一种海上风机重力式基础复合地基及其处理方法技术

本发明专利技术涉及一种海上风机重力式基础复合地基及其处理方法。该复合地基，包括挤密砂桩，挤密砂桩下端穿越软土层并进入硬土层，挤密砂桩上端设有褥垫层，褥垫层上设有重力式基础和抛石防护，抛石防护在重力式基础边缘且向外延伸；通过对软土海床一定范围区域进行挤密砂桩加固，使砂桩与软土层土体共同作用形成复合地基，以满足重力式基础对地基承载力的要求。通过对拟定机位软土海床进行挤密砂桩加固，提高了基础持力层的地基承载力和风机基础的稳定性，使重力式基础可以应用于我国的软土海床海域，从而降低海上基础的造价。

A Composite Foundation of Gravity Foundation for Offshore Fan and Its Treatment Method

The invention relates to a composite foundation of gravity foundation for offshore wind turbines and a treatment method thereof. The composite foundation includes compacted sand piles, the lower end of the compacted sand piles passes through the soft soil layer and enters the hard soil layer, the upper end of the compacted sand piles is provided with cushion layer, the cushion layer is equipped with gravity foundation and riprap protection, and the riprap protection is at the edge of the gravity foundation and extends outward; by strengthening the soft soil seabed with compacted sand piles in a certain area, the sand piles and the soft soil layer act together to form a complex. The foundation is closed to meet the requirement of bearing capacity of gravity foundation. By consolidating the soft seabed with compacted sand piles, the bearing capacity of the foundation bearing layer and the stability of the fan foundation are improved, so that the gravity foundation can be applied to the soft seabed sea area of our country, thus reducing the cost of the offshore foundation.

【技术实现步骤摘要】
一种海上风机重力式基础复合地基及其处理方法
本专利技术涉及海上风电风机基础
，尤其是涉及一种海上风机重力式基础复合地基及其处理方法。
技术介绍
在全球高度关注发展低碳经济的环境下，风力发电作为可再生能源市场潜力巨大。海上风电虽然起步较晚，但是凭借海风资源的稳定性和大发电功率的特点，海上风电近年来正在世界各地飞速发展。目前海上风电的风机基础主要有以下几种型式：单桩基础、导管架基础、高桩承台基础、重力式基础等。我国海上风电起步以东海大桥海上风电试验风场作为里程碑，正在经历从潮间带逐步向近海浅水、深远海域的发展阶段。相比欧洲海上风电场区多为土层相对较硬的砂质海床，我国东部沿海区域基本上是由冲刷形成的淤泥质软土海床，工程力学性质差。因此我国的海上风机基础普遍选用单桩、多桩承台及导管架的基础型式，依靠打入土层深度及桩端嵌岩来提高桩基承载力。海上打桩作业窗口期短，施工难度较大，风机基础工程造价也相对较高。重力式基础主要依靠自重来抵抗风、浪、流共同产生的作用，维持风机及自身结构的稳定，适用于水深不超过25m的近海区域。相比海上打桩，重力式基础在施工难度和经济性方面都有一定的优势。但对于我国海床表层为淤泥质软土层的地质，天然地基已不能作为基础持力层，重力式基础在软土海床海域难以应用。目前对于我国海床表层为淤泥质软土层的地质，一般采用的是水泥土搅拌桩的方法。水泥土搅拌法适用于处理正常固结的淤泥与淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土、黏性土以及无流动地下水的饱和松散砂土等地基。海上现场施工过程中发现，水泥土搅拌桩法对于处于嵌固结或流动状态的，且土层较厚的淤泥或淤泥质土，实际处理未达到预期效果。水泥土搅拌桩的桩径往往较小，需要通过布置较密的桩，提高地基承载力，施工工期较长。
技术实现思路
为解决以上问题，本专利技术提供一种海上风机重力式基础复合地基及其处理方法，通过对软土海床一定范围区域进行挤密砂桩加固，使砂桩与软土层土体共同作用形成复合地基，以满足重力式基础对地基承载力的要求。本专利技术采用的技术方案是：一种海上风机重力式基础复合地基，包括挤密砂桩，其特征在于：所述挤密砂桩下端穿越软土层并进入硬土层，所述挤密砂桩上端设有褥垫层，所述褥垫层上设有重力式基础和抛石防护，所述抛石防护在重力式基础边缘且向外延伸；所述挤密砂桩的桩径d为0.5m～1.5m，挤密砂桩的桩长l为10m，挤密砂桩的桩间距s，满足：fspk＝[1+m(n-1)]fsk其中：m、桩土面积置换率；n、复合地基桩土应力比；fsk、处理后桩间土承载力特征值；fspk、复合地基承载力。作为优选，所述挤密砂桩采用正方形布桩，m＝d2/(1.13s)2，确定桩间距s。作为优选，所述褥垫层厚度为0.3m，范围为重力式基础底板边缘向外延伸0.3m。进一步的，所述挤密砂桩的加固范围为褥垫层和抛石防护下方区域，及抛石防护边缘向外延伸2m范围。一种海上风机重力式基础复合地基处理的方法，包括以下步骤：A、对拟定机位进行地质勘查，确定表层软土层的地基承载力fsk1；并根据拟定机位海床的软土特性，选择用砂种类、颗粒级配以及施工工艺，制作挤密砂桩进行室内试验和现场试验，以确定选用的桩体材料和施工工艺的适用性；B、根据重力式基础在极端荷载工况作用下，基底受到的最大压应力p，确定处理后复合地基承载力要求值fspk；确定挤密砂桩的加固范围、桩径、桩长及桩间距：挤密砂桩的加固范围：大于抛石防护施工范围；挤密砂桩的桩径d：根据施工条件选择；挤密砂桩的桩长l：挤密砂桩需穿越软土层并进入硬土层，且满足基础沉降变形的要求；挤密砂桩的桩间距s：根据fspk＝[1+m(n-1)]fsk确定桩土面积置换率m,其中：m、桩土面积置换率；n、复合地基桩土应力比；fsk、处理后桩间土承载力特征值；fspk、复合地基承载力；根据不同的布桩方式，桩土面积置换率m与桩间距s及桩径d的关系，进而确定桩间距s；C、根据步骤B确定的挤密砂桩加固范围、桩径、桩长及桩间距，使用步骤A选定的材料和施工工艺进行挤密砂桩现场施工；D、挤密砂桩达到设计强度后，对加固区域进行地基承载力检测，检测达到设计承载力要求后，挖除设计桩顶以上土层，在桩顶设置褥垫层，并对褥垫层表面进行找平处理；E、安装重力式基础；F、在重力式基础边缘采取抛石防护措施。作为优选，步骤A中，桩体材料为渗透率5～8m/d的中粗砂，其中大于0.5mm的砂含量占总重量的50％以上，含泥量小于3％。作为优选，步骤B中，挤密砂桩的加固范围为抛石防护区域边缘向外延伸2m。作为优选,步骤B中，所述挤密砂桩的桩径为0.5m～1.5m。作为优选,步骤B中，所述挤密砂桩的桩长l为10m。作为优选,步骤B中，挤密砂桩采用正方形布桩，m＝d2/(1.13s)2，确定桩间距s。作为优选，步骤D中，所述褥垫层厚度为0.3m，范围为重力式基础底板边缘向外延伸0.3m。作为优选，步骤D中，所述褥垫层为级配碎石褥垫层。进一步的，步骤F中，在重力式基础边缘延伸10m范围内采取抛石防护措施。本专利技术取得的有益效果是：通过对拟定机位软土海床进行挤密砂桩加固，提高了基础持力层的地基承载力和风机基础的稳定性，使重力式基础可以应用于我国的软土海床海域，从而降低海上基础的造价。附图说明图1为本专利技术的结构示意图；图2为挤密砂桩的平面布置图；图中：1、挤密砂桩；2、褥垫层；3、重力式基础；4、抛石防护；5、软土层；6、硬土层。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作更进一步的说明。如图1-2所示，某近海海域海床表层为淤泥质软土层5，软土层5下面是硬土层6，在加固范围内使用挤密砂桩1进行加固，挤密砂桩1的桩顶铺设有褥垫层2，褥垫层2上安装重力式基础3，并在基础边缘范围做抛石防护4。本实例中，现场海床条件：上层为淤泥质软土层，厚8m，地基承载力(fsk1)为80kPa，土层侧摩阻力(qs1)为20kPa；下层土为黏土层(硬土层)，厚20m,地基承载力(fsk2)为140kPa，土层侧摩阻力(qs2)为65kPa，桩端阻力(qp)为1200kPa。重力式基础的重量为3120t,基底为圆形，直径27m，基底面积(Ap)572.3m2；风机极端荷载工况作用在基底的弯矩荷载M＝160000kN.m，计算得到基底最大压应力p＝210kPa，大于软土层地基承载力80kPa，需要对软土地基进行挤密砂桩加固。加固后软土土层承载力(fspk)根据上部荷载要求应达到210kPa以上。根据海床土体特性和施工机械条件，选择的桩体材料为渗透率5～8m/d的中粗砂，其中大于0.5mm的砂含量占总重量的50％以上，含泥量小于3％。成桩采用挤密砂桩船进行振动沉管工艺，施工前打桩3根进行成桩试验，掌握其施工工艺以及桩管拔起高度、下压高度、下压振密时间等技术参数。挤密砂桩的桩径根据施工条件选择：桩径d＝1.5m，桩周长up＝4.71m。加固桩长及桩间距s通过计算确定，计算方法参见《建筑地基处理技术规范》(JGJ220-2012)。本实例中加固桩长及桩间距确定原则如下：第一步，确定桩长：根据机位海床条件，加固桩长需穿越软土层，并进入硬土层厚度不小于2m，且满足基础沉降变形的要求，由此确定桩长为10m。第二步，确定桩间距：由fspk＝[1+m(n-1)]fsk，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种海上风机重力式基础复合地基处理方法，包括以下步骤：A、对拟定机位进行地质勘查，确定表层软土层的地基承载力fsk1；并根据拟定机位海床的软土特性，选择用砂种类、颗粒级配以及施工工艺，制作挤密砂桩进行室内试验和现场试验，以确定选用的桩体材料和施工工艺的适用性；B、根据重力式基础在极端荷载工况作用下，基底受到的最大压应力p，确定处理后复合地基承载力要求值fspk；确定挤密砂桩的加固范围、桩径、桩长及桩间距：挤密砂桩的加固范围：大于抛石防护施工范围；挤密砂桩的桩径d：根据施工条件选择；挤密砂桩的桩长l：挤密砂桩需穿越软土层并进入硬土层，且满足基础沉降变形的要求；挤密砂桩的桩间距s：根据fspk＝[1+m(n‑1)]fsk确定桩土面积置换率m,其中：m、桩土面积置换率；n、复合地基桩土应力比；fsk、处理后桩间土承载力特征值；fspk、复合地基承载力；根据不同的布桩方式，桩土面积置换率m与桩间距s及桩径d的关系，进而确定桩间距s；C、根据步骤B确定的挤密砂桩加固范围、桩径、桩长及桩间距，使用步骤A选定的材料和施工工艺进行挤密砂桩现场施工；D、挤密砂桩达到设计强度后，对加固区域进行地基承载力检测，检测达到设计承载力要求后，清除设计桩顶以上土层，在桩顶设置褥垫层，并对褥垫层表面进行找平处理；E、安装重力式基础；F、在重力式基础边缘采取抛石防护措施。...

【技术特征摘要】
1.一种海上风机重力式基础复合地基处理方法，包括以下步骤：A、对拟定机位进行地质勘查，确定表层软土层的地基承载力fsk1；并根据拟定机位海床的软土特性，选择用砂种类、颗粒级配以及施工工艺，制作挤密砂桩进行室内试验和现场试验，以确定选用的桩体材料和施工工艺的适用性；B、根据重力式基础在极端荷载工况作用下，基底受到的最大压应力p，确定处理后复合地基承载力要求值fspk；确定挤密砂桩的加固范围、桩径、桩长及桩间距：挤密砂桩的加固范围：大于抛石防护施工范围；挤密砂桩的桩径d：根据施工条件选择；挤密砂桩的桩长l：挤密砂桩需穿越软土层并进入硬土层，且满足基础沉降变形的要求；挤密砂桩的桩间距s：根据fspk＝[1+m(n-1)]fsk确定桩土面积置换率m,其中：m、桩土面积置换率；n、复合地基桩土应力比；fsk、处理后桩间土承载力特征值；fspk、复合地基承载力；根据不同的布桩方式，桩土面积置换率m与桩间距s及桩径d的关系，进而确定桩间距s；C、根据步骤B确定的挤密砂桩加固范围、桩径、桩长及桩间距，使用步骤A选定的材料和施工工艺进行挤密砂桩现场施工；D、挤密砂桩达到设计强度后，对加固区域进行地基承载力检测，检测达到设计承载力要求后，清除设计桩顶以上土层，在桩顶设置褥垫层，并对褥垫层表面进行找平处理；E、安装重力式基础；F、在重力式基础边缘采取抛石防护措施。2.根据权利要求1所述的海上风机重力式基础复合地基处理方法，其特征在于：步骤A中，桩体材料为渗透率5～8m/d的中粗砂，其中大于0.5mm的砂含量占总重量的50％以上，含泥量小于3％。3.根据权利要求1所述的海上风机重...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宇飞，陶铁铃，邹尤，刘海波，付文军，赵鑫，甘乐，汪顺吉，段斐，苏毅，
申请(专利权)人：长江勘测规划设计研究有限责任公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42