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在软土海床海域海上风电工程中应用重力式基础的方法
申请号	CN201610368120.6	申请日	2016-05-30	公开(公告)号	CN106013204A	公开(公告)日	2016-10-12
申请人	上海电力设计院有限公司;			发明人	文锋;
摘要	本发明公开了一种在软土海床海域海上风电工程中应用重力式基础的方法，依次包括：确定水泥土应该达到的强度，选择适合的水泥品种和水泥型号，制作水泥土搅拌桩进行室内试验和现场试验；确定水泥土搅拌桩的加固范围、桩径、桩长及桩间距；进行水泥土搅拌桩的现场施工；对加固区域进行承载力检验，清除桩顶以上土层，然后在桩顶设置褥垫层，并对褥垫层表面找平；安装重力式基础。本发明通过对软土海床进行水泥土搅拌桩法进行加固，从而提高加固区域的承载力和工程力学稳定性，使海上风电的重力式基础可以应用于我国沿海的软土海床，降低海上风电工程成本。
权利要求	1.一种在软土海床海域海上风电工程中应用重力式基础的方法，包括以下步骤： A.根据加固后地基承载力要求值确定水泥土应该达到的强度，然后再根据施工现场海床上软土层中土体特性和水泥土的强度选择适合的水泥品种和水泥型号，并利用选定的水泥制作水泥土搅拌桩进行室内试验和现场试验，以确定所选用水泥的适用性； B.根据加固后地基承载力值及水泥土的强度值，确定水泥土搅拌桩的加固范围、桩径、桩长及桩间距； C.根据步骤B确定的水泥土搅拌桩的加固范围、桩径、桩长机桩间距，使用步骤A选定的水泥进行水泥土搅拌桩的现场施工； D.水泥土搅拌桩达到设计强度后，对加固区域进行承载力检验，检验合格后，清除桩顶以上土层，然后在桩顶设置褥垫层，并对褥垫层表面找平； E.安装重力式基础。 2.根据权利要求1所述的在软土海床海域海上风电工程中应用重力式基础的方法，其特征在于，水泥土搅拌桩的加固范围的外边界至少大于所述重力式基础的外边界加上所述褥垫层的厚度。 3.根据权利要求2所述的在软土海床海域海上风电工程中应用重力式基础的方法，其特征在于，所述水泥土搅拌桩的桩径为0.4m-0.8m。 4.根据权利要求3所述的在软土海床海域海上风电工程中应用重力式基础的方法，其特征在于，所述水泥土搅拌桩的桩长大于海床上软土层的厚度。 5.根据权利要求1-4任一所述的在软土海床海域海上风电工程中应用重力式基础的方法，其特征在于，所述褥垫层为级配碎石褥垫层。 6.根据权利要求5所述的在软土海床海域海上风电工程中应用重力式基础的方法，其特征在于，所述步骤C中，现场施工时，在水泥中加入矿渣或粉煤灰。
说明书全文	在软土海床海域海上风电工程中应用重力式基础的方法技术领域 [0001] 本发明涉及风电工程技术领域，特别涉及一种在软土海床海域海上风电工程中应用重力式基础的方法。背景技术 [0002] 海上风电是近年来风电开发中的热点，因其具有更加优质的海上风资源且不占用陆地而备受关注。但是，海上风电工程因受到海洋环境的影响，对风机基础的技术要求更高，建设成本也更高。欧洲是海上风电的先行者，在近二十年的海上风电开发过程中，欧洲海上风电的风机基础采用了多种形式，如单桩基础、导管架基础和重力式基础等，这些基础形式均可用于水深不超过25m海域。 [0003] 我国自2007年第一台海上试验风机建成以来，目前建成海上风电主要位于潮间带和近海浅水(水深<10m)海域。然而我国海上风电常常遇到海床地质条件差的问题，欧洲海上风电所在海床是工程力学性质较好的砂质海床，我国东部沿海基本上都是由冲刷形成的淤泥质软土海床，工程力学性质差。因此，我国目前海上风电基础普遍选用多桩基础，通过增加桩入土深度来提高桩基的承载力，此举不但提高了基础工程造价，也增加了施工难度。 [0004] 重力式基础是依靠基础的自重来保持风机及其支撑结构的稳定，适用于水深不超过25m的近海区域，重力式基础建造原材料一般是混凝土、碎石、砂等，成本低廉，经济性好，亦是陆上风机结构的首选基础形式。研究表明：即使在海洋环境中，在重力式基础安装难度增大、费用增加的情况下，其经济性依旧明显优于桩基础，欧洲已有数个大型海上风电场采用了这一基础形式，我国海上风电目前在建和规划中的海上风电工程所在海域水深绝大多数均不超过20m，从水深角度考虑重力式基础是非常适合的。 [0005] 但是，由于我国沿海海域海床表层为软土层，重力式基础难以应用。发明内容 [0006] 有鉴于现有技术的上述缺陷，为了在我国近海海域内采用更加经济的重力式基础，本发明提出一种在软土海床海域海上风电工程中应用重力式基础的方法：对于软土海床，通过局部水泥土搅拌桩法进行加固，然后在加固过的区域安放重力式基础，使重力式基础可以用于我国近海软土海域。 [0007] 为实现上述目的，本发明提供了一种在软土海床海域海上风电工程中应用重力式基础的方法，包括以下步骤：。 [0008] A.根据加固后地基承载力要求值确定水泥土应该达到的强度，然后根据施工现场海床上软土层中土体特性和水泥土的强度选择适合的水泥品种和水泥型号，并利用选定的水泥制作水泥土搅拌桩进行室内试验和现场试验，以确定所选用水泥的适用性； [0009] 在海洋中采用水泥土搅拌桩法，首先应该考虑到海洋环境对于水泥土的劣化作用，目前国内已有相当多的研究成果，一般认为离子和Ca2+离子会对水泥土造成破坏和引起劣化，因此需要接合施工现场海床上软土层的土体特性选择合适品种和型号的水泥，并且进行室内和现场试验，确保选定的水泥能够在施工现场海水对水泥土造成破坏和劣化的情况下依然能达到设计强度。 [0010] B.根据重力式基础的大小、加固后地基承载力要求值及水泥土的强度值，确定水泥土搅拌桩的加固范围、桩径、桩长及桩间距； [0011] 水泥土搅拌桩加固区域作为海上风电重力式基础的地基部分，本领域技术人员可以在考虑加固土体和非加固土体在重力式基础及外荷载作用下的稳定性、加固土体应满足非加固土体的抗剪破坏整体稳定性以及加固土体的抗倾覆稳定性的基础上确定其范围的大小。 [0012] 本领域技术人员可以根据现场的施工条件来选择水泥土搅拌桩的桩径，一般为0.4m-0.8m。 [0013] 水泥土搅拌桩桩长及桩间距可根据施工条件和计算得到，水泥土搅拌桩的桩长一般要超过软土层的厚度，使水泥土搅拌桩穿过软土层达到硬土层。但是如果穿入硬土层施工困难较大，在核算无桩软土层的承载力和抗滑稳定性能能够满足设计要求的前提下，水泥土搅拌桩也可以不用穿入硬土层。计算可参考本领域相关技术规范《：水下深层水泥搅拌法加固软土地基技术规程》(JTJ259-2004)和《建筑地基处理技术规范》(JGJ220-2012)。 [0014] C.根据步骤B确定的水泥土搅拌桩的加固范围、桩径、桩长机桩间距，使用步骤A选定的水泥进行水泥土搅拌桩的现场施工； [0015] D.水泥土搅拌桩达到设计强度后，对加固区域进行承载力检验，检验合格后，清除桩顶以上土层，然后在桩顶设置褥垫层，并对褥垫层表面找平； [0016] E.安装重力式基础。 [0017] 软土海床经过水泥土搅拌桩加固后，其承载力得到大幅提高并达到设计要求，此时重力式基础安装条件已具备，可按照正常重力式基础安装程序进行安装。 [0018] 进一步地，水泥土搅拌桩的加固范围的外边界至少大于所述重力式基础的外边界加上所述褥垫层的厚度。 [0019] 进一步地，所述水泥土搅拌桩的桩径为0.4m-0.8m。 [0020] 进一步地，所述水泥土搅拌桩的桩长大于海床上软土层的厚度。 [0021] 进一步地，所述褥垫层为级配碎石褥垫层。 [0022] 进一步地，所述步骤C中，现场施工时，在水泥中加入矿渣或粉煤灰。在水泥中加入矿渣或粉煤灰可以有效提高水泥土的抗腐蚀性和耐久性。 [0023] 本发明的有益效果： [0024] 本发明由于采用了上述结构设计和方法步骤，具有以下有益效果：通过对软土海床进行水泥土搅拌桩法进行加固，从而提高加固过的区域的承载力和工程力学稳定性，使海上风电的重力式基础可以应用于我国沿海的软土海床，扩展了重力式基础的应用范围，并进一步降低海上风电工程造价。 [0025] 以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。附图说明 [0026] 图1为本发明的一个较佳实施例的主视结构示意图。 [0027] 图2为本发明的一个较佳实施例的俯视结构示意图 [0028] 图中，1水泥土搅拌桩；2褥垫层；3重力式基础；4软土层；5硬土层；6加固范围具体实施方式 [0029] 如图1所示，本发明的一具体实施例，施工海域海床的表层是软土层4，软土层4下面是硬土层5，在加固区域内使用水泥土搅拌桩1对海床进行加固，加固范围6内的水泥土搅拌桩1桩顶铺设有褥垫层2，褥垫层2上安装重力式基础3。 [0030] 本实施例中，施工现场海床条件为：上层为软土层，厚8m，基地承载力(fsk)为60kPa，土层侧摩阻力(qs1)为10kPa，下层土为粉细砂层，厚20m,土层侧摩阻力(qs2)为 55kPa，桩端阻力(qp)为1500kPa。 [0031] 需安装的重力式基础的重量为1500吨，基座为圆形，直径为25m，基座面积(Ap)为2 490.6m ，极端荷载产生作用在基座底的弯矩M＝150000kN.m，风机及重力式基础的总自重为2200吨。计算得到基座底最大压应力p＝145kPa，大于软土土层的承载力60kPa，因此，需要对软土层进行水泥土搅拌桩加固，加固后软土土层承载力(fspk)应该达到150kPa，则经计算水泥土强度fcu应不小于2.5Mpa。此时，根据施工现场海床土体的特性和水泥土应当达到的强度来选择耐腐蚀的水泥品种及型号，并对水泥土进行室内试验及现场试验，确定该水泥土满足耐腐蚀及强度要求。 [0032] 水泥土搅拌桩的桩径根据施工条件选择：桩径d＝0.6m，桩周长up＝1.88m；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)(以下简称《规范》)第7章。 [0033] 本实施例中加固桩长及桩间距计算如下： [0034] 第一步，确定桩长： [0035] 由《规范》7.3.3式，水泥土搅拌桩单桩竖向承载力特征值: [0036] Ra1＝ηfcuAp＝176.6kN [0037] η-桩身强度折减系数，采用湿法，取0.25 [0038] 此时水泥土搅拌桩宜穿过软土层，假设桩长为9m，由《规范》式7.1.5-3有： [0039] [0040] lpi-桩在第i层土内的长度 [0041] αp-桩端阻力发挥系数，取0.8 [0042] 故桩长9m可以，单桩竖向承载力特征值取Ra1和Ra2中的较小值，即Ra＝176.6kN[0043] 第二步，确定桩间距： [0044] 由《规范》式7.1.5-2可求得面积置换率m: [0045] [0046] λ-单桩承载力发挥系数,取0.8； [0047] β-桩间土承载力发挥系数,对于有褥垫层情况下，取0.4。 [0048] m-桩土面积置换率 [0049] 即150＝500m+24(1-m)＝>m＝0.264 [0050] 对于正方形布桩， [0051] 即桩间距为1m。 [0052] 本实施例中，上层软土厚度8m，水泥土桩桩径0.6m，桩长取9m，正方形布桩，桩中心间距为1m，加固后地基承载力可从60kPa提高到150kPa；搅拌桩加固范围取为40m×40m正方形，经核算，可以满足加固土体整体抗倾覆及下层未加固土体抗滑移稳定性.[0053] 然后根据上述数据，在现场进行水泥土搅拌桩的施工，施工时可以在水泥中增加粉煤灰以增加抗腐蚀性和耐久性。施工完成后，对加固区域进行承载力检验，检验合格后，清除桩顶以上土层，然后在桩顶铺设级配碎石褥垫层，并对褥垫层表面找平；最后，按照正常重力式基础安装程序进行安装重力式基础。 [0054] 当然，在其他一些实施例中，施工时也可以在水泥中加入矿渣，或者矿渣与粉煤灰混合物来增加抗腐蚀性和耐久性。 [0055] 以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

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