本发明专利技术公开了仿生鳞片式桶壁式吸力基础，它包括一个顶部封闭，底部开口的桶体，桶体顶部设有可以打开和关闭的排水口。桶体外壁布置有仿生鳞片结构，一组横向和竖向都连续的多层仿生鳞片结构成为一个仿生鳞片组。上述桶体的直径与高度比例优选范围为1:0.5～1:10，上述仿生鳞片结构的宽度(H)优选范围为1～10mm，仿生鳞片结构的宽度(H)与高度(L)的比值优选范围为1:30～1:120，仿生鳞片结构的尺寸可根据实际工程确定，但不显著减小吸力基础桶壁厚度。每个仿生鳞片组的位置和尺寸都可根据实际问题确定。本发明专利技术通过对现有吸力基础进行改进，显著降低沉贯阻力和沉贯土塞高度，提升基础抗拔承载力。础抗拔承载力。础抗拔承载力。
【技术实现步骤摘要】
一种仿生鳞片式桶壁吸力基础及尺寸确定方法
[0001]本专利技术涉及土木工程及海洋工程领域，尤其涉及一种海上风电工程基础形式。
技术介绍
[0002]构建清洁，低碳，安全，高效的能源体系，是国家实现“双碳”目标的重要途径。海上风能是一种清洁可再生能源，具有储量丰富，零排放、零污染的优点。我国海上风能资源丰富，大力开发海上风能资源可助力新型能源体系的建立。
[0003]截至2021年12月，我国海上风电装机总容量达20.64GW，跃居世界第一。随着浅海风电开发趋于饱和，海上风电建设逐渐转向深海领域(水深＞40m)，且风机单机容量增至10～ 15MW。海上风电结构基础是风电建设的重要组成部分，传统海上风电基础主要有重力式基础、单桩基础、多桩基础导管架基础以及吸力基础等形式。与本专利技术有关的技术是吸力基础。吸力基础形状类似于倒置的水桶，是一种顶部封闭、底部开口的钢桶结构，顶部设有排水孔。吸力基础在自重和吸力的作用下进行沉贯。目前传统吸力基础存在的缺点是：
[0004](1)沉贯过程中侧壁摩阻力过大将导致基础难以顺利沉贯至预定深度；
[0005](2)沉贯过程中的渗流现象会引起基础内部“土塞”，影响沉贯深度；
[0006](3)基础服役期的抗拔承载力需要进一步提高，以适应大装机容量海上风电结构开发。
[0007]与浅海相比，深海风电基础将承受更大的水平荷载和弯矩，故传统吸力基础水平及抗倾覆和抗拔能力逐渐不能满足工程需求，而海洋极端环境中，增大基础尺寸或采用多桶吸力基础将极大增加运输及安装成本，研究发现：水深40～50m的基础造价是10～20m的1.9倍。
[0008]传统吸力基础沉贯过程中的沉贯阻力主要由侧壁摩阻力提供。为了降低沉贯侧壁摩阻力利于基础贯入海床，同时提高基础沉贯结束后服役期的抗拔承载力，受到蛇腹部鳞片的启发，本专利技术提出一种新型吸力基础
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一种仿生鳞片式桶壁吸力基础。该仿生鳞片式桶壁吸力基础最大特点是基础侧壁摩阻力具有显著方向性：沉贯过程中侧壁向上摩阻力和基础内部土塞量显著降低，使基础可以顺利快速沉贯至预定深度；基础沉贯安装结束后，仿生鳞片侧壁又可显著提高基础侧壁向下的摩阻力，从而提高基础抗拔承载力。通过文献查新，鳞片式桶壁吸力基础是一种新型结构，国内外尚无对此的理论、试验以及工程实用的报道。
[0009]虽然仿生鳞片式桶壁式吸力基础生产制造工序比传统的吸力基础复杂，但是其承载力较传统吸力基础显著提高。此外，相比于目前海洋大直径单桩基础和重力式基础等形式，吸力基础的建设造价成本仍显著降低，拥有巨大的节省造价优势。
[0010]现有技术的相关研究报道主要有：
[0011]中国专利公开号为CN113338330A公开了一种仿刺吸式口器吸力锚，该吸力锚在锚桶外壁均匀布设凸刺，通过增大外壁与土体摩擦提高基础抗拔承载力。但凸刺尖端与土体接触将产生应力集中，应力集中对吸力锚抗拔承载力造成极大损失，且新增凸刺使锚侧壁厚度增加，故沉贯过程中吸力锚尖端阻力增大，不能贯入预期埋深。
[0012]中国专利公开号为CN108239977A、CN205314125U和CN206815361U分别公开了一种可增强抗拔力的吸力锚，该吸力锚在桶壁外侧设置有一定坡度的环形凹槽，通过增大外壁与地基土接触面积提高基础的抗拔承载力，但新增环形凹槽增大了锚侧壁厚度，故沉贯过程中吸力锚尖端阻力增大，难以贯入设计深度。
[0013]中国专利公开号为CN108425379A公开了一种深海内环式海底吸力锚及其安装方法，该吸力锚内壁沿轴向等间距布置若干空心环形凸起，基础侧壁内壁空心环形凸起的侧壁形成倒钩状结构，通过增大内壁与土体摩擦提高基础抗拔承载力，但空心环形凸起不能调动桶外土体抵抗水平荷载和弯矩，故对抗拔承载力提高有限，且新增空心环形凸起增大了锚侧壁厚度，沉贯过程中吸力锚础尖端阻力增大，难以贯入设计深度。
[0014]中国专利公开号为CN107299645A公开了一种深海竹节式吸力锚，该吸力锚包括竹节式锚桶、轴承和可旋转喷头，通过增大基础侧壁与土体摩擦力提高基础抗拔承载力，但桶壁呈竹节状使得锚侧壁厚度增大，故沉贯过程中吸力锚尖端阻力增大，难以贯入设计深度。
技术实现思路
[0015]本专利技术提供一种显著降低沉贯阻力和沉贯土塞高度，提升基础抗拔承载力，适用于海上风机的仿生鳞片式桶壁吸力基础。
[0016]本专利技术所采取的技术方案为：
[0017]仿生鳞片式桶壁吸力基础，包括一个顶部封闭，底部开口的桶体，桶体顶部设有可以打开和关闭的排水口。其特征在于，在所述的桶体侧壁外表面设置仿生鳞片结构，见图4，本专利技术定义一组横向和竖向都连续的多层仿生鳞片结构成为一个仿生鳞片组。仿生鳞片结构的宽度(H)、高度(L)以及两相邻仿生鳞片组之间的距离可以根据基础受到的荷载组合、海床土体性质等实际需求进行设计调整，主要参数尺寸优选范围如下：
[0018]所述桶体的直径与高度比例优选范围为1:0.5～1:10；
[0019]所述桶体的顶板厚度优选范围为50～100mm；
[0020]所述仿生鳞片结构的宽度(H)优选范围为1～10mm；
[0021]所述仿生鳞片结构的宽度(H)与高度(L)的比值优选范围为1:30～1:1020。
[0022]仿生鳞片组尺寸和位置确定方法如下：
[0023](1)从桶顶板到第一个鳞片的距离为D，D的最小取值为0，最大取值为基础桶体高度。
[0024](2)仿生鳞片组的旋转角度可见图2，以穿过排水口的直径为基准线，逆时针旋转角度β，β的最小取值为0，最大取值为360
°
。
[0025](3)每个仿生鳞片组的鳞片数量可根据实际问题确定，同一个仿生鳞片组中每个鳞片结构的宽度(H)与高度(L)可以相同也可以不同，根据实际工程确定。
[0026]各尺寸参数具体数值可根据实际工程需要确定，不局限于上述优选尺寸范围。
[0027]图5为仿生鳞片式桶壁吸力基础的鳞片设置案例：
[0028]图5所示桶体高度为2.1m，直径为1.6m，共设置一个仿生鳞片组，从桶顶板到第一个鳞片的距离D为0.4m，仿生鳞片组的旋转角度β为360
°
，此鳞片组共设置12个尺寸相同的鳞片结构，每个鳞片结构的宽度(H)为3mm，高度(L)100mm。鳞片结构宽度根据吸力基础适用土体类型(中粗砂及以下砂土、中硬及以下黏性土)的土体颗粒粒径确定。
[0029]本专利技术一种仿生鳞片式桶壁吸力基础的施工方法如下:
[0030](1)首先打开仿生鳞片式桶壁吸力基础桶体顶板排水口，基础在自重作用下沉至海底，并贯入海床一定深度；
[0031](2)将基础桶体顶部排水孔连接抽水泵，基础内部水体形成密闭空间，随后打开抽水泵，将基础内部水体逐渐抽出，基础内部压力小于外部压力，基础在内外压力差(即吸力)作用下进一步贯入海床；
[0032](3)当仿生鳞片式桶壁吸力基础顶本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种仿生鳞片式桶壁式吸力基础，它包括一个顶部封闭，底部开口的桶体，桶体顶部设有可以打开和关闭的排水口。桶体外壁布置有仿生鳞片结构，一组横向和竖向都连续的多层仿生鳞片结构成为一个仿生鳞片组。2.上述桶体的顶板厚度优选范围为50～100mm，桶体的直径与高度比例优选范围为1:0.5～1:10。上述仿生鳞片结构的宽度(H)优选范围为1～10mm，仿生鳞片结构的宽度(H)与高度(L)的比值优选范围为1:30～1:120。...
【专利技术属性】
技术研发人员：李大勇，张雨坤，侯新宇，梁昊，李逸凡，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：
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