双层注浆分舱式吸力桶-倾斜钢管桩复合基础及其施工方法

本发明涉及海洋结构基础，特别涉及一种双层注浆分舱式吸力桶-倾斜钢管桩复合基础及其施工方法。

背景技术：

1、近海浅水条件的风机基础型式广泛采用固定式基础。其中，桩基础通过动力或静压沉桩贯入海床土层，通过大尺寸和长埋深来实现对上部荷载的平衡，相对于其他海上风机固定式基础，桩基础具有结构简单、荷载传递方式明确、便于工业化生产等优势。

2、海上风电建设场地前期主要在以淤泥、砂土为主的土质海床海域，多采用传统海上风机基础型式，主要包括重力式浅基础、大直径单桩基础、吸力桶单桶基础、高桩承台基础、吸力桶导管架基础、桩基导管架基础，其中大直径单桩基础应用最为广泛。但是随着海上风电行业的迅猛发展，建设场地逐渐向工程地质条件更加复杂海域发展，该地区多为上覆软土层厚度起伏大的岩基海床，在浅覆盖层岩基海床海域，岩基的存在造成传统的海上风机基础设计、施工困难，进一步导致该海域海上风电开发困难。为提高海上风机基础的承载力，提出“复合单桩基础”和“复合群桩基础”的方案，对于“复合单桩基础”，由于其复杂的施工工艺或高昂的建设成本将不再适用于浅覆盖层岩基海床中大型海上风机建设，主要体现在：(1)若采用嵌岩桩施工方案，大直径单桩施工需要大型钻机设备且对打桩锤的要求较高，施工难度大且施工工艺复杂。(2)若采用未嵌岩桩施工方案，当上覆软土层的厚度较小时，大直径单桩为避免嵌岩施工会导致桩长受限，此时不断增加单桩直径以满足承载力要求将造成用钢量不断增加，经济效益降低。对于“复合群桩基础”，虽然已有多种形式的“复合群桩基础”陆续被提出，但是往往群桩只发挥了竖向承载力的优势，对基础横向承载性能的提高作用不大；此外由于设计的不合理性，导致现有的“复合群桩基础”尚未在实际工程中有所应用。例如中国专利cn111372382b，发明名称为一种带抗拔钢管桩的吸力桶基础及其安装方法，但该方案中的管桩仅是通过侧摩阻力承担上拔荷载，仅提升基础的抗拔承载力但难以提高基础的横向承载性能；又例如中国专利cn110847217a，发明名称为筒内布桩复合地基-筒海上风电基础及施工方法，该方案中的水下水泥土搅拌桩不仅对施工技术要求高、存在泥浆扩散及水泥土固化困难等问题，且水泥土搅拌桩受限于自身材料强度导致其竖向承载力高、水平承载力低，在海上风机上部结构承受大的水平荷载及倾覆荷载时容易发生失稳问题。又例如中国专利cn103741705b，发明名称为双层桶盖吸力式桶桩复合基础及施工方法，该方案中的下桶盖上设置护筒对接承载桩和吸力桶对于施工技术要求极高，受到水流，潮汐，波浪等特殊的水下环境影响难以实现；而且上桶盖和下桶盖之间的距离影响复合基础的稳定性，一方面，当上、下桶盖之间的距离过高时，则吸力桶无法充分嵌入海床中，不利于复合基础抵抗水平荷载；另一方面，当上、下桶盖之间的距离过低时，混凝土灌浆深度受限，则吸力桶和竖向承载桩之间连接的稳定性将受到挑战。

3、因此，需要本领域技术人员设计一种可以适用各种复杂地质条件以及提供较高的水平及竖向承载力的桶桩复合基础。

技术实现思路

1、为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

2、本发明提供一种双层注浆分舱式吸力桶-倾斜钢管桩复合基础，包括吸力桶、导向桩和钢管桩；

3、所述吸力桶包括桶体和隔舱肋板，所述桶体内设有供所述导向桩活动的活动空间，所述隔舱肋板设置在桶体内且设置在活动空间的四周，所述隔舱肋板将桶体分割为多个边舱；

4、所述导向桩的周向上设有套筒，所述套筒用于固定连接钢管桩，优选的，所述钢管桩和套筒重合0.5m以上。

5、进一步的，所述桶体的一端部设有开口，所述桶体的另一端部的中心设有导向孔，所述导向孔与所述活动空间对应设置。

6、进一步的，与所述隔舱肋板相连接的桶体另一端部处设有第一抽水孔/注浆孔，且所述第一抽水孔/注浆孔设置方向与所述隔舱肋板的设置方向一致。

7、进一步的，所述边舱对应处的桶体另一端部处设有第二抽水孔/注浆孔，且所述第二抽水孔/注浆孔设置在边舱对应桶体另一端部的中心部位处。

8、进一步的，所述隔舱肋板为中空结构，所述隔舱肋板的底部设有刃脚，所述刃脚上设有与中空结构相连通的第三抽水孔/注浆孔。

9、进一步的，所述套筒倾斜设置在所述导向桩上。

10、优选的，所述套筒的设置个数与所述边舱的个数一致，所述套筒放置在边舱内。

11、优选的，所述套筒之间的间距在2倍套筒直径以上；所述套筒距离桶体内壁1倍套筒直径以上。

12、进一步的，所述套筒和导向桩一体成型设置，用于吸力桶和钢管桩的精准定位；套筒设置在靠近所述导向桩的下端部。

13、进一步的，所述桶体和隔舱肋板一体成型设计。

14、进一步的，所述吸力桶负压下沉时所述第一抽水孔/注浆孔、第二抽水孔/注浆孔以及第三抽水孔/注浆孔均为抽水孔，所述吸力桶下沉至设计标高后，所述第一抽水孔/注浆孔、第二抽水孔/注浆孔以及第三抽水孔/注浆孔均为注浆孔。

15、本发明还提供一种双层注浆分舱式吸力桶-倾斜钢管桩复合基础的施工方法，所述施工方法适用于上述的一种双层注浆分舱式吸力桶-倾斜钢管桩复合基础，所述施工方法包括：

16、(1)导向桩及套筒施工至设计标高，其中钢管桩的桩顶距离隔舱肋板边缘(即刃脚的最低处)及桶体内壁1倍桩径以上，钢管桩的桩间距在2倍桩径以上；

17、(2)钢管桩放置在套筒内，实现精准定位施工至设计标高；

18、(3)吸力桶沿导向桩定位下沉至海床表面，通过第一抽水孔/注浆孔和第二抽水孔/注浆孔外接抽水设备在边舱中形成负压下沉至设计标高，其中，吸力桶内设有隔舱肋板，隔舱肋板为中空结构，隔舱肋板的底部设有刃脚，所述刃脚上设有与中空结构相连通的第三抽水孔/注浆孔，有助于贯通吸力桶桶内水气，加速吸力桶下沉至设计标高；

19、(4)通过第一抽水孔/注浆孔和第三抽水孔/注浆孔向边舱内浇筑混凝土，初步将吸力桶与钢管桩浇筑为一个整体，同时将隔舱肋板完全填充为实体并封孔；

20、(5)通过第二抽水孔/注浆孔注浆浇筑封顶混凝土，将钢管桩的桩顶和吸力桶浇筑为整体并封孔；

21、(6)导向桩的顶桩外接塔筒施工。

22、本发明具有以下有益效果：

23、(1)本发明通过设有导向桩及在导向桩上设有套筒，可实现吸力桶和钢管桩的精准定位，并且结构简单、操作便捷；

24、(2)倾斜钢管桩广泛应用于海上风电基础、海上石油钻井平台、港口和码头基础等海上结构物或近海结构物，具有施工工艺成熟、对海上作业平台施工要求低、适用于各种复杂地质条件等优点，能提供较高的水平及竖向承载力；

25、(3)本发明中的第一抽水孔/注浆孔、第二抽水孔/注浆孔和第三抽水孔/注浆孔均为抽水孔和注浆孔循环利用，在吸力桶下沉时其功能为抽水孔，辅助吸力桶内外形成压力差辅助吸力桶下沉；在吸力桶下沉至设计标高之后其功能为注浆孔，用于浇筑封底混凝土和封顶混凝土；

26、(4)本发明中设有隔舱肋板，并在其底部设有刃脚以及第三抽水孔/注浆孔，一方面能够在吸力桶下沉时贯通吸力桶内部水气，加速吸力桶下沉至设计标高；另一方面，能在吸力桶底部浇筑封底混凝土，将吸力桶和倾斜钢管桩浇筑为一个整体，加强该基础的整体稳定性；

27、(5)本发明通过将吸力桶和钢管桩通过导向桩连接后进行分区注浆，结合了吸力桶整体刚度大、抗倾覆能力强以及钢管桩水平及竖向承载力高、水深灵活性好等优点，通过分舱式吸力桶和钢管桩群桩的协同作用充分调动浅覆盖层岩基海床的土体抗力以提高海上风机基础的横向承载性能，避免了基础嵌岩施工难度大且施工工艺复杂的问题；另外采用小直径钢管桩不仅能有效减少基础的用钢量，而且能够显著提高基础的横向承载力，在提升经济效益的同时显著提高基础的横向承载性能，为浅覆盖层岩基海床的复杂工程地质海域的大型海上风机基础提供解决方案，在提高海上风机基础稳定性的同时降低施工难度、减少工程造价。