海上风电负压桶-负压桩复合基础及其建造工艺的制作方法

1.本发明属于海上风电领域，尤其地涉及一种海上风电负压桶-负压桩复合基础及其建造工艺。


背景技术：

2.海上具有丰富的风能资源，随着我国海上风电技术发展成熟，海上风电可以为沿海地区提供可持续发展的能源。海上风电负压桶基础是一种常用的基础结构形式。相关技术中的负压桶基础通常仅利用了表层土的承载力,而浅层土承载力较弱，对海上风机基础的承载能力和载荷能力都有较大的限制。此外，相关技术中的负压桶基础中为了满足海上风机的载荷要求，通常在水平方向上具有较大的几何尺寸，导致基础建造所需材料量较大，增加了成本，提高了运输与施工的难度。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种具有较强的抗弯承载能力、抗压承载能力和抗拉承载能力的海上风电负压桶-负压桩复合基础。
4.本发明的实施例还提出了一种用于建造上述海上风电负压桶-负压桩复合基础的建造工艺。
5.本发明实施例的海上风电负压桶-负压桩复合基础包括：
6.桩体；
7.负压桶，所述桩体与所述负压桶顶部相连；和
8.若干负压桩，若干所述负压桩沿所述负压桶的周向间隔设置在所述负压桶的外侧并与所述负压桶相连，所述负压桶和所述负压桩均沉降入海床，所述负压桶的轴向和所述负压桩的轴向均沿竖直方向延伸，所述负压桩的底部和所述负压桶的底部均敞开且所述负压桩的底部位于所述负压桶的底部的下方。
9.本发明实施例提供的负压桶-负压桩复合基础在负压桶外侧间隔设置若干负压桩，并使负压桩的底部位于负压桶的底部的下方，可以使负压桩能够埋入承载能力更强的深层土中，进而提高复合基础的抗弯承载能力、抗压承载能力和抗拉承载能力，使复合基础具有更好的稳定性。与具有相同抗弯承载能力、抗压承载能力和抗拉承载能力的相关技术中的负压桶基础相比，本发明实施例提供的负压桶-负压桩复合基础在水平方向上具有较小的几何尺寸，即复合基础无需将负压桶在水平方向上设计为较大的尺寸，即可使基础具有较强的抗弯承载能力、抗压承载能力和抗拉承载能力，达到实际工程中载荷的要求。因此与普通负压桶基础相比，本发明实施例提供的负压桶-负压桩复合基础所需要的建造材料较少，更便于运输与现场施工，结构性能也更优于普通负压桶基础。
10.在一些实施例中，所述负压桩的顶部与所述负压桶的顶部在竖直方向上平齐。
11.在一些实施例中，若干所述负压桩的外壁面与所述负压桶的外壁面焊连。
12.在一些实施例中，所述负压桩为圆柱结构或棱柱结构。
13.在一些实施例中，所述负压桩的底部与所述负压桶的底部在竖直方向上的距离为2米至90米。
14.在一些实施例中，若干所述负压桩具有多种不同的长度。
15.在一些实施例中，所述负压桶包括顶板和从内向外依次间隔套设的至少三层桶基础，所述桶基础的轴向均沿竖直方向延伸，所述桶基础的顶端均与所述顶板相连且底部敞开，其中，位于最外两层的所述桶基础的底端在竖直方向上平齐，除最外层的所述桶基础外的所述桶基础中，相对内层的所述桶基础的底端位于相对外层的所述桶基础的底端的上方。
16.在一些实施例中，还包括混凝土盖板，所述混凝土盖板至少设在所述负压桶的顶部。
17.在一些实施例中，所述负压桶与所述海床之间、所述负压桩与所述海床之间填充有水泥浆体。
18.本发明的另一方面实施例还提出了一种海上风电负压桶-负压桩复合基础的建造工艺，包括如下步骤：
19.将所述复合基础沉入海底直至所述负压桩与所述海床面接触，所述复合基础在自重作用下沉降一定距离；
20.对所述负压桩进行抽吸，所述复合基础继续沉降，直至所述负压桶与海床面接触，所述复合基础在自重作用下继续沉降一定距离；
21.对所述负压桶进行抽吸，所述复合基础继续沉降，直至沉降到位。
附图说明
22.图1是本发明实施例提出的负压桶-负压桩复合基础示意图。
23.图2是本发明实施例提出的负压桶-负压桩复合基础透视图。
24.图3是本发明实施例提出的负压桶-负压桩复合基础仰视图。
25.图4是本发明实施例提出的负压桶-负压桩复合基础基础沉降入海床示意图一。
26.图5是本发明实施例提出的负压桶-负压桩复合基础基础沉降入海床示意图二。
27.图6是本发明实施例提出的负压桶-负压桩复合基础基础沉降入海床示意图三。
28.图7是本发明实施例提出的负压桶-负压桩复合基础基础沉降入海床示意图四。
29.图8是本发明实施例提出的负压桶-负压桩复合基础基础沉降入海床示意图五。
30.附图标记：
31.复合基础100；负压桶10；第一桶基础11；第二桶基础12；顶板13；混凝土盖板14；一级负压舱15；桩体20；负压桩30；抽水口31；海床40。
具体实施方式
32.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
33.下面根据图1-图8描述本发明实施例提供的海上风电负压桶-负压桩复合基础100，复合基础100包括桩体20、负压桶10和若干负压桩30。桩体20与负压桶10顶部相连，桩
体20为海上风机的支撑结构，海上风机安装在桩体20的顶部。
34.若干负压桩30沿负压桶10的周向以一定间隔设置，负压桩30位于负压桶10的外侧并与负压桶10相连。也就是说，负压桩30的一侧与负压桶10外周壁相连。负压桶10的轴向和负压桩30的轴向均沿竖直方向延伸，换言之，负压桶10的桶状结构沿其中心轴线方向竖直向下延伸，若干负压桩30的桩体竖直向下延伸。
35.负压桶10和负压桩30在自重和海水压力的作用下沉降入海床40，负压桩30的底部和负压桶10的底部均敞开、顶部封闭，即负压桶10和负压桩30为无底面的半封闭结构。当复合基础100沉降入海床40的过程中，负压桶10和负压桩30均可与海床40的海床面形成封闭的舱室，通过抽水口31将舱室中的海水抽出使舱室形成负压，即舱室内压力小于外界海水压力，在海水压力的作用下，复合基础100继续向下沉降，直至沉降到位。
36.在复合基础100中，负压桩30的底部位于负压桶10的底部的下方。在一些实施例中，负压桩30的顶端负压桶10的顶端在竖直方向上平齐，负压桩30长度大于负压桶10的长度。复合基础100在沉降入海床40的过程中，负压桩30首先与海床面接触形成封闭舱室，当负压桶10开始插入海床40时，负压桶10中形成封闭舱室。当复合基础100沉降完成后，负压桶10和负压桩30中的舱室被海床40填充。
37.发明人在实际应用过程中发现，复合基础100相对外侧的部分所受的载荷与相对内侧的部分相比，所受的载荷相对较大。通过使负压桩30的底部位于负压桶10的底部的下方，可以使复合基础100能够更好地利用更承载力更强的深层土，有效提高复合基础100的抗拉、抗压能力。也就是说，负压桩30的设置，为提高复合基础100的截面惯性矩和抗弯承载力起到了较大贡献。
38.本发明实施例提供的负压桶-负压桩复合基础在负压桶外侧间隔设置若干负压桩，并使负压桩的底部位于负压桶的底部的下方，可以使负压桩能够埋入承载能力更强的深层土中，进而提高复合基础的抗弯承载能力、抗压承载能力和抗拉承载能力，使复合基础具有更好的稳定性。
39.与具有相同抗弯承载能力、抗压承载能力和抗拉承载能力的相关技术中的负压桶基础相比，本发明实施例提供的负压桶-负压桩复合基础在水平方向上具有较小的几何尺寸，即复合基础无需将负压桶在水平方向上设计为较大的尺寸，即可使基础具有较强的抗弯承载能力、抗压承载能力和抗拉承载能力，达到实际工程中载荷的要求。因此与普通负压桶基础相比，本发明实施例提供的负压桶-负压桩复合基础所需要的建造材料较少，更便于运输与现场施工，结构性能也更优于普通负压桶基础。
40.下面根据图1-图3描述本发明实施例提供的具体实施例中的负压桶-负压桩复合基础100。为方便理解，以远离负压桶10中心轴线为外侧，靠近负压桶10中心轴线为内侧。
41.负压桶-负压桩复合基础100包括负压桶10、负压桩30和桩体20，负压桶10与负压桩30为海上风机的基础，桩体20为海上风机支撑结构。在实际工程中，负压桶10和负压桩20作为复合基础100主体部分，在自重和海水压力的作用下沉降入海床40。
42.如图1所示，若干负压桩30在负压桶10外周壁沿负压桶10周向均匀间隔分布，也就是说，负压桩30在负压桶10外周壁上间隔一定距离设置一个，在本发明提出的实施例中，共设置六个负压桩30连接在负压桶10的外周壁上。
43.如图3所示，负压桩30的顶部与负压桶10顶部在竖直方向上平齐，也就是说，负压
桩30的顶部和负压桶10的顶部位于同一水平面上。可以理解地是，在复合基础100沉降时，海床40较深，海水压力较大，通过设置负压桩30的顶部与负压桶10顶部平齐可以减少复合基础100上端所受压力，保证海水压力不会复合基础100造成结构损伤。同时在复合基础100的建造过程中，负压桩30的顶部与负压桶10顶部平齐可以使建造更简单，减少复合基础100建造的工作量。
44.在其他实施例中，负压桩30的顶部可以位于负压桶10的顶部的上方，或者，负压桩30的顶部可以位于负压桶10的顶部的下方。优选负压桩30的顶部与负压桶10顶部在竖直方向上平齐。
45.具体地，如图1所示，负压桩30的顶部和负压桶10的顶部为一体结构，构造为顶板13，顶板13使负压桩30和负压桶10的上端封闭。
46.在复合基础100中，负压桩30的外壁面与负压桶10的外壁面可以通过焊接相连。复合基础100的总体体积较大，结构相对复杂，在建造过程中更适合使用焊接方法。焊接方法的连接性能好、精确度高，可以满足复合基础100的建造需求。同时，使用焊接工艺的复合基础100的结构相对灵活，可以通过海上风机预定建造地点的实际情况，对负压桩30和负压桶10的连接位置、连接数量进行调整，从而实现复合基础100的绿色、高效建造。
47.在其他实施例中，负压桩30的外壁面可以不直接与负压桶10的外壁面相连，例如负压桩30通过安装架与负压桶10的外壁面相连。
48.如图1所示，本发明实施例提供的复合基础100的负压桩30形状为长方体结构。在其他可选实施例中，负压桩30还可以为其他棱柱结构，或者负压桩30还可以为圆柱结构，或者，负压桩30可以包括多种不同的结构。由于海上风机建造时，海床40的情况相对复杂，复合基础100可以根据现场情况选择形状不同的负压桩30，以满足复合基础100的建造要求。
49.进一步地，负压桩30的底部与负压桶10的底部在竖直方向上具有一定距离，负压桩30的底部在竖直方向上低于负压桶10的底部，负压桩30的底部与负压桶10的底部的距离为2米至90米。例如，负压桩30的底部与负压桶10的底部的距离为30米。
50.可选地，负压桩30的高度可以为10至100米，可以理解地是，负压桩30的高度过低，则负压桩30在复合基础100中无法利用深层土承载力；负压桩30的高度过高，在复合基础100沉降时，负压桩30所受的外力更大，对负压桩30与负压桶10连接处的损伤也会更大，可能会对复合基础100造成不可逆的伤害。
51.在一些实施例中，若干负压桩30具有多种不同的长度。例如，在一些具体实施例中，负压桩30为六个，其中三个负压桩30的长度为第一长度，另外三个负压桩30的长度为第二长度，第一长度大于第二长度，则长度为第一长度的负压桩30的底部位于长度为第二长度的负压桩30的底部的下方，长度为第一长度的负压桩30能够伸入更深层的土体。具有多种不同的长度的若干负压桩30能够充分利用浅层土和深层土的承载力。
52.图1-图3所示的实施例中负压桶10包括两层桶基础，分别为第一桶基础11和第二桶基础12，第一桶基础11套设第二桶基础12，且两者的底端在竖直方向上平齐。第一桶基础11和第二桶基础12之间限定出一级负压舱15。
53.在一些可选实施例中，负压桶10可以包括从内向外依次间隔套设的至少三层桶基础。若干桶基础均沿竖直方向延伸，即若干桶基础均垂直于顶板13所在平面并竖直向下延伸。桶基础的顶端均与顶板13相连且底部敞开。也就是说，桶基础顶端均被顶板13封闭，底
端不封闭为自由端。相邻两层桶基础之间限定出负压舱，负压舱由外向内分别为一级负压舱、二级负压舱至n级负压舱，可以理解的是，当负压桶10包括n 1层桶基础时，则有n级负压舱。
54.进一步地，在这些实施例中，负压桶10的位于最外两层的桶基础底端在竖直方向上平齐，也就是说，最外两层的桶基础的底端位于同一水平面上。在一些实施例中，各个桶基础的顶端在竖直方向上平齐，最外两层的桶基础在竖直方向上长度相等。使最外两层的桶基础底端在竖直方向上平齐，可以使得在沉降过程中，最外两层的桶基础基本同时与海床面接触，从而形成负压舱。除最外层的桶基础以外的其他桶基础中，相对内层的桶基础的底端位于相对外层的桶基础的底端的上方，也就是说，除最外层的桶基础以外的其他桶基础(至少为两个桶基础)的底端形成逐级靠上的梯级结构。例如，负压桶包括三层桶基础，最外两层的桶基础的底端平齐，最内层的桶基础的底端位于外层的桶基础的底端的上方，也就是说，除最外层的桶基础以外的其他两层桶基础中，相对内层的桶基础的底端位于相对外层的桶基础的底端的上方。
55.需要说明的是，在这些可选实施例中，负压状30的底部位于负压桶10的最外两层桶基础的底部的下方。
56.通过调整各级桶基础在竖直方向上的长度，减少除最外侧桶基础外其他桶基础的在竖直方向上的长度，所需要的建造材料更少，更便于运输与现场施工，提高工程效率，还能够在不扩大负压桶在水平方向上的几何尺寸的情况下，达到实际工程中载荷的要求。
57.本发明实施例提出的梯级负压桶基础100中的顶板13顶部还具有混凝土盖板14。混凝土盖板重量大，可以提高负压桶基础100的自身重量，便于负压桶基础100在自重作用下的沉贯。同时混凝土盖板抗压强度高、耐久性好，提高负压桶基础100基础抗弯承载力。
58.如图8所示，复合基础100沉降入海床40，可以理解的是，由于实际环境的影响，复合基础100与海床40之间具有一定空隙。为了消除复合基础100与海床40空隙，向负压桶10、负压桩30与海床40之间填充水泥浆体，加强负压桶基础100的抗弯能力和承载能力。
59.如图4-图8所示，本发明的实施例还提出一种海上风电负压桶-负压桩复合基础100的建造工艺，包括如下步骤：
60.如图4-图5所示，复合基础100通过沉入海底复合基础100在自重作用下沉降一定距离直至负压桩30底部与海床40面接触，并插入海床40，此时负压桩30中形成密闭舱室；
61.通过抽水口31对于负压桩30中的海水进行抽吸，使负压桩30的舱室内形成负压，即负压桩30内的压力小于海水压力。复合基础100在海水压力的作用下继续沉降，如图6所示，至负压桶10与海床面接触，复合基础100在自重作用下继续沉降一定距离，负压桶10底部插入海床40，此时负压桶10中形成密闭舱室；
62.通过抽水口31对负压桶10舱室中的海水进行抽吸，使负压桶10内的舱室形成负压，即负压桶10内的压力小于海水压力。如图7-图8所示，复合基础100在海水的压力下继续沉降，直至沉降到位，即复合基础100的顶板13底部与海床相接触，复合基础100沉降完成；
63.沉贯到位后，通过向基础内灌入水泥浆体，保证负压桶10、负压桩30与海床30土体紧密贴合。
64.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时
针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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。
65.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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
66.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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。
67.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。
68.在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
69.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。