CN112922018B - 海上风电胶结碎石桩强化软土地基的重力基础的施工方法 - Google Patents

海上风电胶结碎石桩强化软土地基的重力基础的施工方法 Download PDF

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Abstract

一种海上风电胶结碎石桩强化软土地基的重力基础的施工方法，通过胶结碎石桩强化地基软土层，增强海床软土地基的承载能力，保障重力基础在软土地基上的施工可行性，同时，重力基础无需打桩，依靠自身重量保持上部结构稳定性，使之能够适用于浅覆盖层海床地基，此外，重力基础对水深敏感性较低，使之能够适用于水深30~60m海域。克服了原深海单桩基础共振无法解决，地基土体水平承载力无法满足，施工周期长成本高的问题。具有施工简单、成本低、侧向承载力高等优点，形成的胶结碎石桩复合地基可以显著提高地基承载力，使之能够承受重力基础，同时重力基础结构简单，能够适用水深30~60m深水风电场的特点。

Description

海上风电胶结碎石桩强化软土地基的重力基础的施工方法
技术领域
本发明属于海洋工程的桩基技术领域，涉及一种海上风电胶结碎石桩强化软土地基的重力基础的施工方法。
背景技术
海上风电具有清洁高效的优势，是新能源领域的重要发展方向。目前，海上风电基础形式包括重力式基础、单桩基础、筒型基础、三桩/四桩导管架基础、吸力筒导管架基础、单桩复合基础等。随着海上风电场逐渐从水深小于30m的浅海走向水深30~60m的深海，常规重力式基础不再具有适用性，超大直径单桩和三桩/四桩导管架将成为最重要的基础形式。对于超大直径单桩基础，随着水深的增加，单桩基础的振动频率接近于波浪频率，单桩基础的共振问题是结构设计尚未完全解决的技术难题。此外，我们部分海域海床表层为深厚软土且软土层下方的持力层相对较薄，若采用单桩基础，地基土体无法提供满足设计要求的水平承载力；若采用三桩/四桩导管架基础形式，一方面使得基础成本大幅提升，另一方面显著延长施工周期。因此，研发适用深水软土地基的新型重力式基础具有重要的工程应用价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种海上风电胶结碎石桩强化软土地基的重力基础及施工方法，通过胶结碎石桩强化地基软土层，增强海床软土地基的承载能力，保障重力基础在软土地基上的施工可行性。同时，重力基础无需打桩，依靠自身重量保持上部结构稳定性，使之能够适用于浅覆盖层海床地基。此外，重力基础对水深敏感性较低，使之能够适用于水深30~60m海域。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种海上风电胶结碎石桩强化软土地基的重力基础，它包括胶结碎石桩、结构化胶结碎石桩和碎石桩；多个胶结碎石桩、多个结构化胶结碎石桩或多个碎石桩交错布置形成胶结碎石桩复合地基；胶结碎石桩形成的胶结碎石桩复合地基内不设碎石桩；或胶结碎石桩和碎石桩交错布置形成的胶结碎石桩复合地基，其碎石桩被胶结碎石桩包围；或胶结碎石桩、结构化胶结碎石桩和碎石桩交错布置形成的胶结碎石桩复合地基，其碎石桩被胶结碎石桩和结构化胶结碎石桩两者中的至少一种包围。
所述胶结碎石桩复合地基的水平截面为矩形、圆形、三角形或多边形结构。
所述胶结碎石桩包括碎石和水下自密实水泥基胶凝材料胶结形成的透水性胶结碎石桩身。
所述结构化胶结碎石桩包括多节胶结碎石桩身和多节碎石桩身交替组成的柱体。
所述胶结碎石桩复合地基上部设置重力基础，重力基础包括塔筒过渡段、支撑架和混凝土底座。
所述支撑架的顶部连接于塔筒过渡段，底部连接于混凝土底座，混凝土底座依靠自重位于胶结碎石桩复合地基上。
所述胶结碎石桩复合地基和混凝土底座之间设置垫层。
如上所述的海上风电胶结碎石桩强化软土地基的重力基础的施工方法，其特征是，它包括如下步骤：
S1，胶结碎石桩成桩，
S1-1，采用振冲设备振冲初始孔，初始孔穿过软土层深入海床的持力层中；
S1-2，振冲器内部的输送***把单级配碎石输送至振冲器底部，边供料边振冲形成碎石桩身；
S1-3，向碎石桩身中灌注水下自密实水泥基胶凝材料，水下自密实水泥基胶凝材料胶结碎石形成透水性胶结碎石桩身；
S2，结构化胶结碎石桩成桩，
S2-1，重复S1-1；
S2-2，重复S1-2；
S2-3，重复S1-2~S1-3
S2-4，交替重复S2-2~S2-3；
S3，碎石桩成桩，重复S1-1~S1-2；
S4，安装重力基础，在胶结碎石桩复合地基上铺设由砂土或碎石组成的垫层；将重力基础吊放于垫层上。
本发明有如下有益效果：
1、本发明通过胶结碎石桩强化海床地基上覆软土层，将软土层变成具有较高承载能力的持力层，同时降低软土层的非均匀沉降，有效增强重力基础在浅覆盖层海床中的适用性，避免采用三桩/四桩导管架、嵌岩桩、高桩承台等造价更高、施工难度更大的基础形式，降低海上风电基础制造和施工总成本。
2、本发明胶结碎石桩仅利用少量水泥基胶凝材料便能形成兼具透水性和高强度的桩身结构，显著提高碎石桩身的刚度、强度、水平承载能力和轴向承载能力，同时胶结碎石桩采用先振冲碎石后灌注浆体的施工步骤，施工工艺简单、速度快、成本低。
3、相对于海上风电单桩基础和三桩/四桩导管架基础，重力基础的塔筒过渡段、支撑架、混凝土底座均可在工厂预先加工，易于制造，现场模块化组装，一体式沉放，海上作业时间短，同时重力基础具有25~100年的全生命周期。
4、本发明重力基础依靠自重保持基础、塔筒和风机的结构稳定性，支撑架采用钢管桩或预应力混凝土钢管桩，结构简单，承载力高，且能适用于30~60m水深，重力基础直接沉放于胶结碎石桩复合地基上即完成施工。
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为本发明的结构示意图。
图2为本发明的另一种结构示意图。
图3为本发明的另一种结构示意图。
图4为本发明的另一种结构示意图。
图5为本发明的另一种结构示意图。
图6为图5的主视示意图。
图7为图4的A处放大示意图。
图8为图5的B处放大示意图。
图9为图6的C处放大示意图。
图中：重力基础1，塔筒过渡段11，支撑架12，混凝土底座13，软土层2，持力层3，胶结碎石桩4，碎石41，水下自密实水泥基胶凝材料42，结构化胶结碎石桩5，胶结碎石桩身51，碎石桩身52，碎石桩6，垫层7。
具体实施方式
如图1~图9中，一种海上风电胶结碎石桩强化软土地基的重力基础，它包括胶结碎石桩4、结构化胶结碎石桩5和碎石桩6；多个胶结碎石桩4、多个结构化胶结碎石桩5或多个碎石桩6交错布置形成胶结碎石桩复合地基；胶结碎石桩4形成的胶结碎石桩复合地基内不设碎石桩6；或胶结碎石桩4和碎石桩6交错布置的胶结碎石桩复合地基，其碎石桩6被胶结碎石桩4包围；或胶结碎石桩4、结构化胶结碎石桩5和碎石桩6交错布置的胶结碎石桩复合地基，其碎石桩6被胶结碎石桩4和结构化胶结碎石桩5两者中的至少一种包围。
优选地，胶结碎石桩4布设于软土层2中，形成胶结碎石桩复合地基。
优选地，胶结碎石桩复合地基由相互咬合的多根胶结碎石桩4和桩间软土构成。
优选地，首先振冲成孔，其次振冲器内部的输送***把单级配碎石41输送至振冲器底部，边振冲边供料形成碎石桩身，最后向碎石桩身中灌注水下自密实水泥基胶凝材料42，水下自密实水泥基胶凝材料42胶结碎石形成透水性胶结碎石桩身。
优选地，软土层2的土体类型包括淤泥、淤泥质土、淤泥质粉质粘土、含淤泥粉砂、含淤泥粉土。
优选地，持力层3的土体类型包括粘土、粉土、粉砂、砂土、砂质粘土、粉质砂土。
优选地，软土层2无法直接承受上部风机机组、塔筒和重力基础的自重荷载。
优选的方案中，所述胶结碎石桩复合地基的水平截面为矩形、圆形、三角形或多边形结构。
优选的方案中，所述胶结碎石桩4包括碎石41和水下自密实水泥基胶凝材料42胶结形成的透水性胶结碎石桩身。
优选地，水下自密实水泥基胶凝材料42在海水中仍保持较好的流动性和不分散性。
优选地，水下自密实水泥基胶凝材料42在重力或外部压力作用下沿着碎石桩身的碎石间隙向下流动，部分胶凝材料在流动过程中附着或沉积于碎石接触点或填充于碎石间隙，水下水泥基胶凝材料42通过水化作用粘结碎石颗粒，形成兼具透水性和高强度的胶结碎石桩身。
优选地，胶结碎石桩4作为软土层2的排水通道，有效加速软土层2排水固结，同时水下水泥基胶凝材料41的胶结作用显著提高碎石桩身的抗剪强度和抗压强度，使胶结碎石桩身具备承受水平荷载和轴向荷载的能力，避免胶结碎石桩在轴向荷载作用下发生侧向鼓胀破坏，因此胶结碎石桩复合地基能够为重力基础提供足够的承载力。
优选地，振冲单级配碎石41形成碎石桩身；其次，在碎石桩身处投放制备好的水下保护剂溶液；最后，向碎石桩身中灌注水下自密实水泥基胶凝材料42。水下保护剂溶液的投放过程与水下自密实水泥基胶凝材料42灌注过程同步，水下保护剂的作用是保护水下自密实水泥基胶凝材料在海水中的不分散性，并保持胶凝材料的流动性能。
优选地，胶结碎石桩4的碎石桩身成型和水下自密实水泥基胶凝材料42的灌注同步。利用混合水下保护剂溶液的高压水将碎石41通过下料管道输送至振冲器导管底部的孔内，同时将水下自密实水泥基胶凝材料42输送至碎石表面，边振冲、边供料、边胶结形成胶结碎石桩身。
优选地，胶结碎石桩复合地基由胶结碎石桩4和桩间软土构成，或由胶结碎石桩4、结构化胶结碎石桩5和桩间软土构成，或由胶结碎石桩4、结构化胶结碎石桩5、碎石桩6和桩间软土构成，或由胶结碎石桩4、碎石桩6和桩间软土构成，或由结构化胶结碎石桩5和桩间软土构成。
优选的方案中，所述结构化胶结碎石桩5包括多节胶结碎石桩身51和多节碎石桩身52交替组成的柱体。
优选地，结构化胶结碎石桩5由多节胶结碎石桩身51和多节碎石桩身52交替施工得到。
优选地，胶结碎石桩位于软土层2和持力层3中形成胶结碎石桩复合地基。
优选地，若胶结碎石桩4强化后的软土层2仍无法满足重力基础承载力设计要求，采用胶结碎石桩4强化持力层3的上部土体，形成胶结碎石桩复合地基。
优选地，胶结碎石桩采用粒径2~10cm的碎石，所述水下自密实水泥基胶凝材料采用水下自密实水泥净浆或水下自密实水泥砂浆。
优选地，胶结碎石桩4采用单一粒径级配单级配的碎石，胶结碎石桩4按照分区采用不同的碎石粒径，非主要承载区的胶结碎石桩4优选粒径6~10cm的碎石，过渡区的胶结碎石桩4优选4~8cm的碎石，主要承载区的胶结碎石桩4优选2~5cm的碎石。
优选地，胶结碎石桩4的桩身采用一次成型或多次成型，以适用不同地基加固深度和桩身材料强度的需求。
优选地，胶结碎石桩4采用先振冲碎石41形成碎石桩身，后浇筑水下水泥基胶凝材料42形成胶结碎石桩身。因此，胶结碎石桩4的桩身一次成型长度取决于碎石41的粒径和水下水泥基胶凝材料42的流动性能。碎石41采用不同的单一粒径级配，相同的水下水泥基胶凝材料42沿碎石桩身向下流动距离不同。此外，碎石41采用相同的单一粒径级配，考虑到胶结碎石桩身需实现不同的强度和透水性，若采用不同流动性能的水下水泥基胶凝材料42，水下水泥基胶凝材料42沿碎石桩身向下流动距离不同。胶结碎石桩4的桩身一次成型和多次成型对桩身材料强度影响不大，同时通过多次成型的方式优化整个桩身的材料强度。此外，结构化胶结碎石桩的桩身采用多次成型。
优选地，胶结碎石桩4的平面布置方式为整体式或框架式。
优选地，胶结碎石桩4的整体式布置方式为所有胶结碎石桩4相互咬合连接形成整体结构，胶结碎石桩4的框架式布置方式为部分胶结碎石桩4相互咬合连接形成框架结构，所述胶结碎石桩4的框架内部为结构化胶结碎石桩、碎石桩、土体中的一种或多种。
优选地，胶结碎石桩复合地基顶部的胶结碎石桩4的为整体式，下部的胶结碎石桩4的为框架式。
优选地，胶结碎石桩复合地基顶部采用整体式布置方式以形成完整的承载面，使之在混凝土底座自重作用下均匀受力，下部采用框架式布置方式利于减少施工量，降低成本。
优选的方案中，所述胶结碎石桩复合地基上部设置重力基础1，重力基础1包括塔筒过渡段11、支撑架12和混凝土底座13。
优选的方案中，所述支撑架12的顶部连接于塔筒过渡段11，底部连接于混凝土底座13，混凝土底座13依靠自重位于胶结碎石桩复合地基上。
优选地，重力基础的支撑架由钢管桩或预应力混凝土钢管桩构成，混凝土底座由混凝土、堆石混凝土或钢筋混凝土制作得到，混凝土底座与支撑架的连接处通过增设钢筋、增加钢筋密度或提高混凝土标号的方式进行加强处理。
优选的方案中，所述胶结碎石桩复合地基和混凝土底座13之间设置垫层7。
优选地，重力基础1直接位于胶结碎石桩复合地基上部，或者先在胶结碎石桩复合地基上铺设一层较薄的砂土或碎石垫层7，重力基础1位于砂土或碎石垫层7上。
优选的方案中，如上所述的海上风电胶结碎石桩强化软土地基的重力基础的施工方法，其特征是，它包括如下步骤：
S1，胶结碎石桩成桩，
S1-1，采用振冲设备振冲初始孔，初始孔穿过软土层2深入海床的持力层3中；
S1-2，振冲器内部的输送***把单级配碎石41输送至振冲器底部，边供料边振冲形成碎石桩身；
S1-3，向碎石桩身中灌注水下自密实水泥基胶凝材料42，水下自密实水泥基胶凝材料42胶结碎石形成透水性胶结碎石桩身；
S2，结构化胶结碎石桩成桩，
S2-1，重复S1-1；
S2-2，重复S1-2；
S2-3，重复S1-2~S1-3
S2-4，交替重复S2-2~S2-3；
S3，碎石桩成桩，重复S1-1~S1-2；
S4，安装重力基础1，在胶结碎石桩复合地基上铺设由砂土或碎石组成的垫层7；将重力基础1吊放于垫层7上。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种海上风电胶结碎石桩强化软土地基的重力基础，其特征是：它包括胶结碎石桩（4）、结构化胶结碎石桩（5）和碎石桩（6）；多个胶结碎石桩（4）、多个结构化胶结碎石桩（5）或多个碎石桩（6）交错布置形成胶结碎石桩复合地基；胶结碎石桩（4）形成的胶结碎石桩复合地基内不设碎石桩（6）；或胶结碎石桩（4）和碎石桩（6）交错布置形成的胶结碎石桩复合地基，其碎石桩（6）被胶结碎石桩（4）包围；或胶结碎石桩（4）、结构化胶结碎石桩（5）和碎石桩（6）交错布置的胶结碎石桩复合地基，其碎石桩（6）被胶结碎石桩（4）和结构化胶结碎石桩（5）两者中的至少一种包围；
胶结碎石桩（4）的平面布置方式为整体式或框架式；
胶结碎石桩（4）的整体式布置方式为所有胶结碎石桩（4）相互咬合连接形成整体结构，胶结碎石桩（4）的框架式布置方式为部分胶结碎石桩（4）相互咬合连接形成框架结构，所述胶结碎石桩（4）的框架内部为结构化胶结碎石桩（5）、碎石桩（6）、土体中的一种或多种；
胶结碎石桩复合地基顶部的胶结碎石桩（4）的为整体式，下部的胶结碎石桩（4）的为框架式。
2.根据权利要求1所述的海上风电胶结碎石桩强化软土地基的重力基础，其特征是：所述胶结碎石桩复合地基的水平截面为矩形、圆形、三角形或多边形结构。
3.根据权利要求1所述的海上风电胶结碎石桩强化软土地基的重力基础，其特征是：所述胶结碎石桩（4）包括碎石（41）和水下自密实水泥基胶凝材料（42）胶结形成的透水性胶结碎石桩身。
4.根据权利要求1所述的海上风电胶结碎石桩强化软土地基的重力基础，其特征是：所述结构化胶结碎石桩（5）包括多节胶结碎石桩身（51）和多节碎石桩身（52）交替组成的柱体。
5.根据权利要求1所述的海上风电胶结碎石桩强化软土地基的重力基础，其特征是：所述胶结碎石桩复合地基上部设置重力基础（1），重力基础（1）包括塔筒过渡段（11）、支撑架（12）和混凝土底座（13）。
6.根据权利要求5所述的海上风电胶结碎石桩强化软土地基的重力基础，其特征是：所述支撑架（12）的顶部连接于塔筒过渡段（11），底部连接于混凝土底座（13），混凝土底座（13）依靠自重位于胶结碎石桩复合地基上。
7.根据权利要求5所述的海上风电胶结碎石桩强化软土地基的重力基础，其特征是：所述胶结碎石桩复合地基和混凝土底座（13）之间设置垫层（7）。
8.根据权利要求1~7任一项所述的海上风电胶结碎石桩强化软土地基的重力基础的施工方法，其特征是，它包括如下步骤：
S1，胶结碎石桩成桩，
S1-1，采用振冲设备振冲初始孔，初始孔穿过软土层（2）深入海床的持力层（3）中；
S1-2，振冲器内部的输送***把单级配碎石（41）输送至振冲器底部，边供料边振冲形成碎石桩身（51）；
S1-3，向碎石桩身（51）中灌注水下自密实水泥基胶凝材料（42），水下自密实水泥基胶凝材料（42）胶结碎石形成透水性胶结碎石桩身；
S2，结构化胶结碎石桩成桩，
S2-1，重复S1-1；
S2-2，重复S1-2；
S2-3，重复S1-2~S1-3
S2-4，交替重复S2-2~S2-3；
S3，碎石桩成桩，重复S1-1~S1-2；
S4，安装重力基础，在胶结碎石桩复合地基上铺设由砂土或碎石组成的垫层（7）；将重力基础吊放于垫层（7）上。
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