一种海上风电单桩和摩擦环的复合基础结构及其施工方法

摘要

本发明公开了一种海上风电单桩和摩擦环的复合基础结构及其施工方法，它包括钢管桩，所述钢管桩的外壁上通过翼板连接结构固定安装有摩擦环，所述摩擦环和钢管桩同心布置，并在两者之间形成能够穿过海床覆盖层的镂空结构；打桩时所述摩擦环穿过海床的淤泥覆盖层，并使摩擦环完全或者部分嵌入到海床的持力层。其能够很好的适应具有淤泥覆盖层的海床地质环境，而且其具有更强的竖向承载能力和侧向承载能力，增强了桩基基础。

说明书

技术领域

本发明涉及一种海上风电水下基础结构，尤其涉及一种海上风电单桩和摩擦环的复合基础结构及其施工方法，属于岩土工程和海洋工程领域。

背景技术

随着国民经济的快速发展，海上工程项目的建设步伐正在加快。单桩作为一种便捷的基础结构，受到设计和施工单位的广泛认可。但在水下覆盖层相对较浅或较软的情况，若不采取成本高昂的嵌岩方式或扩大桩径，单桩基础往往无法满足侧向承载力需求。此外，在我国近海，海床表土层通常为承载力非常低的淤泥质土层，会造成在海床表层修筑的各种加固结构难以发挥理想的加固效果。

单桩和摩擦环是一种从单桩基础衍生出的复合基础型式，具有设计、施工简单，成本相对较低的特点，对桩的竖向和横向承载能力均有明显增强。目前，中国的公司和科研单位围绕这一类基础型式已经申报了多项专利（专利公开号：CN201915419U、CN110984214A等）。若在不大幅增加制造成本和施工难度的前提下，使得这类基础结构的承载能力进一步明显提高，则会拓宽单桩类基础的应用范围。

而且，在CN107217682 A中公开了一种海上风电单桩桶复合基础及施工方法，这个专利设置桶体的目的也是提高水平承载力，主要发挥作用的结构为桶体，个人理解，止沉环主要用来固定桶体的下沉位置。但这个桶体只能设置在地基表面，当地基表层存在很软和较厚的淤泥质软土层时，所能发挥的效用可能会受限。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术问题。为此，本发明提出一种海上风电单桩和摩擦环的复合基础结构及其施工方法，其能够很好的适应具有淤泥覆盖层的海床地质环境，而且其具有更强的竖向承载能力和侧向承载能力，增强了桩基基础。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种海上风电单桩和摩擦环的复合基础结构，它包括钢管桩，所述钢管桩的外壁上通过翼板连接结构固定安装有摩擦环，所述摩擦环和钢管桩同心布置，并在两者之间形成能够穿过海床覆盖层的镂空结构；

打桩时所述摩擦环穿过海床的淤泥覆盖层，并使摩擦环完全或者部分嵌入到海床的持力层。

所述钢管桩的结构形式采用单桩结构。

所述翼板连接结构采用梯形翼板，所述梯形翼板的两个平行边分别与钢管桩的外壁以及摩擦环的内壁固定相连；所述梯形翼板共有多个，并均布设置在钢管桩的外部。

所述翼板连接结构采用弧形翼板，所述弧形翼板的两个平行边分别与钢管桩的外壁以及摩擦环的内壁固定相连；所述弧形翼板共有多个，并均布设置在钢管桩的外部。

所述摩擦环采用大直径圆环结构。

所述翼片连接结的梯形翼板和弧形翼板的顶端以及底端都分别加工有用于切割海床覆盖层的刃口。

所述摩擦环的高度为2~15m。

所述翼片连接结的梯形翼板和弧形翼板数量为3-8个。

海上风电单桩和摩擦环的复合基础结构的施工方法，包括以下步骤：

step1：按照普通钢管摩擦桩的打桩方式将桩体打入至翼板连接结构的下缘与持力层相接触的位置；

step2：降低打桩的单锤能量，提高锤击频率，将摩擦环的大部分或者全部嵌入到持力层的内部。

本发明具有的优点和有益效果：

1、本发明所采用的单桩和摩擦环复合结构的基础结构，其结构简单，制作难度小，有效降低了施工成本，通过上述的摩擦环与持力层嵌入固定，有效的增强了整个钢管桩的竖向承载能力和侧向承载能力，增强了桩基基础。

2、单桩、翼板连接结构和摩擦环相互固定连接，形成的结构强度大。

3、施工设备和施工步骤大致与单桩相同，施工工艺简单。

4、支撑翼板和摩擦环提供的摩擦力可使得基础的竖向承载力得到明显提高。

5、支撑翼板和摩擦环提供的摩擦力和支挡力可以增加基础的侧向抗力和抗侧弯力矩，从而显著减低桩体的水平位移和倾斜率。

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是本发明采用梯形翼板结构时的主视图。

图2是本发明采用梯形翼板结构时的俯视图。

图3是本发明图1中A-A视图。

图4是本发明图1中B-B视图。

图5是本发明梯形翼板主视图。

图6是本发明采用弧形翼板结构时的主视图。

图7是本发明采用弧形翼板结构时的俯视图。

图8是本发明图6中C-C视图。

图9是本发明图8中D-D视图。

图10是本发明弧形翼板结构主视图。

图11是本发明带有刃口时的俯视图。

图中：钢管桩1、梯形翼板2、摩擦环3、淤泥覆盖层4、持力层5、弧形翼板6、刃口7。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例1：

参见图1-11，一种海上风电单桩和摩擦环的复合基础结构，它包括钢管桩1，所述钢管桩1的外壁上通过翼板连接结构固定安装有摩擦环3，所述摩擦环3和钢管桩1同心布置，并在两者之间形成能够穿过海床覆盖层的镂空结构；打桩时所述摩擦环3穿过海床的淤泥覆盖层4，并使摩擦环3完全或者部分嵌入到海床的持力层5。本发明的复合基础结构通过将摩擦环3与钢管桩1相互固定连接，在不大幅增加制造成本和施工难度的前提下，使得这类基础结构的承载能力进一步明显提高，从而拓宽了单桩类基础的应用范围。而且通过所述的摩擦环3提供的摩擦力和支挡力可以增加基础的侧向抗力和抗侧弯力矩，从而显著减低桩体的水平位移和倾斜率。

进一步的，所述钢管桩1的结构形式采用单桩结构。采用普通钢管桩，降低了其成本。

进一步的，所述摩擦环3采用大直径圆环结构。通过采用直径圆环结构简化了其结构形式，同时其制作简单。

实施例2：

参见图1-5，在本实施例中，所述翼板连接结构采用梯形翼板2，所述梯形翼板2的两个平行边分别与钢管桩1的外壁以及摩擦环3的内壁固定相连；所述梯形翼板2共有多个，并均布设置在钢管桩1的外部。通过采用梯形翼板2其一方面能够用于将钢管桩1和摩擦环3可靠固定的连接，使两者成为一个整体，另一方面，其能够在钢管桩1和摩擦环3之间形成多个扇形区域，进而使得海床覆盖层，被分隔成多个区域，增强了基础承载力的同时，也提高了其抗弯矩的能力。

此外，通过梯形翼板，在打桩时更容易穿透海床覆盖层。

实施例3：

参见图6-10，在本实施例中，所述翼板连接结构采用弧形翼板6，所述弧形翼板6的两个平行边分别与钢管桩1的外壁以及摩擦环3的内壁固定相连；所述弧形翼板6共有多个，并均布设置在钢管桩1的外部。通过上述的弧形翼板6能够增强钢管桩1和摩擦环3之间的连接强度，保证了两者形成整体，此外，采用弧形的底端结构，能够在打桩过程中对覆盖层进行有效的切割。

实施例4：

参见图11，进一步的，所述翼片连接结的梯形翼板2和弧形翼板6的顶端以及底端都分别加工有用于切割海床覆盖层的刃口7。通过上述的刃口7能够提高打桩过程中，翼板对海床覆盖层的切削，进而使得基础结构能够顺利的穿过淤泥覆盖层4和持力层5，提高了打桩效率。

进一步的，所述摩擦环3的高度为2~15m。通过上述的高度范围能够获得最佳的桩基支撑效果。

进一步的，所述翼片连接结的梯形翼板2和弧形翼板6数量为3-8个。通过上述的数量，保证能够获得最佳的桩基支撑效果。

实施例5：

海上风电单桩和摩擦环的复合基础结构的施工方法，包括以下步骤：

step1：按照普通钢管摩擦桩的打桩方式将桩体打入至翼板连接结构的下缘与持力层5相接触的位置；

step2：降低打桩的单锤能量，提高锤击频率，将摩擦环3的大部分或者全部嵌入到持力层5的内部。