具有砂桩加固地基的海上单桩基础的制作方法

本发明涉及海洋工程的桩基领域，尤其涉及一种软土地基中的水平承载性能高的海上单桩基础。

背景技术：

海上风力发电是新能源领域发展的重点，市场前景非常广阔。风机机组对于基础的水平位移和不均匀沉降具有严格控制标准，“结构+基础”的自振频率需要避开外部荷载的驱动频率。目前，海上风力发电机组的常见基础型式有单桩、高桩承台、多脚架、导管架、重力式、负压桶式和浮动平台结构等。在海上风电项目中，单桩基础被广泛采用，因其具有占地较小、结构简易、施工快捷、造价较低等优点；但另一方面，单桩基础相对于其它基础型式缺点在于对于刚度较小、结构较柔。我国近海海域海床表层多为深厚的软弱土，在一定程度上制约了该类型基础的应用。在复杂海洋环境下，波浪、海流等会对风机基础施加巨大水平荷载；随着风机单机容量越来越大，轮毂高度越来越高，叶片越来越长，风机荷载越来越大。尽管钢管桩自身抗弯刚度较大，但是桩周地基表层的土体能够提供的水平约束有限。若采用常规单桩基础，增加桩径、桩长或壁厚的方法会导致消耗更多的材料，单桩重量的增加也带来更高的施工难度，使得基础造价的迅速增加，影响风电场的发电效益。因此研发软土地基中的水平承载性能高的海上单桩基础具有实际的工程意义。

技术实现要素：

鉴于单桩基础在软土地基海域应用的难点，本发明的目的在于提供了一种具有砂桩加固地基的海上单桩基础，其水平承载力高、桩顶水平位移小、桩身倾角小、基础刚度大，适应海上风机水平荷载大的特点，满足海上风机对基础水平位移和桩身倾角的严格要求，满足“结构+基础”整体自振频率的要求。

本发明的技术方案为：一种具有砂桩加固地基的海上高水平承载力单桩基础，包括沉入海床的钢管桩，海床为软土地基，还包括在软土地基的局部区域采用砂桩工艺形成的加固地基，钢管桩插入并穿过加固地基沉入软土地基，加固地基包括砂桩及砂桩间的软土；砂桩均匀间隔布置；加固地基的中心纵轴与钢管桩的中心纵轴一致。

基于上述技术特征：钢管桩的周边和内部均为加固地基。

基于上述技术特征：钢管桩的周边为加固地基，钢管桩内为软土。

基于上述技术特征：在软土地基的上表面，围绕钢管桩周围设置有桩周防冲刷结构。

基于上述技术特征：桩周防冲刷结构为抛石或软体排或连锁块或固化土铺成的覆盖层。

基于上述技术特征：砂桩呈同心圆或正三角或正方形布置。

基于上述技术特征：砂桩包括挤密砂桩。

钢管桩的位于海床以上桩身外安装附属结构。附属结构主要包括但不限于钢平台、靠泊结构和电缆管。钢管桩上预留位置，用于与附属结构连接。

上述技术方案中，砂桩的作用有几个方面：一是对软土地基局部置换，即砂桩强度比周围软土的强度高，形成复合地基，整体强度比原土体提高。二是作为排水通道，周围软土中的水在外荷载作用下排出实现土体强度提高。三是挤密作用，施工过程对周围软土有挤压作用，促使周围软土中的水排出实现土体强度提高。

本技术方案也适用于挤密砂桩，挤密砂桩在振动作用下会变得更密实，强度会提高；同时对周围土体挤压作用更强，迫使周围软土中的水排出实现土体强度提高，加固效果会比普通砂桩好，排水效果则稍弱。

应用本具有砂桩加固地基或挤密砂桩加固地基的海上单桩基础，可以使单桩基础适用于更广的海域、更大的风机机型，从风机基础选型这个基本层面，避免采用高桩承台、多脚架、导管架等造价较高的基础类型，从而有效降低海上风机基础工程造价，减短施工工期，提升风电场发电效益。

本具有砂桩加固地基或挤密砂桩加固地基的海上单桩基础，相对于普通的海上单桩基础，水平承载力有效提高，有效地降低桩顶水平侧移，单桩泥面处转角有效降低，改善“结构+基础”整体自振频率，同时具有节约单桩基础用钢量的效益。

如上，本发明软土地基中的水平承载性能高的海上单桩基础，具有以下有益效果：该软土地基中的水平承载性能高的海上单桩基础，经济、安全、可靠，适用于更广的海域、更大的风机机型，在工程造价方面有了很大程度的降低；而且施工工艺简单，只需增加小范围的砂桩施工，实行起来方便有效。

附图说明

图1为本发明具有砂桩加固地基的海上单桩基础的结构示意图。

图2为本发明具有砂桩加固地基的海上单桩基础的第一种实施方式的平面图。

图3为本发明具有砂桩加固地基的海上单桩基础的第二种实施方式的平面图。

图4为本发明具有砂桩加固地基的海上单桩基础的第三种实施方式的平面图。

标号说明

软土地基1；钢管桩2；砂桩3；加固地基4；桩周防冲刷结构5；附属结构6；泥面7。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1所示，钢管桩2被沉入海床，海床为软土地基1，在软土地基1内的局部区设置采用砂桩工艺的加固地基4，钢管桩2插入并穿过加固地基4沉入软土地基，加固地基4包括砂桩3及其间的软土。加固地基4的中心纵轴与钢管桩2的中心纵轴一致。加固地基4的顶高程位于软土地基的泥面7以下位置，加固地基的底高程结合工程需要和施工设备条件确定。加固地基的大小可以根据各工程实际，综合考虑钢管桩承载力要求、变形控制及工程造价确定。在软土地基的上表面，围绕钢管桩2周围设置桩周防冲刷结构5，桩周防冲刷结构可以采用不同的方案，比如抛石、软体排、连锁块、固化土等铺成的覆盖层，其功能是防止桩周围的土体被水流冲走。软体排包括土工织物和填充料等；连锁块包括钢筋混凝土等。桩周防冲刷结构5的平面形状不限，外边缘可以设计成圆形或多边形或不规则形状，其大小可以根据各工程实际确定。钢管桩的位于海床以上桩身外安装附属结构6。附属结构6主要包括但不限于钢平台、靠泊结构和电缆管。钢管桩上预留位置，用于与附属结构6连接。

本发明中钢管桩2用于支承风机塔筒，传递上部结构荷载。砂桩工艺的加固地基4主要作用在于为钢管桩2提供水平约束，将水平荷载扩散传递到软土地基1。桩周防冲刷结构5用于保护软土地基1和加固地基4，避免由于钢管桩2周围土体受冲刷而无法提供水平约束。

图2所示为本发明具有砂桩加固地基的海上单桩基础的第一种实施方式的平面图。砂桩3沿钢管桩2外的不同半径的同心圆间隔均匀布置。砂桩3可以被钢管桩2切开，实现砂桩与钢管桩的紧密接触。图2中所示的钢管桩2内部可不设有砂桩，即采用砂桩工艺的加固地基4仅布置在钢管桩2的周围区域。

图3和图4为本发明具有砂桩加固地基的海上单桩基础的另外二种实施方式的平面图。砂桩3均匀布置。如图3所示为砂桩3正方形阵列布置。如图4所示砂桩3正三角形阵列布置。钢管桩2插入具有砂桩的加固地基4，加固地基4的中心纵轴与钢管桩2的中心纵轴一致。钢管桩2内有砂桩3，形成均匀的加固地基4较好。砂桩或挤密砂桩的排列方式一般是正方形或正三角形，应均匀布置，桩径和间距的设置可参考《水运工程地基设计规范》(jts147-2017)。

本发明的海上单桩基础施工方法举例：首先按设计图纸同心圆或正三角布置或正方形布置进行砂桩或挤密砂桩施工，其属于成熟技术，至此实现砂桩或挤密砂桩工艺的加固地基4。然后完成钢管桩2沉桩施工。做好防冲刷结构5，最后安装附属结构6。本发明实现风机水平荷载通过钢管桩2传到砂桩或挤密砂桩工艺的加固地基4再传到周围软土地基1，传力路径简洁直接。

综上，本发明采用砂桩或挤密砂桩改善桩周土体的强度和刚度，提高软土地基的水平承载性能，经济、安全、可靠。本发明水平承载力高、桩顶水平位移小、桩身倾角小、基础刚度大，适应海上风机水平荷载大的特点，满足海上风机对基础水平位移和桩身倾角的严格要求，满足“结构+基础”整体自振频率的要求。本软土地基中的水平承载性能高的海上单桩基础突破软土地基对单桩基础的制约，适用于更广的海域适用于单机容量更大、轮毂高度更高、叶片更长、水平荷载更大的风机，可以从风机基础选型这个基本层面，避免采用高桩承台、多脚架、导管架等造价较高的基础类型，从而有效降低海上风机基础工程造价，减短施工工期，提高海上风电场的经济效益；而且施工工艺简单，只需增加小范围的砂桩或挤密砂桩施工，实行起来方便有效。所以，本发明有效克服了现有单桩基础中的在软土地基中应用的难点，因而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。