[发明专利]基础桩安装装置

说明书

基础桩端件，包括环形连接壳体，其中环形连接壳体的近端构造成固定于基础桩的底端；还包括可移动尖端，其中环形连接壳体的远端构造成固定地保持可移动尖端，其中可移动尖端设置成关于环形连接壳体的中心轴线横向摆动，其中可移动尖端构造成根据摆动的致动从基础桩的底端转移土壤。

技术领域

本发明总体涉及振动打桩机。更具体地，本发明涉及使用动态(dynamic)桩端件以增加振动打桩机的穿透深度，该动态桩端件能够在驱动动作期间在桩头端处转移地面材料。

背景技术

海上风能产业最常见的基础类型是单桩。单桩的基础是一个大型钢制端开口管，该管的直径范围从2米到16米，并且壁厚范围从5厘米到20厘米。这些基础桩用冲击锤安装进地面。安装深度通常在进入地面25米到40米的范围。通过用冲击锤敲击桩的顶部达到该深度。通过这些敲击，桩穿透地面。

冲击锤在最接近桩的位置处产生高达220dB的水下高噪音水平。几个欧洲国家政府已经对此噪音水平做出限制规定。最严格的规定是德国政府做出的，在距离(振动)源750米处允许的最大噪音水平为160dB SEL(声音暴露水平)。预计其他国家，包括荷兰、英国、丹麦、瑞典、挪威和比利时也将遵循这些要求。为了遵守这些规定，必须采取减低噪音措施。这些国家计划在未来15年内在北海安装大量风力涡轮机。

自这些规定声明以来，已经开发并部署了几种形式的减低噪音(措施)。最常使用的减低噪音(措施)是围绕桩的气泡帘，该气泡帘吸收锤产生的声音；以及减低噪音屏，该减低噪音屏实际上是一个大型圆形围堰，基础桩在安装期间放置在该围堰中，该围堰被抽干，因此水和桩之间不存在直接接触。已经实施了其他几项减低措施，这些措施都抑制声音进一步传播到水中。对于每个基础桩安装，这些减低措施平均成本三十万欧元。这大约占基础总成本的15％。

在安装基础桩时不超过最大声音水平的一个尝试包括使用能够将基础桩安装到一定深度而不超过最大声音水平的振动锤。然而，振动锤不能将桩安装到25米至40米深的所需穿透深度。在北海用振动锤通常到达5米到20米之间的深度。为了到达所需的深度，在使用振动锤之后使用冲击锤。这再次需要使用减低噪音措施，因此使这个组合没有益处。

抑制桩穿透土壤的土壤阻力具有两个部分。第一个是土壤沿着桩壁的阻力，其在外部，对于一个端开口的钢桩内部也有。这个阻力称为“轴阻力”，是由桩壁和土壤颗粒之间的摩擦引起的。第二个是桩头端下方土壤的阻力。当桩穿透土壤时，土壤必须被推开，以便为桩进入腾出空间。这个阻力称为“尖端阻力”。在沙子(在北海中通常发现的土壤类型)中的振动驱动期间，与尖端阻力相比，轴阻力较低。土壤的摩擦疲劳被认为是造成这个的原因。振动锤通常以10Hz至30Hz的频率振动，并且刚性连接的桩和锤的振幅在垂直平面中为0至10毫米。在振动驱动期间，围绕轴的土壤被这些运动震动，并且土壤经受大量的装载循环，在安装桩需要的时间期间，对桩和桩周围的土壤施加高达1×105到10×105的装载循环。这些装载循环导致土壤疲劳。摩擦强度降低80％至仅为其初始值的20％。然而，在安装时桩下面的土壤不会经受如此大量的装载循环，因为每次桩穿透更多进入地面时，它都进入新的土壤。而且，与其它土壤类型(例如粘土)相比，沙子的剪切强度非常高，这反过来在这种类型的土壤中引起高的尖端阻力。安装期间桩的轴阻力和尖端阻力的组合是总阻力。在诸如北海等坚硬的沙质土壤中，这个阻力的大部分是尖端阻力。这是通过打桩预测和使用振动锤在桩安装期间进行的测量得出的。所需要的是降低高的尖端阻力，其中桩可以用振动锤安装到完全所需的穿透深度，同时满足噪音减少要求。

发明内容

为了满足本领域的需求，提供了基础桩端件，该基础桩端件包括环形连接壳体，其中环形连接壳体的近端构造成固定到基础桩的底端；可移动尖端，其中环形连接壳体的远端构造成固定地保持可移动尖端，其中可移动尖端设置成关于环形连接壳体的中心轴线横向摆动，其中可移动尖端构造成根据摆动的致动从基础桩的底端转移土壤。

根据本发明的一个方面，摆动的致动可包括电磁致动、机械致动、液压致动、机电致动、气动致动或压电致动。