一种用于海上风机的螺旋桩复合筒型基础及其施工方法与流程

本发明涉及一种海洋工程的基础结构，特别是涉及一种用于海上风机的螺旋桩复合筒型基础及其施工方法。

背景技术：

随着石化能源的大量使用与过度开发，能源危机和温室效应成为现在人们面对的两大发展难题，海上风能作为一种可再生的清洁能源，具有节省土地资源、风速高而且持续，不用考虑复杂地形对气流的影响，对周围环境的影响小等优点，成为缓解全球能源紧张形势的新方向。

传统筒型基础作为一种新型的海洋平台基础形式，实质上是一种带裙板的圆板基础，由于其具有减少工程量、节省投资、缩短施工时间、可重复使用等优点，正逐步应用于海上风电的基础工程中。但海上风机作为一种高耸结构物，其地基基础除了承受结构自重以及波浪荷载、风荷载等循环荷载的作用外，水平向作用力与塔顶传来巨大的倾覆力矩是其承受的主要作用力，尤其是面对我国近海海岸的软弱土质时，极易造成风机的倾覆。面对这一问题，现在普遍采用的方法是加深筒型基础的裙板深度，但是这种措施必定会造成风机施工成本的提高与施工难度的增加。

刘润、祁越、汪嘉钰等人在文献《复合加载模式下单桩复合筒型基础地基承载力包络线研究》和《桩筒复合风电基础h-m荷载空间的承载力包络线研究》中曾提出过一种单桩复合筒型基础，该基础有效地结合了基桩能够承受竖向荷载与筒型基础能够抵抗水平向变形的特点，使桩筒能够协同作用，减少桩顶变位，充分发挥各自的承载能力。但筒型基础在沉放过程中需要负压沉放工艺，桩基础需要利用打入的方法进行施工，无法同步施工，且在施工过程中也存在筒型基础内部负压维持和桩筒协调定位的相关问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于海上风机的螺旋桩复合筒型基础及其施工方法，该基础形式在筒型基础中央部分植入螺旋桩，通过控制螺旋叶片在泥面内旋转，产生向下的贯入力，该贯入力传递至筒型基础，从而带动筒型基础向下贯入，沉放至设计深度。在服役过程中本基础可使桩筒协同作用，充分发挥各自的承载优势，提高结构整体的复合承载能力。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于海上风机的螺旋桩复合筒型基础，包括筒型基础和螺旋桩；

所述筒型基础的筒顶面(工作状态下为位于顶部)的中心处形成有向上隆起的灌浆套管；

所述螺旋桩包括螺旋桩上部结构和螺旋桩下部结构；

所述螺旋桩上部结构包括螺旋桩上部结构本体、肋板、上法兰以及圆形钢板，所述螺旋桩上部结构本体呈柱状，所述上法兰设置于螺旋桩上部结构的下端，所述肋板环绕设置于螺旋桩上部结构本体的四周，所述圆形钢板设置于肋板的下方，使整个螺旋桩上部结构可以在筒顶面沿中轴线进行自由转动；

所述螺旋桩下部结构包括螺旋桩下部结构本体、螺旋叶片和下法兰，所述螺旋桩下部结构本体上端形成有下法兰，所述下法兰与所述螺旋桩上部结构的上法兰相连接固定，并安装在灌浆套管的上端面，所述螺旋桩下部结构本体下端形成有螺旋叶片；

所述灌浆套管内(法兰结构的下方)填充有混凝土填充物，用于在筒型基础的下沉安装完成后使螺旋桩和筒型基础结合为一体。

在上述技术方案中，所述筒顶面的表面外周处形成有限位环形壁。

在上述技术方案中，所述圆形钢板安装于所述限位环形壁内，所述限位环形壁的内径与圆形钢板的外径相适应，限位环形壁对整个螺旋桩上部结构起到限位的作用。

在上述技术方案中，所述螺旋桩上部结构本体的内部设置有灌浆管，用于向灌浆套管内灌入混凝土填充物。

在上述技术方案中，所述灌浆管的下端开口位于螺旋桩下部结构本体的外壁上(位于灌浆套管内)。

在上述技术方案中，所述筒型基础还包括用于将螺旋桩旋入土体内的外接动力机构，外接动力机构通过在螺旋桩顶端施加扭力。

在上述技术方案中，所述肋板的数量为4，相邻呈90度分布在螺旋桩上部结构本体的四周。

在上述技术方案中，所述筒顶面上放置有用于产生下沉力的外置配重。

在上述技术方案中，所述筒型基础上设置有用于吊运的吊环。

一种用于海上风机的螺旋桩复合筒型基础的施工方法，按照下述步骤进行：

步骤一、在陆上对螺旋桩通过法兰进行组装：先将螺旋桩下部结构由上部插入灌浆套管内，使下法兰位于灌浆套管的上端面，再通过法兰结构将螺旋桩上部结构安装在筒型基础的筒顶面上；

步骤二、将筒型基础连同螺旋桩吊运至目标放置水域，通过自重或者外置配重作用使螺旋桩部分贯入泥面以下；

步骤三、在外部动力装置的驱动下，使螺旋桩产生围绕其旋转轴的转动，贯入泥面部分的螺旋叶片在转动作用下产生向下的贯入力，筒型基础在该贯入力和自重的联合作用下贯入至预定深度；

步骤四、利用灌浆管将水硬性混凝土灌注至筒型基础上的灌浆套管，待混凝土产生足够的强度后，使筒型基础和螺旋桩形成整体、协同受荷。

本发明的优点和有益效果为：

本发明中的基础形式在筒型基础中央部分植入螺旋桩，通过控制螺旋叶片在泥面内旋转，产生向下的贯入力，该贯入力通过肋板和圆形钢板传递至筒型基础，从而带动筒型基础向下贯入，沉放至设计深度，解决了桩筒复合基础的协同沉放问题；在沉放完成后，通过预制在结构内部的灌浆管将水硬性混凝土灌注入螺旋桩和筒型基础灌浆套管的连接处，使筒型基础和螺旋桩结合为一体，使螺旋桩基础和筒型基础在服役过程中协同作用，充分发挥各自的承载优势，提高结构整体的复合承载能力。

附图说明

图1是本发明一种用于海上风机的螺旋桩复合筒型基础的正视图；

图2是本发明一种用于海上风机的螺旋桩复合筒型基础的俯视图；

图3是图1中a-a’的截面图；

图4是图2中b-b’的截面图；

图5是筒型基础的正视图；

图6是筒型基础的俯视图；

图7是图6中c-c’的截面图；

图8是螺旋桩上部结构的正视图；

图9是螺旋桩上部结构的俯视图；

图10是螺旋桩下部结构的正视图；

图11是螺旋桩下部结构的俯视图；

图12是法兰连接处的局部结构正视图；

图13是法兰结构俯视图；

图14是本发明装置在灌浆作业完成后，灌浆套管处局部结构示意图。

上述图中：1为筒型基础；1-1为筒型基础本体；1-2为限位环形壁；1-3为灌浆套管；2为螺旋桩上部结构；2-1为螺旋桩上部结构本体；2-2为肋板；2-3为上法兰；2-4为圆形钢板；3为螺旋桩下部结构；3-1为螺旋桩下部结构本体；3-2为螺旋叶片；3-3为下法兰；4为法兰；5为灌浆管；6为螺栓；7为螺帽，8为混凝土填充物。

对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例1

一种用于海上风机的螺旋桩复合筒型基础，包括筒型基础1、螺旋桩基础上部结构2、螺旋桩基础下部结构3和外置动力装置，其特征在于筒型基础本体1-1的顶盖处预制了限位环形壁1-2，中央位置预制了灌浆套管1-3；在螺旋桩上部结构本体2-1上预先焊接了若干肋板2-2，肋板2-2下沿与圆形钢板2-4焊接，螺旋桩上部结构本体2-1下沿焊接了一个上法兰2-3；在螺旋桩下部结构本体3-1的下部焊接了螺旋叶片3-2，螺旋桩下部结构本体3-1上沿焊接了一个下法兰3-3。上法兰2-3和下法兰3-3利用配套的螺栓6和螺母7共同组成了一对法兰4，将螺旋桩的上部结构2和螺旋桩的下部结构3连接为一体，法兰4的直径应小于筒型基础灌浆套管1-3的直径，以保证螺旋桩在转动时不会带动筒型基础1转动，降低了安装过程中所需施加的扭矩；螺旋桩安装完成后应在内部安装一刚性的灌浆管5，方便后期在筒型基础灌浆套管1-3和螺旋桩之间注入混凝土。螺旋桩产生的贯入荷载通过肋板2-2和圆形钢板2-4传递给筒型基础1，使得基础整体能够贯入至预定位置。基础沉放完成后，通过灌浆管5注入水硬性混凝土，待混凝土形成强度后，则筒型基础1和螺旋桩形成整体、协同受荷，提高结构整体的复合承载能力。

实施例2

本发明在陆上组装时，应先利用吊机将螺旋桩下部结构3直立，并利用其他结构物将其约束，使其一至保持直立状态；再利用吊机将筒型基础1吊起，并令筒型基础1上的灌浆套管1-3穿过螺旋桩下部结构3；最后利用吊机将螺旋桩上部结构1吊起，并将螺旋桩上部结构2下沿的上法兰2-3结构和螺旋桩下部结构3上沿的下法兰3-3相互吻合，利用人工方法拧紧法兰4处的螺栓6和螺母7，使螺旋桩上部结构2和螺旋桩下部结构3刚性结合，此过程中应将灌浆管5放置于螺旋桩内部。陆上组装完成后应由吊机将筒型基础1带动螺旋桩结构起吊至水域，方便之后的浮运。

实施例3

本发明在沉放时，结构整体通过浮运或吊装至预定预定场地后，通过自重或者外置配重作用使螺旋桩部分贯入泥面以下，在外部动力装置的驱动下，螺旋桩会产生围绕其旋转轴的转动，贯入泥面部分的螺旋叶片3-2在转动作用下会产生向下的贯入力，该贯入力依次通过螺旋桩下部结构本体3-1、法兰4、螺旋桩上部结构本体2-1、肋板2-2和圆形钢板2-4传递至筒型基础1，筒型基础1在该贯入力和自重的联合作用下贯入至预定深度；沉放完成后利用灌浆管5将水硬性混凝土灌注至筒型基础上的灌浆套管1-3，待混凝土产生足够的强度后，使筒型基础1和螺旋桩形成整体、协同受荷，提高结构整体的复合承载能力。

实施例4

本发明在工作时，灌浆套管1-3中混凝土将筒型基础1和螺旋桩约束为一体，风机等上部结构传递而来的荷载由螺旋桩和筒型基础1共同承担，两者协同工作可以充分发挥基桩能够承受竖向荷载与基础筒能够抵抗水平向变形的特点。螺旋桩的数量、尺寸及螺旋叶片3-2的间距、尺寸应根据筒型基础1所需的最大贯入力和结构整体的承载力需求进行设计；螺旋桩应以筒型基础1的中心轴线作为对称中心均匀分布，以保证筒型基础1在沉放过程中的不产生差异沉降。上述实施例中的一种用于海上风机的螺旋桩复合筒型基础的主要作用在于沉放时，螺旋桩的转动产生向下的贯入力，经由相关结构传递至筒型基础，将筒型基础沉放至设计深度；结构服役期间，筒型基础和螺旋桩构成的整体结构可以很好的协调承载，提高结构的复合承载能力。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。