海上岩石地基条件下预应力自锁锚杆加强变径单桩风机基础及其施工方法与流程

本发明属于海上风力发电塔基础技术领域，具体涉及到一种海上岩石地基条件下预应力自锁锚杆加强变径单桩风机基础及其施工方法。

背景技术：

近年来，随着我国风电事业的蓬勃发展，陆上待开发的优良场址逐渐减少，风电场的建设正向海上转移。海上风机的荷载环境特殊而复杂，现有基础形式大多存在施工难、成本高等问题。因此需要研究和开发成本低廉、施工简便的海上风机基础形式。目前海上岩石地基条件下的风机多采用单桩基础，这种基础形式存在以下不足：

①不同机位岩层分布差异很大，桩长设计、制作存在不确定性；

②在岩石地基上打大口径单桩难度较大，沉桩的可能深度存在不确定性；

③现有对单桩底部和岩石间加强锚固的“中间钻多孔锚桩法”只能起到加强桩底抗剪的作用，很难起到桩和岩石之间抗弯承载力传递的作用。

为了解决以上问题，本发明提出了一种海上岩石地基条件下预应力自锁锚杆加强变径单桩风机基础及其施工方法。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构设计合理，施工方便，可自浮拖航的预应力自锁锚杆加强变径单桩风机基础，本发明另一个目的是提供该预应力自锁锚杆加强变径单桩风机基础的施工方法。本发明提供的预应力自锁锚杆加强变径单桩风机基础可以拖浮航行，将预应力自锁锚杆应用在单桩风机基础中，可以减小基础尺寸和重量，提高基础耐久性，可应用于19米左右的深海区岩石地基。

技术方案：为了实现以上目的，本发明采取的技术方案为：

一种海上岩石地基条件下预应力自锁锚杆加强变径单桩风机基础，它包括变径单桩基础和预应力套管自锁头锚杆；变径单桩基础包括水中变径段钢筒和入土段直筒，水中变径段钢筒顶部通过法兰螺栓与上部塔筒连接，入土段直筒内壁和外壁焊接有内靴梁和外靴梁；沿环向均匀布置的钢套管穿过外靴梁，并焊接在入土段直筒的外壁；预应力套管自锁头锚杆自上而下穿过钢套管，下端锚固在岩石中，上端通过压接头固定在钢套管顶面；

所述的钢套管悬臂段每隔一定高度(优选2～6米)与环梁连接，环梁与变径段钢筒之间通过径向连杆和支撑杆连接，形成稳定的受力体系；

所述的预应力套管自锁头锚杆杆体采用预应力钢绞线，预应力钢绞线下端连接自锁头，外套工具式顶管。

作为优选方案，以上所述的海上岩石地基条件下预应力自锁锚杆加强变径单桩风机基础，运输时，入土段直筒下部筒体内安装有内气囊，内气囊充气后外周包裹有绳网，绳网与箍环连接固定；入土段直筒外壁与安装在钢桁架上的液压提升器相连，钢桁架与钢梁相连，钢梁与横垫木相连，横垫木和浮筒相连。

一种海上岩石地基条件下预应力自锁锚杆加强变径单桩风机基础的施工方法，包括以下步骤：

a.首先在工厂制作变径段钢筒、入土段直筒、钢套管、预应力套管自锁头锚杆、压接头、环梁、径向连杆、支撑杆、防撞桁架、屈曲耗能支撑、钢桁架、钢梁和横垫木；在入土段直筒侧壁焊接钢套管，入土段直筒内壁和外壁焊接内靴梁和外靴梁，内靴梁内侧焊接绳网箍环；

b.在船坞焊接组装变径单桩基础和预应力套管自锁头锚杆，钢套管悬臂段每隔一定高度连接一道环梁，在环梁与变径段钢筒之间连接径向连杆和支撑杆；

c.在入土段直筒下部筒体内安装内气囊，充气，内气囊充气后，在其外周包裹绳网；将入土段直筒外壁与安装在钢桁架上的液压提升器连接，将钢桁架与钢梁连接，并将钢梁与横垫木连接，然后将横垫木与浮筒连接；开闸放水，变径单桩基础上浮，使浮筒吃水深度2～3m；

d.采用拖船将变径单桩基础托运至指定位置后，通过液压提升器将悬挂于浮筒上的变径单桩基础向下放松，同时将内气囊逐渐放气，使变径单桩基础均匀下沉，沉到海底软土上；然后取出内气囊，解除液压提升器，变径单桩基础在自重作用下逐渐下沉直到稳定；

e.从钢套管顶面插入钻孔工具往下钻孔，直到钻到中风化岩石，将预应力套管自锁头锚杆自上而下放入钢套管内，到达锚孔底部，逐对对称的张拉预应力钢绞线至设计值的30～40％，使自锁头张开，压入岩石锚孔，然后在锚孔内压入灌浆料，锚固自锁头；灌浆料达到强度后，放松预应力钢绞线，然后旋转工具式顶管，将工具式顶管取出；重新同步张拉预应力钢绞线，将变径单桩基础下压，直到预应力钢绞线预拉力达到设计值，且变径单桩基础顶面达到设计标高，同时调整桩身垂直度，最后用压接头将预应力钢绞线顶端压接固定；

f.在变径段钢筒外侧最上层径向连杆上方安装工作平台；

h.在船舶停靠区域安装防撞桁架和屈曲耗能支撑，并将屈曲耗能支撑和径向连杆相连，在防撞桁架外侧连接防护用的轮胎。

作为优选方案，以上所述的海上岩石地基条件下预应力自锁锚杆加强变径单桩风机基础的施工方法，步骤a中，入土段直筒内壁和外壁距底面1米位置焊接内靴梁和外靴梁。

作为优选方案，以上所述的海上岩石地基条件下预应力自锁锚杆加强变径单桩风机基础的施工方法，步骤a中所述的变径段钢筒、入土段直筒、钢套管、预应力套管自锁头锚杆、压接头、环梁、径向连杆、支撑杆、防撞桁架、屈曲耗能支撑、钢桁架、钢梁、内靴梁、外靴梁、绳网箍环的钢构件表面做防腐涂层保护处理。

作为优选方案，以上所述的预应力自锁锚杆加强变径单桩风机基础的施工方法，在海面附近船舶停靠区域设置防撞桁架、屈曲耗能支撑和轮胎，能减缓船舶停靠的冲击作用。防撞桁架通过屈曲耗能支撑与水面上下两层径向连杆连接，轮胎挂在防撞桁架外侧。

作为优选方案，以上所述的预应力自锁锚杆加强变径单桩风机基础，所述的钢桁架为4个，构成矩形，每个钢桁架上安装有2个液压提升器，每个钢桁架两端与钢梁连接，每根钢梁连接一个横垫木，每根横垫木连接一个浮筒。

作为优选方案，以上所述的预应力自锁锚杆加强变径单桩风机基础的施工方法，所述的预应力套管自锁头锚杆，也可使用申请号：201410245520.9，申请人：江苏金海新能源科技有限公司、内蒙古金海新能源科技股份有限公司的产品。

本发明提供的预应力自锁锚杆加强变径单桩风机基础及其施工方法和现有技术相比具有以下有益效果：

1.本发明提供的预应力自锁锚杆加强变径单桩风机基础，变径单桩基础在水中与其不同高度的受力大小匹配，结构更加高效、经济；在地下与预应力套管自锁头锚杆共同受力，可以减少工程量，提高施工效率，节约成本；

2.预应力套管自锁头锚杆既为压桩设备，又是永久基础的一部分，可省去大型打桩设备；

3.锚杆张拉力竖直，与筒体下压方向一致，无偏离；

4.对锚杆施加预拉力，基础的抗疲劳性能增强，耐久性好；

5.基础可整体自浮拖航运输，沉桩要求低、风险小，造价及施工成本低。

附图说明

图1为本发明提供的一种海上岩石地基条件下预应力自锁锚杆加强变径单桩风机基础的平面结构示意图；

图2为本发明提供的一种海上岩石地基条件下预应力自锁锚杆加强变径单桩风机基础的剖面结构示意图；

图3为本发明提供的一种海上岩石地基条件下预应力自锁锚杆加强变径单桩风机基础浮运过程的平面结构示意图；

图4为本发明提供的一种海上岩石地基条件下预应力自锁锚杆加强变径单桩风机基础下沉过程的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

实施例1

如图1至图4所示，一种海上岩石地基条件下预应力自锁锚杆加强变径单桩风机基础，它包括变径单桩基础1和预应力套管自锁头锚杆2；变径单桩基础1包括水中变径段钢筒3和入土段直筒4，水中变径段钢筒3顶部通过法兰螺栓与上部塔筒5连接，入土段直筒4内壁和外壁焊接有内靴梁6和外靴梁7；沿环向均匀布置的钢套管8穿过外靴梁7，并焊接在入土段直筒4的外壁；预应力套管自锁头锚杆2自上而下穿过钢套管8，下端锚固在岩石中，上端通过压接头9固定在钢套管8顶面；

所述的钢套管8悬臂段每隔一定高度与环梁10连接，环梁10与变径段钢筒3之间通过径向连杆11和支撑杆12连接，形成稳定的受力体系；

所述的预应力套管自锁头锚杆2杆体采用预应力钢绞线13，预应力钢绞线13下端连接自锁头14，外套有工具式顶管。

以上所述的海上岩石地基条件下预应力自锁锚杆加强变径单桩风机基础，运输时，入土段直筒4下部筒体内安装有内气囊18，内气囊充气后外周包裹有绳网19，绳网19与箍环20连接固定；入土段直筒4外壁与安装在钢桁架21上的液压提升器22相连，钢桁架21与钢梁23相连，钢梁23与横垫木24相连，横垫木24和浮筒25相连。

实施例2

如图1至图4所示，一种海上岩石地基条件下预应力自锁锚杆加强变径单桩风机基础的施工方法，包括以下步骤：

a.首先在工厂制作变径段钢筒3、入土段直筒4、钢套管8、预应力套管自锁头锚杆2、压接头9、环梁10、径向连杆11、支撑杆12、防撞桁架15、屈曲耗能支撑16、钢桁架21、钢梁23和横垫木24；在入土段直筒4侧壁焊接钢套管8，入土段直筒4内壁和外壁距底面1米左右位置焊接内靴梁6和外靴梁7，内靴梁6内侧焊接绳网箍环20；

b.在船坞焊接组装变径单桩基础1和预应力套管自锁头锚杆2，钢套管8悬臂段每隔一定高度连接一道环梁10，在环梁10与变径段钢筒3之间连接径向连杆11和支撑杆12；

c.在入土段直筒4下部筒体内安装内气囊18，充气，内气囊18充气后，在其外周包裹绳网19；将入土段直筒4外壁与安装在钢桁架21上的液压提升器22连接，将钢桁架21与钢梁23连接，并将钢梁23与横垫木24连接，然后将横垫木24与浮筒25连接；开闸放水，变径单桩基础1上浮，使浮筒25吃水深度2～3m；

d.采用拖船将变径单桩基础1托运至指定位置后，通过液压提升器22将悬挂于浮筒25上的变径单桩基础1向下放松，同时将内气囊18逐渐放气，使变径单桩基础1均匀下沉，沉到海底软土上；然后取出内气囊18，解除液压提升器22，变径单桩基础1在自重作用下逐渐下沉直到稳定；

e.从钢套管8顶面插入钻孔工具往下钻孔，直到钻到中风化岩石，将预应力套管自锁头锚杆2自上而下放入钢套管8内，到达锚孔底部，逐对对称张拉预应力钢绞线13至设计值的30～40％，使自锁头14张开，压入岩石锚孔，然后在锚孔内压入灌浆料，锚固自锁头14；灌浆料达到强度后，放松预应力钢绞线13，然后旋转工具式顶管，将工具式顶管取出；重新同步张拉预应力钢绞线13，将变径单桩基础1下压，直到预应力钢绞线13预拉力达到设计值，且变径单桩基础1顶面达到设计标高，同时调整桩身垂直度，最后用压接头9将预应力钢绞线13顶端压接固定；

f.在变径段钢筒3外侧最上层径向连杆11上方安装工作平台26；

h.在船舶停靠区域安装防撞桁架15和屈曲耗能支撑16，并将屈曲耗能支撑16和径向连杆11相连，在防撞桁架15外侧连接防护用的轮胎17。

以上所述的海上岩石地基条件下预应力自锁锚杆加强变径单桩风机基础的施工方法，步骤a中所述的变径段钢筒3、入土段直筒4、钢套管8、预应力套管自锁头锚杆2、压接头9、环梁10、径向连杆11、支撑杆12、防撞桁架15、屈曲耗能支撑16、钢桁架21、钢梁23、内靴梁6、外靴梁7、绳网箍环20的钢构件表面做防腐涂层保护处理。

以上所述的海上岩石地基条件下预应力自锁锚杆加强变径单桩风机基础的施工方法，所述的钢桁架21为4个，构成矩形，每个钢桁架21上安装有2个液压提升器22，每个钢桁架21两端与钢梁23连接，每根钢梁23连接一个横垫木24，每根横垫木24连接一个浮筒25。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。