一种海上风电根式单桩基础、根键斜推装置及施工方法

1.本发明涉及海上风电领域，具体地，涉及一种海上风电根式单桩基 础、根键斜推装置及施工方法。


背景技术：

2.海上风能具有资源丰富，风速稳定，对环境负面影响小，装机容量大， 且不占用耕地等优势，是各国重点发展的新能源之一。大力发展海上风能发 电，为国家电网提供可再生的发电量，从而为国家节省大量的化石能源，同 时也减少了大量有害物质以及二氧化碳的排放，减少了环境污染以及温室 效应。
3.海上风电基础支承上部结构，同时承受海上强风载荷、海水腐蚀和波浪 冲击，远比陆地的结构复杂、技术要求高、建设成本高。其中单桩基础以其 造价相对较低的优势使得应用最为广泛，但其承载力及桩基位移控制方面 仍存在不足。因此，研发一种有效耐用的海上风电单桩基础具有重要意义。
4.大直径单桩基础是海上风电基础的主流，施工方便且经济效益较好。但 单桩基础在承载力及桩体位移控制方面仍存在问题，特别是在深水海域。制 约单桩基础更广泛应用的问题主要有：单桩基础需具备较大的承载力和抗 滑抗倾覆稳定性；施工船舶在沉桩施工时受波浪、海风等影响，难以控制单 桩垂直度；桩周土体受海洋冲刷严重，会降低稳定性并促使桩倾斜发生事故。
5.经检索发现申请号为cn202011260348.6的中国专利，该组合式单桩基 础包括钢管桩、以及若干变截面t型翼板，所述的钢管桩的外表面沿竖向 设有数量匹配变截面t型翼板的卯槽，变截面t型翼板上设有与卯槽匹配 的榫头，使得变截面t型翼板与钢管桩之间通过由卯槽与榫头组成的榫卯 结构固定连接。该发明可一定程度上解决单桩基础垂直纠偏问题，提高单桩 基础在深水海域的适用性。但是上述专利中，变截面t型翼板的变截面设 计，会在安装该单桩基础时对土体造成极大的扰动，导致桩周土体被挤压向 两边移动，桩周可能出现巨大的土体镂空区，从而导致冲刷问题加剧，降低 抗倾覆能力、承载力。
6.因此，需要研发一种能提高抗倾覆能力和承载力的新单桩基础。


技术实现要素：

7.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种海上风电根式单 桩基础、根键斜推装置及施工方法。
8.本发明第一个方面，提供一种海上风电根式单桩基础，包括：
9.单桩基础本体，所述单桩基础本体的下部为用于插入海洋土体的插入 段；
10.设置于所述插入段外侧壁上用于植入海洋土体的若干根键，其中，每个 所述根键的一端与所述插入段外侧壁连接，所述根键的另一端为自由端；所 述若干根键沿所述插入段的长度方向和环向均匀分布，所述若干根键沿所 述插入段外侧壁向外呈放射状分布。
11.优选地，所述插入段外侧壁上设有与所述根键外径相匹配的若干预留 孔位，且预
留孔位设置有防渗胶圈，所述根键的一端与所述插入段外侧壁通 过所述预留孔位插接，使所述根键与所述单桩基础本体连接。
12.优选地，所述根键与所述插入段的竖向呈锐角布置。
13.优选地，所述单桩基础本体为空心柱状结构，所述空心柱状结构沿径向 由内到外依次设置第一钢质空心圆柱体、钢筋混凝土层和第二钢质空心圆 柱体，构成双层钢壁柱状结构。
14.本发明第二个方面，提供一种根键斜推装置，用于将所述的海上风电根 式单桩基础中的根键安装于单桩基础本体的插入段；所述装置包括：
15.水平平台；
16.设置于所述水平平台上的底座，所述底座上设有用于支撑并推动所述 根键的套筒；所述套筒与所述水平平台水平方向呈夹角布置；
17.设置于所述水平平台上用于支撑所述底座的竖向平台，所述竖向平台 垂直设置于所述底座的一侧；
18.设置于所述水平平台上用于支撑所述柱状筒的斜撑，所述斜撑的一端 与所述柱状筒的外侧壁固定，所述斜撑的另一端与所述水平平台固定。
19.优选地，所述斜撑为三角式支撑架。
20.本发明第三个方面，提供一种所述的海上风电根式单桩基础的施工方 法，包括：
21.预制单桩基础主体和若干根键；
22.起吊所述单桩基础主体，利用所述单桩基础主体的自重和打桩机的动 力压载作用使插入段沉入至海洋土体的预设深度，将若干根键推入对应的 预留孔中，再从下往上依次将根键倾斜推入到海洋土体中。
23.优选地，将所述若干根键利用根键斜推装置分别推入至所述插入段的 预留孔位内，使所述根键与插入段外侧壁插接。
24.与现有技术相比，本发明实施例具有如下至少一种的有益效果：
25.本发明上述海上风电根式单桩基础结构，通过在单桩基础本体的插入 段设置一个或多个竖向呈锐角布置的根键，构成根式单桩基础，此种桩基 形式打破了现有常规的设计理念，形成一种新的桩基形式，竖向呈锐角布 置的根键用以抵抗上部荷载，在海洋土体中可以利用该设置的根键来提高 单桩的承载能力，且结构简单，整体性强，显著提高单桩基础本体的承载 力及单桩基础本体位移控制能力。
26.本发明上述海上风电根式单桩基础结构，单桩基础造价低，根键可以 对桩基起到加固作用，使其适用于更为严峻的海洋环境条件，有效控制由潮 汐、涌浪、上部风荷载引起的水平位移。
27.本发明上述海上风电根式单桩基础结构，在安装时尽量利用单桩自重， 减小安装时单桩对土体的扰动。待单桩本体就位后，再进行根键安装。该根 键发挥类似于边坡治理时用到的土层锚杆的作用，使其与土体结合，进而提 高大直径单桩基础的抗倾覆能力、承载力。
附图说明
28.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明 的其它特征、
目的和优点将会变得更明显：
29.图1是本发明一优选实施例的海上风电根式单桩基础的结构示意图；
30.图2是本发明一优选实施例的海上风电根式单桩基础的俯视图；
31.图3是本发明一优选实施例的海上风电根式单桩基础的正视图；
32.图4是本发明一优选实施例的根键斜推装置的结构示意图；
33.图5是本发明一优选实施例的根键斜推装置的正视图；
34.图6是本发明一优选实施例的根键斜推装置的俯视图；
35.图7是本发明一优选实施例的单桩基础本体的剖视图；
36.图8是本发明一优选实施例中根键安装时升降平台示意图；
37.图中标记分别表示为：单桩基础本体1、插入段2、根键3、预留孔位 4、第一钢质空心圆柱体5、钢筋混凝土层6、第二钢质空心圆柱体7、不 透水膜8、水平平台9、底座10、套筒11、斜撑12、竖向平台13、升降 平台14。
具体实施方式
38.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本 领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出 的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可 以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
39.图1是本发明一优选实施例的海上风电根式单桩基础的结构示意图。 参照图1所示，参照1所示，本优选实施例的海上风电根式单桩基础，包 括：一个单桩基础本体1以及多个根键3，该单桩基础本体1为一个圆柱 体，其中单桩基础本体1的下部为用于插入海洋土体的插入段2，上部为漏 出海洋土体部分。在单桩基础本体1的插入段2设有多个根键3，多个根键 3位于单桩基础本体1的插入段2的外侧，与插入段2一起植入海洋土体。 每个根键3的一端与插入段2外侧壁连接，每个根键3的另一端为自由端， 多个根键3沿插入段2的长度方向和环向均匀分布，多个根键3沿插入段 2外侧壁向外呈放射状分布。如图所示，每个根键3与单桩基础本体1之间 呈一夹角设置。
40.本实施例通过在单桩基础本体1的插入段2设置多个根键3，构成根 式单桩基础，通过根式单桩基础和其上多个根键3同时植入海洋土体，来 提高单桩的承载能力；整个结构简单，整体性强，显著提高单桩基础本体 1的承载力及单桩基础本体1位移控制能力。
41.图2是本发明一优选实施例的海上风电根式单桩基础的俯视图。参 照图2所示，该优选实施例中，在单桩基础本体1的插入段2设置多个 根键3，多个根键3围绕单桩基础本体1外侧壁均匀布置，其中在单桩基础 本体1的圆柱体外侧一周设置多列根键3，同时，每一列也包括多根根键3， 多列之间依次沿着圆周排列，每列的多根根键3围绕单桩基础本体1的圆 柱体外侧的圆周外侧壁设置。具体的，如图1中所示，单桩基础本体1的 插入段2的圆柱体外侧一周设置4列根键3，每列包括8根根键3，4列之 间沿着圆周等间距排列，每列的8根根键3围绕单桩基础本体1的圆柱体 外侧的圆周外侧壁均匀设置。进一步的，每根根键3的大小、角度等完全相 同，当为偶数根根键3时，则沿着圆柱体外侧壁均匀且对称设置，从而在插 入海洋土体后，在提高单桩的承载能力的同时，大大提高单桩基础本体1 的稳定性和可靠性。当然，在其他实施例中也可以是其他数量的根键3，根 据插入段2的长度情况来设
置需要设置的根键3列数，并根据实际需要达 到的承载力等来设置每列根键3的数量(优选对称的偶数数量)，以及每个 根键3的具体参数(比如长度、角度、大小等等)。
42.在一些实施例中，根键3为柱状部件，多个根键3沿着单桩基础本体1 的外周均匀设置在单桩基础本体1的插入段2上。在部分优先实施例中， 根键3与插入段2的竖向呈锐角设置，该锐角部分为插入海洋土体时的主 要受力部，即锐角方向为朝向海洋土体。单桩基础本体1的插入段2的端 部为尖端，方便插入海洋土体中。相应的，根键3的自由端也可以设置为 尖端，以便与插入段2的端部一起插入海洋土体中。
43.图3是本发明一优选实施例的海上风电根式单桩基础的正视图。参照 图3所示，单桩基础本体1的插入段2外侧壁上设有与根键3外径相匹配 的若干预留孔位4，且每个预留孔位设置有防渗胶圈，每根根键3的一端与 插入段2外侧壁通过预留孔位4插接，完成每根根键3与单桩基础本体1 连接。具体的，图3中所示的多根根键3位置沿着单桩基础本体1的圆柱 体的外壁均匀且对称，形成一种类似纵横阵列式的设置。当然，在其他实施 例中，每根根键3与单桩基础本体1连接也可以采用其他方式，多根根键3 也可以根据需要可以形成相邻根键3上下的错位排列。
44.参照图7所示，上述实施例中，单桩基础本体1为空心柱状结构，空 心柱状结构沿径向由内到外依次设置第一钢质空心圆柱体5、钢筋混凝土层 6和第二钢质空心圆柱体7，构成双层钢壁柱状结构。本优选实施例中采用 双层钢壁柱状结构，相较于传统柱状结构，可以具有更高的强度。
45.另外，为了更好的保证安装效果，在一些实施例中，第二钢质空心圆柱 体7的外侧壁上设有一层不透水膜8，不透水膜8在安装单桩基础时防止土 体和水进入单桩。在实际施工时，先安装单桩基础主体，待单桩基础主体 就位后，再安装根键3。设置不透水膜8的作用是在安装单桩基础时防 止土体和水进入单桩。
46.在本发明另一实施例中还提供一种根键斜推装置。
47.参照图4-6所示，是本发明一优选实施例的根键斜推装置的结构示意 图。图中，根键斜推装置用于将上述的海上风电根式单桩基础中的根键3安 装于单桩基础本体1的插入段2。具体的，根键斜推装置包括：水平平台9、 底座10、竖向平台13和斜撑12，其中，底座10设置于水平平台9上，竖 向平台13设置于水平平台9上并用于支撑底座10。底座10上设有用于支 撑并推动根键3的套筒11；套筒11与水平平台9水平方向呈夹角布置，且 套筒11可沿底座10做俯仰运动。竖向平台13垂直设置于底座10的一侧； 斜撑12的一端与柱状套筒11的外侧壁固定，斜撑12的另一端与水平平台 9固定。
48.另外，在套筒11内部装有多级液压顶推设备，由液压顶推设备推动根 键3运动，实现根键3的斜推安装。具体的，套筒11与底座10被焊接固 定，稳定性强。
49.具体的，当安装的根键为多根、不同位置和高度时，在实际安装过程中， 还在单桩基础主体内设置有升降平台14，用于完成不同高度、不同水平位 置的多根根键的安装。
50.图5是本发明一优选实施例的根键斜推装置的正视图，图6是本发明 一优选实施例的根键斜推装置的俯视图，右图中可以看出，斜撑12为三角 式支撑架。具体三角的角度与上述的根键3设置有关。
51.具体的，在另一实施例中，本发明还提供一种海上风电根式单桩基础的 施工方法，包括：
52.s1，预制单桩基础主体和若干根键3，具体结构如图1-3所示；
53.s2，起吊单桩基础主体，利用单桩基础主体的自重和打桩机的动力压载 作用使插入段2沉入至海洋土体的预设深度，将若干根键3顶进根键斜推 装置，根键斜推装置安装从下往上的位置顺序逐一将根键3斜推入对应的 预留孔中，再从下往上依次将根键3倾斜推入到海洋土体中。
54.上述的s2中，将若干根键3利用根键斜推装置分别推入至插入段2的 设置有防渗胶圈的预留孔位4内，使根键3与插入段2外侧壁插接。具体 的，根键斜推装置操作过程如下：
55.(1)将根键3放入根键斜推装置的套筒11；
56.(2)将套筒11与设置有防渗胶圈的预留空位4对正；
57.(3)启动套筒11内的液压顶推设备，将根键3斜推入插入段2的预 留孔位4内，使根键3与插入段2外侧壁插接，从而完成一根根键的安装。 在该操作过程中，不透水膜8与预留孔位的防渗胶圈，能很好地防止土体 和水进入单桩。
58.对于多根根键，在安装前，将根键斜推装置放入升降平台14，升降平 台14和根键斜推装置一起放入单桩基础主体内部。参照图8所示，升降平 台14可以采用连杆机构，多个连杆之间交叉连接构成多个相互连接的平行 四边形机构，平行四边形机构的最上面设置用于放置根键斜推装置的平台。 在平行四边形机构的两平行的连杆之间设置驱动部件(如电机)，用于驱动 连杆的升降，从而带动平台上的根键斜推装置升降，同时，采用平行四边形 机构的连杆机构，可以使得连杆机构在上升的同时保持最上方平台的水平， 保证操作平台的稳定性。升降平台14可以依靠自身重力稳定，或者，在其 底部增加支撑底座，以使其更为稳固。另外，在升降平台14的底部可以进 一步增加可移动平台(比如可移动小车)，用于到达相应的根键安装位置， 尤其是在大直径的单桩基础时。升降平台14中连杆的数量可以根据单桩基 础主体上根键的数量和设置的位置来设置。
59.采用升降平台14，在(1)-(3)完成一处根键安装后，通过控制升降 平台的连杆机构上升，从而带动平台上的根键斜推装置到达另一根键的安 装位置，重复上述(1)-(3)过程，完成该根键的安装；当在同一水平位 置完成一个根键安装，需要安装另一根根键时，可以移动升降平台14到指 定的位置，重复上述(1)-(3)过程，从而完成该同一水平位置的多根根 键的安装。
60.通过上述过程完成所有根键的安装。在上述操作完成后，将根键斜推装 置、升降平台14撤走，从而完成将预制的根键3与预制的单桩基础主体连 接为整体基础。在上述安装过程中，必须防止土体和水进入单桩。
61.当然图8所示的仅仅是其中一种升降平台，在实际使用中，也可以根 据需求采用其他的升降结构，只要能完成上述功能即可。
62.本发明上述实施例，在安装时尽量利用单桩自重，减小安装时单桩对土 体的扰动。待单桩本体就位后，再进行根键3安装。该根键3发挥类似于 边坡治理时用到的土层锚杆的作用，使其与土体结合，进而提高大直径单桩 基础的抗倾覆能力、承载力。
63.上述实施例附图中，相同的附图标记代表相同的零部件或作用同等的 零部件，且描述中使用的“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右
”ꢀ
等类似的术语仅指相对于图形而言，目的是为了方便地描述本发明。
64.上述实施例所有附图仅仅是为了便于解释说明本发明的技术内容；构 成最优实施方式所采用的数字、零部件的位置、零部件之间的相互关系以及 零部件的尺寸等技术特征不构成对技术方案本身的限定，而应延伸至该技 术领域所覆盖的整个领域。
65.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并 不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内 做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质。