海上風(fēng)電大型鋼管嵌巖樁基礎(chǔ)施工和試驗(yàn)研究

時(shí)閩生，孫言茂，黎雙邵，紀(jì)文利（.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津　300；.中國(guó)港灣工程有限責(zé)任公司，北京　0007）

海上風(fēng)電大型鋼管嵌巖樁基礎(chǔ)施工和試驗(yàn)研究

時(shí)閩生1，孫言茂2，黎雙邵1，紀(jì)文利1
（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津300222；2.中國(guó)港灣工程有限責(zé)任公司，北京100027）

摘要：針對(duì)國(guó)內(nèi)大型海上風(fēng)電基礎(chǔ)施工經(jīng)驗(yàn)較少的現(xiàn)狀，對(duì)福建南日島海上風(fēng)電首批樣機(jī)大直徑鋼管樁施工進(jìn)行了完整的模擬、監(jiān)測(cè)和試驗(yàn)，涉及粉土、砂和強(qiáng)風(fēng)化巖等地質(zhì)條件，包含摩擦型和嵌巖型鋼管混凝土樁兩種類(lèi)型。計(jì)算了超大型打樁設(shè)備MENCK800s及多種樁錘的施工過(guò)程，根據(jù)基礎(chǔ)形式設(shè)計(jì)成獨(dú)特的整體錨拉靜載試驗(yàn)方案，取得了近海風(fēng)電打樁模擬分析、施工性能監(jiān)測(cè)、承載特征驗(yàn)證等成果，驗(yàn)證鋼管樁和鋼管混凝土樁的使用差別，總結(jié)了大型海上風(fēng)電基礎(chǔ)施工的設(shè)備需求和施工工藝。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電；嵌巖樁；打樁模擬；監(jiān)測(cè)；靜載試驗(yàn)；基礎(chǔ)施工

據(jù)圓園員猿年底的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，中國(guó)海上風(fēng)電裝機(jī)容量?jī)H源圓愿MW，占風(fēng)電總裝機(jī)容量約園.緣豫，隨著陸上優(yōu)質(zhì)風(fēng)場(chǎng)占用殆盡，未來(lái)風(fēng)電項(xiàng)目將大量向近海發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)大型風(fēng)電項(xiàng)目的建設(shè)還處于經(jīng)驗(yàn)積累期，特別是海上風(fēng)電基礎(chǔ)施工，存在荷載工況復(fù)雜，施工設(shè)備要求高，工藝復(fù)雜等困難。常規(guī)海上風(fēng)電基礎(chǔ)類(lèi)型可分為重力式基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)，樁基礎(chǔ)又分為單樁和群樁基礎(chǔ)[1]。過(guò)去，風(fēng)電渦輪機(jī)較小的情況下重力式基礎(chǔ)和單樁基礎(chǔ)使用廣泛，但隨著近年風(fēng)電機(jī)組日趨大型化，更多情況要求使用大型群樁基礎(chǔ)才能滿足使用需求。

福建南日島海上風(fēng)電項(xiàng)目是近年來(lái)為數(shù)不多的近海大型風(fēng)電項(xiàng)目，工程位于莆田市南日島東北側(cè)海域，先期開(kāi)展首批2臺(tái)樣機(jī)工程，單機(jī)容量4.0 MW，采用1.8 m大直徑鋼管樁基礎(chǔ)。為了選擇適合該工程建設(shè)條件的基礎(chǔ)形式和施工方案，首批樣機(jī)工程的基礎(chǔ)施工進(jìn)行了詳盡的施工監(jiān)測(cè)和試驗(yàn)。

1　概況

現(xiàn)場(chǎng)樣機(jī)基礎(chǔ)選用了梅花形群樁布置，外圍8根5頤1工程樁向中心傾斜，中間布置1根直樁試驗(yàn)樁，共2組施工樁組，統(tǒng)一編號(hào)為G1組和G2組。由于巖層的覆蓋層厚度不一，覆蓋層深處采用了打入式鋼管樁，覆蓋層淺處采用先打設(shè)鋼管樁后，在樁中向下鉆孔澆筑成灌注嵌巖樁，即包括兩種樁型：鋼管樁和鋼管混凝土嵌巖樁。施工設(shè)備分別使用了打樁船配合D180、D250柴油錘和浮吊配合MENCK800s液壓錘吊打共2種打樁工藝。

試樁和地質(zhì)參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1　群樁和土體參數(shù)匯總Table 1　Parameters of group piles and soil

2　施工模擬

擬打入大型鋼管樁的場(chǎng)地地質(zhì)復(fù)雜，且初估的抗壓極限承載力在22 000 kN以上，評(píng)估認(rèn)為打樁難度高，需要進(jìn)行施工模擬，以避免施工失誤引起經(jīng)濟(jì)和工期損失。

總結(jié)大型海上打入樁的施工模擬技術(shù)，主要分為三類(lèi)：1）規(guī)范經(jīng)驗(yàn)選定[2]，依據(jù)地質(zhì)條件和設(shè)計(jì)承載力，擬定貫入度并確定樁錘和能量，其缺點(diǎn)是無(wú)法模擬過(guò)程，不能計(jì)算錘擊總數(shù)，且經(jīng)驗(yàn)限于D160柴油錘級(jí)別以下錘型，不適用更大型樁。2）打樁公式法，以海利公式（HILEYFormula）為代表的簡(jiǎn)單公式計(jì)算法，其缺點(diǎn)是不考慮地質(zhì)情況，且經(jīng)驗(yàn)有效性限于小型樁。3）可打性分析法，2000年后隨著一維桿件模型波動(dòng)平衡方程理論以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的成熟，以GRLWEAP為代表的軟件可打性分析技術(shù)大幅發(fā)展，通過(guò)模擬打樁過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)選錘、打擊模擬、應(yīng)力計(jì)算、過(guò)程分析等功能，國(guó)內(nèi)在以中小型錘擊設(shè)備為主的碼頭工程中已經(jīng)應(yīng)用并取得較好的效果[3]。

本次使用GRLWEAP軟件，選用地勘估值作為土阻力輸入，采用上部壁厚30 mm，下部28 mm的1 800 mm等直徑鋼樁模型，結(jié)合地質(zhì)分層特點(diǎn)模擬了各種常見(jiàn)錘形在G1樁組和G2樁組的打樁施工，發(fā)現(xiàn)D250柴油錘及以下設(shè)備無(wú)法滿足G1樁組打入碎裂強(qiáng)風(fēng)化層11.5 m的打樁施工要求，即國(guó)內(nèi)碼頭水工項(xiàng)目常用的錘形D80至D180柴油錘（300 kJ級(jí)液壓錘）無(wú)法適應(yīng)厚強(qiáng)風(fēng)化層的大直徑樁打入施工，后改用大型設(shè)備MENCK800s液壓錘計(jì)算，獲得了滿意的結(jié)果。對(duì)于G2樁組的施工難度低，D250即可滿足要求。模擬計(jì)算結(jié)果匯總于表2。

表2　施工模擬主要結(jié)果Table 2　Main results of construction simulation

以G1工況為對(duì)象的施工模擬見(jiàn)圖1。發(fā)現(xiàn)對(duì)于碎裂強(qiáng)風(fēng)化巖層超過(guò)6 m則施打難度較大，特別是海上風(fēng)電的大型鋼管樁，應(yīng)選用更高級(jí)別的大型錘擊設(shè)備，在此種情況下使用打樁船施工不能完成全部工作，選用平臺(tái)吊打的方式施工則更經(jīng)濟(jì)。

3　打樁施工監(jiān)測(cè)

根據(jù)實(shí)際工程情況，主要的監(jiān)控內(nèi)容包括：打樁能量，樁最大壓應(yīng)力，管端部變形，樁疲勞扭曲等。

在實(shí)際沉樁過(guò)程中，對(duì)錘擊能量、錘擊偏心情況以及樁身錘擊應(yīng)力進(jìn)行大量監(jiān)測(cè)，具體操作方法是采用樁基動(dòng)力測(cè)試儀器，在距離樁頂2倍樁徑位置上對(duì)稱(chēng)安裝2個(gè)加速度計(jì)和2個(gè)應(yīng)變計(jì)，伴隨打樁過(guò)程中同步測(cè)試動(dòng)態(tài)的加速度a和應(yīng)變著，計(jì)算得到實(shí)時(shí)樁頂速度和力曲線，通過(guò)CASE法計(jì)算出實(shí)時(shí)的各種性能參數(shù)和樁身完整性[4]。

圖1　碎裂強(qiáng)風(fēng)化層沉樁模擬Fig.1　Pile driving simulation of cataclastic strong-weathered layer

按設(shè)計(jì)要求G1樁組內(nèi)的多根樁進(jìn)行了打樁全過(guò)程監(jiān)測(cè)，主要監(jiān)測(cè)了D180、D250柴油錘和MENCK800s液壓錘的打樁性能表現(xiàn)，將G1和G2樁組中各測(cè)試樁的終錘貫入度和能量關(guān)系統(tǒng)一繪入圖2，可以看到貫入度接近的情況下不同打樁設(shè)備存在較大的能量差異，在貫入度類(lèi)似的情況下，樁承載力與打樁傳遞能量存在正向相關(guān)性。

圖2　終錘貫入度S和能量Emax關(guān)系圖Fig.2　Relationship of penetration S and energy Emaxof final set

對(duì)G1組內(nèi)的2根典型樁進(jìn)行測(cè)試，其中1根樁先采用D250柴油錘三檔打設(shè)，后改為四檔打設(shè)；另1根樁在D250打設(shè)困難的情況下使用MENCK800s液壓錘沉樁。打樁過(guò)程中樁身完整。

通過(guò)測(cè)試得出結(jié)論：1）只有MENCK800s液壓錘才具備較厚碎裂強(qiáng)風(fēng)化土層打設(shè)大直徑樁基的施工能力。2）隨著地質(zhì)土層承載力的提高，最大錘擊力有逐漸增大趨勢(shì)。3）連續(xù)錘擊時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致柴油錘的錘擊性能下降。4）MENCK800s液壓錘設(shè)定錘擊檔位后，實(shí)際能量先逐漸增大超過(guò)設(shè)定值，然后逐漸回落至設(shè)定值。5）MENCK800s液壓錘的能量傳遞效率遠(yuǎn)超柴油錘，可達(dá)到80%以上。

樁端土閉塞效應(yīng)：根據(jù)復(fù)打的樁基動(dòng)力測(cè)試結(jié)果，將G1和G2樁組在打樁休止后承載力與地勘報(bào)告推薦值相比，得出G1和G2樁組的樁端閉塞效應(yīng)系數(shù)姿p在0.34～0.36之間。

區(qū)域土體恢復(fù)系數(shù)：由于打樁時(shí)土體受到擾動(dòng)，故初打樁時(shí)實(shí)測(cè)的靜阻力偏低，經(jīng)“休息”后樁周的土體恢復(fù)并接近長(zhǎng)期的土阻力，通過(guò)初打和復(fù)打的樁基動(dòng)力測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)G1和G2試樁區(qū)域土體恢復(fù)系數(shù)約為1.3。

4　承載力試驗(yàn)

4.1試樁設(shè)計(jì)

圖3試樁布置方案Fig.3　Layout plan of test pile

對(duì)已施工的鋼管混凝土嵌巖樁和普通鋼管樁基礎(chǔ)進(jìn)行單樁抗壓、抗拔和水平抗力試驗(yàn)，并在鋼管樁內(nèi)安裝多組應(yīng)變傳感器測(cè)試樁土阻力情況。

因是斜樁群樁，且工程樁上拔抗力較小，常用的錨樁法和堆載法不適用，基于經(jīng)濟(jì)和效率因素，將靜載反力設(shè)計(jì)成整體錨拉系統(tǒng)，即將外圍8群斜樁整體焊接連接為1個(gè)框架結(jié)構(gòu)（內(nèi)部井字，外圍環(huán)形），再將框架結(jié)構(gòu)與多層反力梁對(duì)稱(chēng)拉結(jié)提供試驗(yàn)荷載，借助對(duì)稱(chēng)布置抵消水平向力。試樁設(shè)計(jì)方案如圖3。

4.2試驗(yàn)成果

靜載荷試驗(yàn)方法全部采用快速維持荷載法[5]。分別對(duì)G1和G2試樁進(jìn)行單樁軸向抗壓靜載荷試驗(yàn)，均加載至22 000 kN，沉降分別為53.7 mm和21.3 mm。分別對(duì)G1和G2試樁進(jìn)行單樁軸向抗拔靜載荷試驗(yàn)，均加載至11 400 kN，上拔量分別為32.7 mm和20.0 mm，判別G2鋼管混凝土嵌巖樁的豎向承載力特性明顯優(yōu)于普通鋼管樁。

水平靜載荷試驗(yàn)，G1和G2試樁的加載控制值均為1 420 kN，但G1試樁的水平位移234.70 mm，卸載殘余位移19.89 mm；G2試樁水平位移19.98 mm，殘余位移2.93 mm。且G1試樁的水平地基反力系數(shù)隨深度增長(zhǎng)的比例系數(shù)m值為274～ 519 kN/m4；G2試樁的m值為9 743～13 608 kN/m4。在中上部土層條件類(lèi)似的情況下，水平試驗(yàn)結(jié)果差異顯著，主要因?yàn)殇摴芑炷恋臉渡韯偠让黠@增加，能將水平力傳導(dǎo)到較深的土層。同時(shí)也證明對(duì)自由段較長(zhǎng)的樁，水平地基反力系數(shù)不僅受地基反力影響，樁身剛度也是主要因素。水平和豎向荷載位移曲線及分層樁身軸力圖見(jiàn)圖4、圖5。

圖4　單樁豎向、水平荷載位移曲線Fig.4　The vertical and horizontal load displacement vurves of single pile

樁身應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試。對(duì)于G1試樁和G2試樁進(jìn)行了靜載分層土摩阻力測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在中上部鋼管混凝土和普通鋼管樁的承載力特性受土體影響情況較類(lèi)似；在樁下部因?yàn)殇摴芑炷燎稁r樁端部巖石阻力高且混凝土樁端截面積大，所以承載力也更高。

5　結(jié)語(yǔ)

對(duì)于海上風(fēng)電項(xiàng)目，大型樁基礎(chǔ)的打樁施工模擬非常有必要，可以確保工程順利開(kāi)展。大直徑鋼管樁打入超過(guò)6 m以上厚度的散裂狀強(qiáng)風(fēng)化巖層，應(yīng)選用性能優(yōu)于D250錘的設(shè)備進(jìn)行施工，并且可以采用平臺(tái)吊打的方式降低施工成本。鋼管混凝土灌注嵌巖樁在提高豎向承載力的同時(shí)大幅提升水平剛度，利于控制風(fēng)機(jī)水平位移，性能優(yōu)勢(shì)明顯。

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E-mail：39538399@qq.com

中圖分類(lèi)號(hào)：U655.55

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-7874（2016）01-0032-05

doi：10.7640/zggwjs201601008

收稿日期：2015-06-24修回日期：2015-11-30

作者簡(jiǎn)介：時(shí)閩生（1981— ），男，河北唐山市人，工程師，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)工程，港工建筑物實(shí)體、基礎(chǔ)檢測(cè)等。

Construction and experimental study of large offshore wind turbine socketed steel pile foundation

SHI Min-sheng1,SUN Yan-mao2,LI Shuang-shao1,JI Wen-li1
（1.CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China;
2.China Harbour Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100027,China）

Abstract：Currently,the engineering experiences for offshore wind turbine foundation are rare in China.The construction of Fujian Nanri Island offshore large-diameter steel pipe pile run a complete process of simulation,monitoring and testing, involving the geological conditions of silt,sand and strong weathered rock,containing two working conditions of both frictiontype and steel-concrete rock-socketed type.By the simulation of construction process using different huge driven hammer such as MENCK800s,designing a new unique reaction frame for static load test,we obtained many researching results from driving simulation,driving monitoring and soil bearing characters,identified the working differences between steel pipe pile and concrete-fill steel pipe pile,and summarized the equipment needs and process requirement for large offshore wind turbine foundation.

Key words：wind turbine generator;socketed steel pile;piling simulation;monitoring;static load test;foundation construction