在岩质基础1上搭设施工平台3，施工平台3是施工辅助平台，可放置钻杆、动力站、发电机等设备(见图5)。

施工步骤b：将钢护筒4下端沉入岩质基础1，同时钢护筒4可与施工平台3组合成整体，抵抗波流荷载及钻机振动荷载对桩体垂直度的影响(见图6)。

施工步骤c：在钢护筒3顶部架设钻机本体5，钻机本体5的嵌岩钻机钻头6通过钢护筒4筒内通道可对钢护筒对应的岩质基础1进行钻孔作业，钻至设计底高程，形成钻孔2(见图7)。通过调整嵌岩钻机钻头6的大小，钻孔直径大于桩径，具体尺寸可根据现场钻孔情况，进行适当调整。

施工步骤d：清除钻孔2内残留的岩屑等，植入已经预制好并布置有灌浆系统的大直径单桩7(见图8)。

施工步骤e：采用临时措施确保大直径单桩7的垂直度满足设计要求，接着在桩底浇筑水下封底混凝土8，等水下封底混凝土8固化后通过灌浆系统进行大直径单桩7侧壁与钻孔2孔壁之间间隙的灌浆操作(见图9)。

施工步骤f：拆除施工平台3及钢护筒4(见图1)，其可重复利用。

上述实施例及施工工艺主要应用于海上风电工程，但并不以此为限，对于港口海岸工程、海洋工程结构等涉及的其他基础结构也可运用本发明技术方案进行设计以及施工。