组合式变径单桩与组合式变径单桩试验装置

技术领域

本发明涉及海上风电技术领域，尤其涉及一种组合式变径单桩与组合式变径单桩试验装置。

背景技术

随着全球能源、气候、环境等问题的日益突出，可再生能源受到各国的普遍关注。与传统化石燃料相比，风能较为清洁，成本较低，具有开发范围广、安全、能源永不耗竭等优势。相比于陆上风电，海上风电具有风速大、湍流度低、不占耕地等优势。目前，我国海上风电基础多采用单桩基础，其设计简单，安装工艺成熟。

海上风电支撑结构的建设成本约占开发总成本的30％，支撑结构的优化设计对于海上风电降本增效具有重要意义。单桩基础因其具有结构简单、施工便捷、工艺成熟等特点，在海上风电基础中占比超80％。单桩基础的端部荷载较小，常规单桩的入泥部分的直径保持一致，造成了设计上的结构强度冗余。

同时，多桩导管架基础因其具有较好的深水适应能力，在深海风电场的开发中有着广泛的应用，同样出现了与单桩基础相同的问题。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一，为此，本发明实施例提供了一种组合式变径单桩与组合式变径单桩试验装置，可提高桩体材料强度的有效利用率，并通过试验对变径单桩进行研究，为工程应用提供理论支持和技术储备。

本发明一方面实施例提出了一种组合式变径单桩，包括：变径桩体、上部桩体和下部桩体，所述变径桩体为上宽下窄的锥筒结构，变径桩体具有上螺纹口与下螺纹口，变径桩体的上螺纹口的外径大于变径桩体的下螺纹口的外径；所述上部桩体为圆柱筒体结构，变径桩体的上螺纹口与上部桩体之间螺纹连接；所述下部桩体为圆柱筒体结构，变径桩体的下螺纹口与下部桩体之间螺纹连接，下部桩体的外径小于上部桩体的外径。

本发明通过将上部桩体、变径桩体和下部桩体通过螺纹进行组装，形成上粗下细的结构，可提高单桩结构的应力和承载能力，同时提高桩体材料强度的有效利用率，而且将组合式变径单桩沉入土里时，可减小下沉的阻力，快速下沉到位。

相较于其他可拆卸连接的方式，本发明采用螺纹连接的方式可使变径单桩的结构更加稳固。相比于现有技术的一体化结构，本发明在变径单桩内部安装传感器更加便捷。本发明中的部分桩体以及内部设置的传感器可重复利用。

在一些实施例中，所述变径桩体包括若干个变径桩体单元，变径桩体单元为上宽下窄的锥筒结构，变径桩体单元具有上螺纹口和下螺纹口，变径桩体单元的上螺纹口的外径大于变径桩体单元的下螺纹口的外径，相邻两个变径桩体单元之间沿竖直方向通过螺纹连接。可通过不同的变径桩体单元相互组合，快速改变变径桩体的长度。而且更加便于在变径桩体内部的任意位置安装传感器。

在一些实施例中，所述变径桩体的高度占上部桩体、变径桩体和下部桩体的总高度的1/7～1/4，所述下部桩体的外径是所述上部桩体的外径的15％～35％。在此数值范围内，可保证本发明的组合式变径单桩在土内具备足够的稳定性，同时提高桩体材料强度的有效利用率。

在一些实施例中，所述上部桩体和/或变径桩体和/或下部桩体的内部连接有传感器。可通过设置传感器来进行多参数的监测。

在一些实施例中，所述上部桩体的顶部固定连接有吊点。可便于采用吊装装置对本发明的组合式变径单桩起吊和安装。

本发明另一方面实施例提出了一种组合式变径单桩试验装置，包括组合式变径单桩试验模型，所述组合式变径单桩试验模型为与上述的组合式变径单桩尺寸相同或按所述的组合式变径单桩同比例缩小的试验模型。

本发明通过模拟组合式变径单桩，可通过试验对变径单桩进行研究，为工程应用提供理论支持和技术储备。在桩体内布设传感器更加便捷，布置的位置更加精准，走线更加方便，更利于监测数据的准确性。

在一些实施例中，所述组合式变径单桩试验装置还包括储存筒，所述储存筒内具有用于储存所述组合式变径单桩试验模型的腔室以及连通所述腔室的上开口，通过所述储存筒的上开口对所述组合式变径单桩试验模型进行取放，所述腔室的中下部固定连接有内套筒，所述内套筒内形成用于存放所述变径桩体的中放置腔和用于存放所述下部桩体的下放置腔，所述腔室的上部形成用于存放所述上部桩体的上放置腔。可便于对组合式变径单桩试验模型进行取放。

在一些实施例中，所述中放置腔为上宽下窄的锥筒结构，所述中放置腔的上端面的内径大于所述中放置腔的下端面的内径，所述上放置腔和所述下放置腔均为圆柱形结构，所述下放置腔的内径与所述中放置腔的下端面的内径相等，所述上放置腔的内径与所述中放置腔的上端面的内径相等。使放置腔的形状与组合式变径单桩试验模型的形状更加贴合。

在一些实施例中，所述上放置腔、所述中放置腔和所述下放置腔的内壁均固定连接有缓冲垫圈，所述缓冲垫圈沿水平方向设置。可防止组合式变径单桩试验模型在取放过程中与储存筒发生磕碰。

在一些实施例中，所述组合式变径单桩试验装置还包括扶正架，所述扶正架包括：限位框和支撑杆，所述限位框设有若干个，若干个所述限位框沿竖直方向排列，所述限位框为正方形框架，所述限位框的中间开设有用于所述组合式变径单桩试验模型沿竖直方向穿过的贯穿孔；所述支撑杆设有不少于两个，所述支撑杆沿竖直方向设置，所述支撑杆固定连接于所述限位框的外侧，多个所述支撑杆围绕所述限位框的外侧布置，所述支撑杆的上端伸出位于顶部的所述限位框，所述支撑杆的下端伸出位于底部的所述限位框。本发明通过设置扶正架，可保证组合式变径单桩试验模型在沉放过程中的垂直度。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，

其中：

图1是本发明实施例中的组合式变径单桩的结构示意图；

图2是本发明实施例中的组合式变径单桩的爆炸图；

图3是本发明实施例中的储存筒的结构示意图；

图4是本发明实施例中的储存筒的使用示意图；

图5是本发明实施例中的吊具的结构示意图；

图6是本发明实施例中的组合式变径单桩在储存筒内起吊时的示意图；

图7是本发明实施例中的扶正架的结构示意图；

图8是图7的俯视图；

图9是本发明实施例中的扶正架与组合式变径单桩的配合示意图；

图10是图9的俯视图；

图11是本发明实施例中的扶正架的使用过程示意图；

附图标记：

1-吊点；2-上部桩体；21-上部桩体替换段；3-变径桩体；31-变径桩体单元；4-下部桩体；5-储存筒；6-内套筒；7-缓冲垫圈；8-支撑平台；9-支腿；10-主绳索；11-分绳索；12-弹性捆绑带；13-钩点；14-支撑杆；15-限位框；16-贯穿孔。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述本发明实施例的组合式变径单桩与组合式变径单桩试验装置。

如图1-2所示，本发明一方面实施例提出了一种组合式变径单桩，包括：变径桩体3、上部桩体2和下部桩体4，变径桩体3为上宽下窄的锥筒结构，变径桩体3具有上螺纹口与下螺纹口，变径桩体3的上螺纹口的外径大于变径桩体3的下螺纹口的外径；上部桩体2为圆柱筒体结构，变径桩体3的上螺纹口与上部桩体2之间螺纹连接；下部桩体4为圆柱筒体结构，变径桩体3的下螺纹口与下部桩体4之间螺纹连接，下部桩体4的外径小于上部桩体2的外径。

本发明通过将上部桩体2、变径桩体3和下部桩体4通过螺纹进行组装，形成上粗下细的结构，可提高单桩结构的应力和承载能力，同时提高桩体材料强度的有效利用率，而且将组合式变径单桩沉入土里时，可减小下沉的阻力，快速下沉到位。

相较于其他可拆卸连接的方式，本发明采用螺纹连接的方式可使变径单桩的结构更加稳固。相比于现有技术的一体化结构，本发明在变径单桩内部安装传感器更加便捷。本发明中的部分桩体以及内部设置的传感器可重复利用。可降低单桩的生产成本，减少至少10％的用钢量。

本发明既可用于单桩基础，也可用于多桩导管架基础。

进一步，变径桩体3、上部桩体2和下部桩体4的内部为空腔。

在一些实施例中，变径桩体3包括若干个变径桩体单元31，变径桩体单元31为上宽下窄的锥筒结构，变径桩体单元31具有上螺纹口和下螺纹口，变径桩体单元31的上螺纹口的外径大于变径桩体单元31的下螺纹口的外径，相邻两个变径桩体单元31之间沿竖直方向通过螺纹连接。可通过不同的变径桩体单元31相互组合，快速改变变径桩体3的长度。而且更加便于在变径桩体3内部的任意位置安装传感器。

进一步，如图2所示，上部桩体2有多种不同规格的上部桩体替换段21，不同的上部桩体替换段21具有不同的外径，可与相应外径的变径桩体单元31进行组装，以延长或缩短整体组合式变径单桩的高度。

进一步，变径桩体单元31在竖直方向的长度相等或不相等，不同部位的长度不同，上部桩体2的长度要大于其他桩体的长度，是由于要承接上方的风电结构。

进一步，每个桩体的上端面设有外螺纹，每个桩体的下端面设有内螺纹，相邻两个桩体之间通过相匹配的内螺纹和外螺纹连接。或者，每个桩体的上端面设有内螺纹，每个桩体的下端面设有外螺纹。或者，有的桩体的上端面和下端面均为外螺纹，有的桩体的上端面和下端面均为内螺纹。此处的桩体指的是上部桩体2、下部桩体4、变径桩体单元31。上部桩体2的上端面以及下部桩体4的下端面不设螺纹，因为这两处不需要螺纹连接。

在一些实施例中，变径桩体3的高度占上部桩体2、变径桩体3和下部桩体4的总高度的1/7～1/4，下部桩体4的外径是上部桩体2的外径的15％～35％。在此数值范围内，可保证本发明的组合式变径单桩在土内具备足够的稳定性，同时提高桩体材料强度的有效利用率。

在一些实施例中，上部桩体2和/或变径桩体3和/或下部桩体4的内部连接有传感器。可通过设置传感器来进行多参数的监测。

进一步，传感器可包括应变片、土压力计、孔隙水压力计等，根据所要监测的参数，也可设置其他相应的传感器。

在一些实施例中，上部桩体2的顶部固定连接有吊点1。可便于采用吊装装置对本发明的组合式变径单桩起吊和安装。

进一步，吊点1可以是吊环或吊钩。吊装装置的下方连接有吊具，如图5-6所示，吊具包括主绳索10、分绳索11、弹性捆绑带12和钩点13，主绳索10的下方连接多个分绳索11，分绳索11的数量与吊点1的数量相等，分绳索11的下方连接有与吊点1配合的钩点13，所有的钩点13将对应的吊点1依次勾住后，启动吊装装置进行起吊。相邻两个分绳索11之间或者对角的两个分绳索11之间连接有水平设置的弹性捆绑带12，可防止起吊过程中吊点1与钩点13之间脱离。

如图1-2所示，本发明另一方面实施例提出了一种组合式变径单桩试验装置，包括组合式变径单桩试验模型，组合式变径单桩试验模型为与上述的组合式变径单桩尺寸相同或按的组合式变径单桩同比例缩小的试验模型。

本发明通过模拟组合式变径单桩，可通过试验对变径单桩进行研究，如确定不同组合式变径单桩的沉桩阻力，为工程应用提供理论支持和技术储备。在桩体内布设传感器更加便捷，布置的位置更加精准，走线更加方便，更利于监测数据的准确性。而且可降低单桩试验模型的生产成本，减少至少10％的用钢量。

可以理解的是，常规的一体化单桩试验模型中，内径一般在20-30cm，而且桩体的长度很长，工作人员很难在桩体内部无法触及的位置安装传感器。本发明可以解决这个问题，在安装传感器时，将相邻两个桩体通过螺纹旋开，即可伸入桩体内腔进行安装，而且也便于走线。

进一步，传感器可包括应变片、土压力计、孔隙水压力计等，根据所要监测的参数，也可设置其他相应的传感器。

需要说明的是，组合式变径单桩试验模型具有与组合式变径单桩相同的结构，也包括所采用的吊具。

如图3-4所示，在一些实施例中，组合式变径单桩试验装置还包括储存筒5，储存筒5内具有用于储存组合式变径单桩试验模型的腔室以及连通腔室的上开口，通过储存筒5的上开口对组合式变径单桩试验模型进行取放，腔室的中下部固定连接有内套筒6，内套筒6内形成用于存放变径桩体3的中放置腔和用于存放下部桩体4的下放置腔，腔室的上部形成用于存放上部桩体2的上放置腔。可便于对组合式变径单桩试验模型进行取放。

进一步，储存筒5的外形为圆柱体结构。

进一步，储存筒5的底部固定连接有支撑架，支撑架包括支撑平台8和支腿9，支腿9设有多个，支腿9固定连接于支撑平台8的下方，支撑平台8固定连接于储存筒5的底部，腔室内位于支撑平台8的上部设有缓冲垫。可防止组合式变径单桩试验模型直接放置于地面上，对模型的底部进行保护。

在一些实施例中，中放置腔为上宽下窄的锥筒结构，中放置腔的上端面的内径大于中放置腔的下端面的内径，上放置腔和下放置腔均为圆柱形结构，下放置腔的内径与中放置腔的下端面的内径相等，上放置腔的内径与中放置腔的上端面的内径相等。使放置腔的形状与组合式变径单桩试验模型的形状更加贴合。

在一些实施例中，上放置腔、中放置腔和下放置腔的内壁均固定连接有缓冲垫圈7，缓冲垫圈7沿水平方向设置。可防止组合式变径单桩试验模型在取放过程中与储存筒5发生磕碰。

进一步，缓冲垫圈7的材质可以为橡胶或海绵等。

在一些实施例中，如图7-11所示，组合式变径单桩试验装置还包括扶正架，扶正架包括：限位框15和支撑杆14，限位框15设有若干个，若干个限位框15沿竖直方向排列，限位框15为正方形框架，限位框15的中间开设有用于组合式变径单桩试验模型沿竖直方向穿过的贯穿孔16；支撑杆14设有不少于两个，支撑杆14沿竖直方向设置，支撑杆14固定连接于限位框15的外侧，多个支撑杆14围绕限位框15的外侧布置，支撑杆14的上端伸出位于顶部的限位框15，支撑杆14的下端伸出位于底部的限位框15。本发明通过设置扶正架，可保证组合式变径单桩试验模型在沉放过程中的垂直度。

进一步，支撑杆14设有4个，4个支撑杆14分别固定在限位框15的相对的两侧，每侧在靠近前后两端的位置上分别固定支撑杆14，使扶正架的受力更加稳定。

进一步，限位框15自上而下依次设有3个。3个限位框15共同固定连接于4个支撑杆14之间。

进一步，扶正架安装时，将扶正架的支撑杆14的上端焊接固定在土槽上方的水平放置的反力梁等刚度较大的钢结构的下端，由于反力梁的下端面为水平面，可保证扶正架的垂直度，进而保证组合式变径单桩试验模型的垂直度。

进一步，支撑杆14与反力梁之间可以采用螺栓等可拆卸固定连接的方式，需要用的时候进行安装，不使用时可拆卸下来。

可选的，在扶正架的支撑杆14的上端焊接固定有横梁，横梁可设有2个且相互平行，两个横梁位于同一水平面上，每个横梁固定连接两个支撑杆14，横梁与支撑杆14之间相互垂直。安装时，将横梁直接搭在土槽的边沿上，然后将横梁通过焊接或螺栓连接等手段固定在土槽的边沿上。土槽的边沿也是水平面。也可保证扶正架的垂直度，进而保证组合式变径单桩试验模型的垂直度。

使用时，将组合式变径单桩试验装置从扶正架的限位框15的贯穿孔16中自上而下插入到土槽的土中。对组合式变径单桩试验装置的入土阻力进行监测。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一些实施例”等意指结合该实施例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例以及不同实施例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。