一种海洋新型吸力桩及其施工方法

技术领域

本发明涉及海洋油气项目的水下结构/设施基础，新能源项目的海洋风电结构基础具体公开一种海洋新型吸力桩及其施工方法。

背景技术

海洋吸力桩，又称吸力桶，广泛地运用于海洋油气工程的水下结构/设施基础，海洋风电主结构基础等等。

一些传统吸力桩设计要求在吸力桩端部达到所要求的贯入深度的同时，桩顶盖必须高于海床，以方便水下做业或满足上部结构作业高度要求。在桩顶盖离海床x距离的情况下，桩顶盖和海床没有直接的接触，之间封闭的空间由海水占据。在桩顶盖排水/排气孔和抽水孔完全密封的情况下，封闭空间内的海水无法压缩，因此与吸力桩型成一体。当桩顶部承受上部结构的竖向载荷时，其承载主要由桩体外表面与土壤摩擦阻力和端部横截面积的承载力构成。但是当桩顶盖排水/排气孔和抽水孔密封失效，封闭空间内的海水自由进出时，则吸力桩/桶会失去端部横截面的承载能力，这会大大降低桩基础的承载力。引发桩基础承载力不足的隐患，提高吸力桩意外下沉的风险，甚至大幅度倾斜或持续下沉，直到桩顶盖和海床有全面的接触后才会停止。吸力桩意外下沉，大幅度倾斜或持续下沉会导致上部结构承受过度弯曲或变形，进而造成结构损伤，导致生产作业中断。对环境、结构完整性、设施安全构成严重后果，极易导致重大经济损失和环境灾难。

为了防止因桩顶盖排水/排气孔和抽水孔密封失效而导致桩基础承载力不足的隐患，有些项目方案会在吸力桩安装到位后进行灌浆作业，船上或海底安装的灌浆设备将水泥浆从桩顶盖开孔灌入，填充桩顶盖和海床之间的空间，同时将空间内的海水完全排除。等待灌浆凝固后再进行上部安装作业。海上灌浆作业由于涉及到船舶资源的调配和施工，会增加额外的公式并显著增加施工成本。

发明内容

本发明的目的在于针对目前海洋吸力桩设计不足导致潜在作业隐患，和目前海洋吸力桩安装作业需灌浆，导致工期长、海上作业经费高的问题，提出一种海洋新型吸力桩，该海洋新型吸力桩也称海洋新型吸力桶，该海洋新型吸力桩通过优化吸力桩内部设计，消除了吸力桩作业期间因桩顶盖排水/排气孔或抽水孔封锁失效的情况下导致桩基础承载力不足，进而避免吸力桩意外下沉，大幅度倾斜或持续下沉的风险；同时本海洋新型吸力桩安装作业时无需灌浆，大量节省工期和海上作业经费。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种海洋新型吸力桩(吸力桶)，包括中空的桩体和设置在桩体内侧的内增盖，所述桩体的桩顶盖上开设有用于排水、排气和抽水的桩顶盖通孔，所述内增盖上开设有用于排水、排气的内增盖通孔。

进一步地，所述内增盖采用高强度、防腐性能的材料，所述内增盖包括但不限于钢板材料。

进一步地，所述桩顶盖通孔为多个，优选的所述桩顶盖通孔为两个，一个用于排水、排气，另一个与抽水泵连接用于抽水。

进一步地，所述内增盖通孔为单个或多个，其设计应避免影响吸力桩排水/抽水作业的效率。所述内增盖通孔为单个，其直径应取桩顶盖通孔(桩顶盖排水/排气孔和抽水孔)中的较大直径。所述内增盖通孔为多个，其总排水量不应低于桩顶盖通孔总排水量。

进一步地，所述内增盖厚度小于或等于桩顶盖厚度，具体参考相关规范的吸力桩设计方法确定。

进一步地，所述内增盖直径与桩体内径相配合，即所述内增盖直径不小于桩侧壁内径，也不大于桩侧壁外径，最终直径应考虑项目需求、焊接方案和质量控制规范。

进一步地，所述内增盖距离桩顶盖的距离X＝桩顶盖离海床的设计高度Y-吸力桩内部表层土壤隆起高度Z。所述桩顶盖离海床的设计高度可参考特定项目的设计要求，吸力桩内部表层土壤隆起高度根据指定项目吸力桩岩土分析报告确定。

所述内增盖应在吸力桩制造期间安装。制造过程如下：(1)吸力桩桩顶盖，内增盖和桩侧壁分别制造。(2)组装以及焊接桩侧壁。桩侧壁的最后一节连接桩顶盖和内增盖除外。(3)把内增盖定位以及焊接在组装好的桩侧壁顶部。(4)把桩侧壁的最后一节定位以及焊接在内增盖上方。(5)把桩顶盖定位以及焊接在桩侧壁的最后一节上方。提醒事项：在制造过程中，每一个尺寸测量和焊接检测必须进行质量检验。其次，在组装桩顶盖和桩侧壁之前，桩顶盖必须先和顶部结构完成界面测试。

本发明的另一个目的还公开了海洋新型吸力桩的施工方法，包括以下步骤：

首先通过海上吊机将海洋新型吸力桩渐渐下放到海床；然后海洋新型吸力桩通过自重贯入海底，此时桩体与土壤之间形成一个封闭空间，待贯入深度稳定后，关闭桩顶盖用于排水、排气的桩顶盖通孔(桩顶盖排水/排气孔和抽水孔)；接着自用于抽水的桩顶盖通孔，借助负压泵造成的海洋新型吸力桩内外压差向外抽水及空气，使海洋新型吸力桩以一定速度下沉，直至达到所要求的贯入深度；当所述海洋新型吸力桩安装到位时，封堵桩顶盖的桩顶盖通孔，进行上部安装作业。

进一步地，当所述的海洋新型吸力桩安装到位时，所述海洋新型吸力桩的桩顶盖高于海床，内增盖直接和海床全面接触，产生全面可靠的桩基础承载力。

本发明海洋新型吸力桩设计的工作原理：一些传统吸力桩设计要求在吸力桩端部达到所要求的贯入深度的同时，桩顶盖必须高于海床，以方便水下做业或满足上部结构作业高度要求。在桩顶盖离海床X距离的情况下，桩顶盖和海床没有直接的接触，之间封闭的空间由海水占据。在桩顶盖排水/排气孔和抽水孔完全密封的情况下，封闭空间内的海水是无法压缩，因此与吸力桩型成一体。当吸力桩承受上部结构的竖向载荷时，其承载主要由桩体外表面与土壤摩擦阻力和端部横截面积的承载力形成全面的桩基础承载力。但是当桩顶盖排水/排气孔和抽水孔密封失效，封闭空间内的海水自由进出的情况下，吸力桩无法产生全部的桩基础承载力。桩基础承载力只剩下桩体内外表面与土壤摩擦阻力和桩尖面积的承载力，大大降低了桩基础承载力。

本发明在现有的吸力桩设计的内部添加一层内增盖，在桩顶盖离海床X距离的情况下，内增盖直接和海床全面接触，产生全面可靠的桩基础承载力。桩顶盖排水/排气孔和抽水孔密封失效与否，不影响吸力桩全面的桩基础承载力的产生，进而避免桩基础承载力不足，而导致吸力桩意外下沉，大幅度倾斜或持续下沉的风险。所述内增盖是在现有的吸力桩设计的内部添加，并且设有排水/排气孔，不影响现有的吸力桩设计和安装。

本发明海洋新型吸力桩与现有技术相比较具有以下优点：

1)、本发明海洋新型吸力桩桩顶盖排水孔、排气孔和抽水孔密封失效与否，不影响本发明海洋新型吸力桩全面的桩基础承载力的产生。进而避免因桩基础承载力不足，而导致吸力桩意外下沉，大幅度倾斜或持续下沉的风险。

2)、本发明海洋新型吸力桩不需要为了避免吸力桩意外下沉的风险而在吸力桩安装后进行的灌浆作业，大量节省工期和海上作业经费。

3)、本发明海洋新型吸力桩在现有的吸力桩设计的内部添加一层内增盖，不影响现有的吸力桩设计理念。只需在吸力桩制造过程增加制造一层内增盖和响应焊接步骤，不会显著增加项目成本和制造工期。

4)、本发明海洋新型吸力桩与现有吸力桩海上安装作业相似，没有增添任何安装作业步骤或风险。

5)、如果特定项目对吸力桩安装后灌浆需求保留，本发明新型吸力桩仍允许灌浆作业。上部结构安装不需要等待灌浆凝固，即可进行安装。

附图说明

图1为本发明海洋新型吸力桩安装就位侧面图；

图2为本发明海洋新型吸力桩的立体图一；

图3为本发明海洋新型吸力桩的立体图二。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的设计，制造和海上安装进一步说明：

实施例1

本实施例公开了一种海洋新型吸力桩，也称海洋新型吸力桶，该海洋新型吸力桩能广泛运用于海洋油气工程水下结构/设施基础，海洋风电结构基础中。

如图1所示该海洋新型吸力桩包括桩体1和水平设置在桩体内侧的内增盖3，所述桩体1为圆柱形筒体，所述圆柱形筒体顶部设置有桩顶盖2，底部开口，所述桩体1的桩顶盖2上开设有用于排水、排气和抽水的桩顶盖通孔4(排水/排气孔/抽水孔)，所述桩顶盖通孔4可以为多个，本实施例中桩顶盖通孔4为两个，其中一个与负压泵相连；所述内增盖3上开设有用于排水、排气的内增盖通孔5(排水/排气孔)。所述桩体采用钢板卷制而成，桩体内选择性焊接加强筋以提高其结构强度。所述桩顶盖和内增盖均采用钢板，其中内增盖钢板厚度小于或等于桩顶盖厚度。

内增盖3的设计要素包括内增盖位置设置距离，直径，厚度和内增盖通孔5的数量和尺寸。

本实施例海洋新型吸力桩安装时桩侧壁的贯入导致土壤被挤压、移位，渐渐流向桩侧壁的内外侧，最终造成海床表层土壤隆起。所述的内增盖位置设置距离X取决于桩顶盖离海床的设计高度Y及吸力桩内部表层土壤隆起高度Z的差值，如图1所示，X＝Y-Z。

所述内增盖3直径与桩体1内径相配合，即所述内增盖直径不小于桩侧壁内径，也不大于桩侧壁外径，最终直径应考虑目标项目焊接方案和质量控制规范。

所述内增盖3厚度一般不大于桩顶盖2厚度。最终厚度应通过目标项目规范的吸力桩结构设计分析定值。

如图2所示本实施例内增盖3的内增盖通孔5(排水/排气孔)是单个，其直径应取桩顶盖排水/排气孔和抽水孔其中的较大直径。

本实施例公开了本发明海洋新型吸力桩制造方案。制造过程有如以下：(1)吸力桩桩顶盖，内增盖和桩侧壁分别制造。(2)组装以及焊接桩侧壁。桩侧壁的最后一节连接桩顶盖和内增盖除外。(3)将内增盖定位以及焊接在组装好的桩侧壁顶部。(4)将桩侧壁的最后一节定位以及焊接在内增盖上方。(5)将桩顶盖定位以及焊接在桩侧壁的最后一节上方。提醒事项：在制造过程中，每一个尺寸测量和焊接检测必须质量严控。其次，在组装桩顶盖和桩侧壁之前，桩顶盖必须先和顶部结构完成见面测试。

本实施例公开了本发明海洋新型吸力桩海上安装作业方案，基本上与现有吸力桩的海上安装作业无异。首先通过海上吊机将吸力桩渐渐下放到海床6。然后吸力桩通过自重贯入海底，此时桩体与土壤之间形成一个封闭空间，待贯入深度稳定后，关闭桩顶盖排水/排气孔。接着借助负压泵以及桩顶盖上抽水口，通过吸力桩内外压差向外抽水及空气，使吸力桩以一定速度下沉，直至达到所要求的贯入深度。当所述的海洋新型吸力桩安装到位后，内增盖直接与海床全面接触，产生全面的桩基础承载力。把桩顶盖抽水口堵上，就可以进行上部安装作业。

实施例2

本实施例公开了本发明海洋新型吸力桩，如图3所示，其结构与实施例1基本相同，不同的是多个排水/排气孔设计，其总排水量不应低于桩顶盖排水/抽水量，以避免影响吸力桩排水/抽水作业的效率。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构数量、形式、设置位置、制造/连接方式都是可以有所变化，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。