基于GRLWEAP 的樁基可打性分析方法評(píng)價(jià)及參數(shù)優(yōu)化

官明開，周莉莉，江 波

（上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200335）

樁基礎(chǔ)是我國(guó)海上風(fēng)電工程中使用最廣泛的基礎(chǔ)型式之一，鋼管樁沉樁是樁基施工過程中的關(guān)鍵作業(yè)。在福建沿海區(qū)域，覆蓋層起伏劇烈，常伴有淤泥及碎石夾層，強(qiáng)風(fēng)化層深厚，為鋼管樁的沉樁帶來諸多的困難。在該地區(qū)海上風(fēng)機(jī)樁基礎(chǔ)的沉樁過程中，鋼管樁沉樁不到位或樁底卷邊，是實(shí)際工程中棘手而又普遍存在的難題。沉樁施工前，相對(duì)準(zhǔn)確的樁基可打性分析對(duì)沉樁具有重要的指導(dǎo)意義，并對(duì)樁長(zhǎng)的設(shè)計(jì)具有積極的參考價(jià)值[1]?；赟mith 波動(dòng)方程理論的GRLWEAP 軟件對(duì)打樁情況的模擬具有良好的效果，在海上風(fēng)電工程中得到了廣泛的應(yīng)用。GRLWEAP 軟件進(jìn)行可打性分析時(shí)，土層承載力參數(shù)的取值對(duì)模擬結(jié)果具有較大影響[2]。GRLWEAP 提供了多種土層承載力分析方法，在我國(guó)海上風(fēng)電工程領(lǐng)域普遍使用的是美國(guó)石油協(xié) 會(huì) 標(biāo) 準(zhǔn)（American Petroleum Institute，API）與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)N 值（Standard Penetration Test N-Values，SA）分析法。這兩種分析方法均以地勘試驗(yàn)參考值為依據(jù)對(duì)鋼管樁的側(cè)阻及端阻阻力值進(jìn)行給定。

在樁基可打性分析中，樁錘能量直接影響著計(jì)算錘擊數(shù)[3]，隨著鋼管樁的持續(xù)貫入，樁側(cè)摩阻系數(shù)不是一層不變的，而是隨著貫入深度的增加而變化[4]，通過對(duì)樁側(cè)摩阻系數(shù)及端阻系數(shù)的調(diào)節(jié)，可有效地優(yōu)化計(jì)算結(jié)果[2]。API 及SA 這兩種土層分析方法在樁基可打性分析中使用廣泛，兩者在計(jì)算結(jié)果上具有較大差別，尤其對(duì)于福建地區(qū)特殊的地質(zhì)條件，這兩種方法在該地區(qū)的適應(yīng)性及計(jì)算準(zhǔn)確度尚缺少相關(guān)的研究與驗(yàn)證。

本文以福建某海上風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際沉樁情況為依據(jù)，基于GRLWEAP 對(duì)API 和SA 土層分析方法進(jìn)行了模擬計(jì)算，與實(shí)際沉樁結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析兩種方法在該地區(qū)的適應(yīng)性及計(jì)算準(zhǔn)確度，通過對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析比較，進(jìn)一步對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，相應(yīng)地引入折減與擴(kuò)大系數(shù)，以更加適應(yīng)該地區(qū)獨(dú)特的地質(zhì)條件。同時(shí)，對(duì)優(yōu)化后的模型進(jìn)行了驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，參數(shù)優(yōu)化后的計(jì)算模型對(duì)于福建地區(qū)獨(dú)特的地質(zhì)條件具有更好的計(jì)算效果，與實(shí)際沉樁情況相對(duì)更加接近，為該地區(qū)沉樁可打性分析提供較好的參考意義。

1 研究方法

本文采用GRLWEAP 軟件根據(jù)福建地區(qū)某海上風(fēng)電場(chǎng)地質(zhì)勘查結(jié)果，設(shè)置不同工況，進(jìn)行樁基可打性分析，以驗(yàn)證API 和SA 分析方法在該地區(qū)的適用情況。GRLWEAP 基于Smith 一維波動(dòng)方程理論，具有良好的計(jì)算效果。

1. 1 波動(dòng)方程理論

1865 年Saint Venant[5]首次提出了一維波動(dòng)方程，在工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，Isaacs 于1931 年通過一維波動(dòng)方程對(duì)樁錘與樁身的碰撞問題進(jìn)行了描述，指出沉樁過程可視為應(yīng)力波在樁身內(nèi)的傳播過程，并在Saint Venant 一維波動(dòng)方程的基礎(chǔ)上引入樁周土阻力參數(shù)R[6]，得到：

式中：式中：x為樁截面的坐標(biāo)；u為截面X處質(zhì)點(diǎn)的豎向位移；t為時(shí)間；c為應(yīng)力波在樁身內(nèi)的傳播速度；R為樁身土阻力參數(shù)。其中；E，ρ分別為樁體的彈性模量和密度；R為樁身土阻力參數(shù)。

1960 年，Smith E A L[7]提出了使用差分法對(duì)波動(dòng)方程進(jìn)行求解，基于土阻力模型以及各種假設(shè)，推導(dǎo)出了5 個(gè)基本差分方程，如下：

式中：d為錘芯位移；v為錘芯速度；c為彈簧的壓縮量；F為彈簧的作用力；R為土體阻力；g為重力加速度；W為樁單元質(zhì)量；上標(biāo)n表示時(shí)間間隔的序號(hào)；下標(biāo)m表示錘芯、彈簧和作用在樁單元上土體阻力的序號(hào)。

通過對(duì)差分方程的迭代計(jì)算，可計(jì)算出樁身應(yīng)力波的傳播情況。

1. 2 模型設(shè)置

本文依據(jù)福建某海上風(fēng)電場(chǎng)沉樁實(shí)際情況進(jìn)行模型計(jì)算分析，以下為模型的基本參數(shù)情況：

1. 2. 1 鋼管樁模型 鋼管樁長(zhǎng)63 m，樁徑1.9 m，壁厚28 mm，樁尖設(shè)有加強(qiáng)段，加強(qiáng)段壁厚40 mm，沉樁為斜度6:1 的斜樁，設(shè)計(jì)入泥深度42 m。

1. 2. 2 樁錘模型 根據(jù)實(shí)際施工情況，選用IHC S800液壓沖擊錘，錘型參數(shù)如表1 所示。

表1 IHC S800 錘型參數(shù)

1. 2. 3 土阻尼參數(shù)選取 本模型土阻尼參數(shù)值參照表2，并結(jié)合具體樁位情況進(jìn)行選取。

表2 土阻尼參數(shù)參考值

1. 2. 4 土塞作用的考慮 在動(dòng)力沉樁過程中，土塞效應(yīng)對(duì)樁的貫入過程具有一定的影響，對(duì)于較大直徑鋼管樁，土塞的不完全閉塞效應(yīng)計(jì)入沉樁分析過程[8-11]，本文模型樁端阻塞面積選取了10%～30%的樁端面積作為不完全閉塞效應(yīng)參數(shù)進(jìn)行考慮。

1. 2. 5 恢復(fù)系數(shù)的選取 針對(duì)打樁過程中土阻力恢復(fù)情況，模型根據(jù)GRLWEAP 給出的建議值進(jìn)行選取，恢復(fù)系數(shù)（Setup Factor）取值參照表3。

表3 恢復(fù)系數(shù)參考值

1. 3 地質(zhì)概況

該場(chǎng)區(qū)覆蓋層主要為淤泥、粘土及中砂，覆蓋層起伏較大，部分地區(qū)存在淤泥夾層及碎石夾層，散體狀強(qiáng)風(fēng)化層深厚，基礎(chǔ)樁持力層主要為散體狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。各土層基本信息如表4所示。

表4 土層基本參數(shù)

1. 4 工況設(shè)置

根據(jù)GRLWEAP 提供的土層參數(shù)分析方法，設(shè)置了API 分析工況與SA 分析工況，以驗(yàn)證兩種分析方法在本地區(qū)的適用情況及準(zhǔn)確度，土層參數(shù)通過地勘靜力學(xué)試驗(yàn)推薦值給定。

兩種工況條件下，計(jì)算模型所采用的樁、錘、及土阻尼等參數(shù)情況一致；土層物理力學(xué)參數(shù)則根據(jù)實(shí)際地勘結(jié)果，分別對(duì)API 及SA 兩種分析方法給定相應(yīng)的參數(shù)。

2 樁基可打性分析計(jì)算

2. 1 計(jì)算結(jié)果分析

現(xiàn)場(chǎng)沉樁施工過程中，樁身應(yīng)力、沉樁貫入度及錘擊數(shù)是現(xiàn)場(chǎng)關(guān)注的關(guān)鍵參數(shù)。在國(guó)內(nèi)風(fēng)電工程沉樁施工過程中，樁身應(yīng)力、貫入度及錘擊數(shù)是判斷停錘結(jié)束沉樁的重要因素，因而計(jì)算結(jié)果的分析將重點(diǎn)關(guān)注這3 個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。對(duì)API 工況和SA 工況分別進(jìn)行計(jì)算，對(duì)沉樁過程中的應(yīng)力及貫入度、錘擊數(shù)情況進(jìn)行分析。

2. 1. 1 沉樁過程應(yīng)力情況 兩種工況條件下沉樁應(yīng)力及能量變化情況見圖1 和圖2。在API 與SA工況下，鋼管樁沉樁到設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，樁身最大拉應(yīng)力分別為92.7 MPa 和97.0 MPa，最大壓應(yīng)力分別為225.4 MPa 和225.7 MPa。兩種工況下，最大拉應(yīng)力均出現(xiàn)在沉樁初期階段，此時(shí)樁尖進(jìn)入中粗砂層；隨著鋼管樁的持續(xù)貫入，拉應(yīng)力逐漸減小；在覆蓋層，減小趨勢(shì)相較于樁尖進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化層后更加明顯。兩種工況下，最大壓應(yīng)力均出現(xiàn)在沉樁末期階段，此時(shí)錘擊能量最大；壓應(yīng)力變化趨勢(shì)與拉應(yīng)力截然不同，鋼管樁壓應(yīng)力在覆蓋層階段變化趨于平緩，在進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化層后，隨著沉樁能量的增加，壓應(yīng)力增加明顯。在沉樁末期，樁尖進(jìn)入散體狀強(qiáng)風(fēng)化層底部，接近碎裂狀強(qiáng)風(fēng)化層，沉樁能量達(dá)到了600 kJ，兩種工況條件下壓應(yīng)力均達(dá)到了最大值。

圖1 API 工況下沉樁應(yīng)力及能量變化

圖2 SA 工況下沉樁應(yīng)力及能量變化

對(duì)兩種工況下計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，見圖3。從圖3 可看出，兩種分析方法對(duì)沉樁應(yīng)力的模擬結(jié)果整體趨于一致。在拉應(yīng)力方面，SA 工況計(jì)算結(jié)果相較API 工況偏大，但整體變化趨勢(shì)基本一致；在壓應(yīng)力方面，兩種工況計(jì)算結(jié)果的數(shù)值大小與變化趨勢(shì)均趨于一致。

綜上，兩種工況條件下，分析方法的區(qū)別對(duì)于沉樁應(yīng)力的計(jì)算影響相對(duì)較小，影響沉樁應(yīng)力變化的主要因素是錘擊能量及土層條件。

圖3 API、SA 工況下沉樁應(yīng)力及能量變化

2. 1. 2 沉樁過程貫入度、錘擊數(shù)情況 兩種工況條件下的終錘貫入度及錘擊數(shù)計(jì)算結(jié)果見表5。在API 工況下，鋼管樁沉樁到設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，計(jì)算錘擊數(shù)為1 287，終錘貫入度為15.1 mm/擊；在SA 工況下，鋼管樁沉樁到設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，計(jì)算錘擊數(shù)為876，終錘貫入度為19.3 mm/擊。實(shí)際沉樁情況，錘擊數(shù)為1 254，終錘貫入度為6 mm/擊。

表5 兩種工況下貫入度、錘擊數(shù)計(jì)算結(jié)果及實(shí)際情況

由此可見，在錘擊數(shù)方面，API 工況相較于SA 工況更接近實(shí)際情況，與實(shí)際值基本一致；但在終錘貫入度方面，兩種工況與實(shí)際情況相比均有一定偏差，但API 工況相對(duì)更加接近實(shí)際情況。具體沉樁過程中貫入度變化情況見圖4。

圖4 計(jì)算及實(shí)際貫入度變化

由圖4 可看出，在實(shí)際的沉樁過程中，當(dāng)鋼管樁在覆蓋層時(shí)，貫入度較大，隨著樁身的持續(xù)貫入，貫入度下降迅速。在鋼管樁入泥約32 m 后，此時(shí)鋼管樁樁尖進(jìn)入到全風(fēng)化層與強(qiáng)風(fēng)化層交界區(qū)，貫入度維持在18 mm/擊左右。在樁尖入泥38 m 后，此時(shí)樁尖進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化層約3 m，貫入度急速下降，并維持在7 mm/擊左右。從API 和SA 兩種工況計(jì)算結(jié)果看，在覆蓋層階段，API 工況計(jì)算貫入度相較于實(shí)際貫入度偏小，而SA 工況則偏大，但整體上SA 工況結(jié)果更接近實(shí)際情況；在進(jìn)入基巖層后，API 工況與SA 工況相較于實(shí)際情況，貫入度均不同程度偏大，但前者更加接近實(shí)際情況。

從整體計(jì)算結(jié)果來看，對(duì)于樁尖進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化層一定深度后，與實(shí)際情況相比，兩種工況均未出現(xiàn)貫入度明顯的減小過程。原因主要有：首先，在給定模型土層參數(shù)信息時(shí)，整個(gè)強(qiáng)風(fēng)化層的側(cè)阻值為一個(gè)特定建議值，實(shí)際隨著沉樁深度的增加，同一土層的側(cè)阻值并不是一個(gè)特定值，尤其對(duì)于福建沿海地區(qū)深厚的強(qiáng)風(fēng)化基巖地質(zhì)條件而言，側(cè)阻值將隨著沉樁深度的增加而增大；其次，模型給定的側(cè)阻推薦值是單側(cè)側(cè)阻值，在樁身進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化層以后，樁尖的貫入對(duì)周圍土層的擾動(dòng)影響相比覆蓋層要小，此時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮樁身內(nèi)外兩側(cè)土體的共同影響。

在海上沉樁施工中，判斷是否停錘的依據(jù)更多的是終錘貫入度及錘擊數(shù)，從兩種工況計(jì)算結(jié)果來看，綜合貫入度（尤其是進(jìn)入基巖后的貫入度）、錘擊數(shù)情況，API 工況相較于SA 工況準(zhǔn)確度更接近實(shí)際情況，具有更好的模擬效果。

2. 2 模型參數(shù)優(yōu)化

選擇模擬效果更接近實(shí)際情況的API 工況，針對(duì)鋼管樁在覆蓋層貫入度偏小，而在強(qiáng)風(fēng)化層貫入度偏大的情況，進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整優(yōu)化。本工程中，覆蓋層以中砂層為主，且砂層純凈度相比其它地區(qū)偏低，砂層?；祀s有淤泥，這在實(shí)際沉樁過程中容易出現(xiàn)實(shí)際貫入度相比計(jì)算值要偏大的情況；基巖層以散體狀強(qiáng)風(fēng)化層為主，強(qiáng)風(fēng)化層深厚，地勘給定側(cè)阻值為固定的單側(cè)值，在實(shí)際沉樁過程中出現(xiàn)實(shí)際貫入度比計(jì)算值偏小情況。

針對(duì)以上偏差情況，對(duì)深厚強(qiáng)風(fēng)化層側(cè)阻值進(jìn)行分層插值，并對(duì)覆蓋層與強(qiáng)風(fēng)化層的側(cè)阻值分別引入折減、擴(kuò)大系數(shù)。通過多種組合系數(shù)的試算，當(dāng)覆蓋層側(cè)阻值折減系數(shù)為0.8，強(qiáng)風(fēng)化層側(cè)阻值擴(kuò)大系數(shù)為1.5 時(shí)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況更為接近。優(yōu)化后的計(jì)算貫入度及變化情況如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后計(jì)算及實(shí)際貫入度變化

從圖中可看出，在覆蓋層階段，優(yōu)化后的計(jì)算貫入度更接近實(shí)際值。經(jīng)過對(duì)強(qiáng)風(fēng)化基巖層側(cè)阻值的插值及擴(kuò)大系數(shù)的引入，整體貫入度變化趨勢(shì)也更加接近實(shí)際情況。在實(shí)際沉樁過程中，對(duì)于停錘情況的判定，終錘貫入度是重要的度量因素。優(yōu)化后的計(jì)算終錘貫入度8.6 mm/擊相較優(yōu)化前的15.1 mm/擊有了明顯的改善，與實(shí)際的6 mm/擊更加接近。

2. 3 優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證

進(jìn)一步選取了場(chǎng)區(qū)另外2 個(gè)機(jī)位A、B 進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果分別如圖6 和圖7 所示：

圖6 A 機(jī)位計(jì)算及實(shí)際貫入度變化

圖7 B 機(jī)位計(jì)算及實(shí)際貫入度變化

從圖6 和圖7 中可以看出，模型進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化后，模擬結(jié)果良好。A 機(jī)位計(jì)算錘擊數(shù)為1 340，實(shí)際錘擊數(shù)為1 328，計(jì)算終錘貫入度為7 mm/擊，實(shí)際終錘貫入度為6 mm/擊；B 機(jī)位計(jì)算錘擊數(shù)為738，實(shí)際錘擊數(shù)為754，計(jì)算終錘貫入度為7 mm/擊，實(shí)際終錘貫入度為5 mm/擊。

表6 A、B 機(jī)位貫入度、錘擊數(shù)計(jì)算結(jié)果及實(shí)際情況

通過Allen J I 在2007 年提出的模型誤差分析方法及標(biāo)準(zhǔn)[12]來評(píng)估優(yōu)化后模型的計(jì)算精度，公式如下：

式中：SS 為模型精度參數(shù)；Xmol為模型計(jì)算值；Xobs為實(shí)測(cè)值；為實(shí)測(cè)值的平均值。模型精確度標(biāo)準(zhǔn)為：SS ＞0.65 為很好，0.5≤SS ≤0.65 為好，0.2≤ SS ＜0.5 為較好，SS ＜0.2 為差。

通過計(jì)算，優(yōu)化后的計(jì)算模型對(duì)A、B 機(jī)位的計(jì)算結(jié)果精度參數(shù)SS 分別為0.91 和0.88。因此，優(yōu)化后的計(jì)算模型具有良好的計(jì)算精度。

3 結(jié) 論

針對(duì)國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電工程樁基可打性分析計(jì)算過程中，缺少對(duì)主流分析方法的計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證情況，本文對(duì)國(guó)內(nèi)常用的API 及SA 土層分析方法進(jìn)行了計(jì)算驗(yàn)證，此外，對(duì)福建地區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件下可打性計(jì)算普遍存在的偏差情況進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化，得到以下結(jié)論：

（1）API方法與SA方法在樁基可打性分析中，兩種方法在沉樁應(yīng)力方面的模擬結(jié)果是趨于一致的，影響沉樁過程中樁身應(yīng)力的主要因素為沉樁能量大小及土層條件。

（2）在錘擊數(shù)方面，API 方法相比SA 方法，具有更好的準(zhǔn)確度，更加接近實(shí)際情況，SA 分析方法結(jié)果偏于理想。在貫入度方面，在覆蓋層階段，SA 分析方法模擬結(jié)果更接近實(shí)際值；而在基巖層，API 方法具有更好的模擬效果。但兩者對(duì)于樁尖進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化層一定深度后，貫入度均有不同程度的偏大。整體而言，API 分析方法在福建地區(qū)地質(zhì)條件下，更具適應(yīng)性。

（3）對(duì)API 方法計(jì)算貫入度的偏差情況進(jìn)行優(yōu)化，在覆蓋層引入側(cè)阻折減系數(shù)0.8，對(duì)強(qiáng)風(fēng)化基巖層進(jìn)行分層插值并引入擴(kuò)大系數(shù)1.5，參數(shù)優(yōu)化后計(jì)算結(jié)果更加接近實(shí)際情況。進(jìn)一步對(duì)該場(chǎng)區(qū)A、B 機(jī)位進(jìn)行可打性計(jì)算，對(duì)優(yōu)化后的模型進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，參數(shù)優(yōu)化后的模型在福建地區(qū)特殊地質(zhì)條件下，樁基可打性計(jì)算結(jié)果具有良好的計(jì)算精度，對(duì)實(shí)際沉樁更具參考意義。

對(duì)于福建地區(qū)的特殊地質(zhì)情況，本文進(jìn)行了相應(yīng)的方法驗(yàn)證及參數(shù)優(yōu)化，而對(duì)于其它地質(zhì)條件下的計(jì)算情況，仍有待進(jìn)一步的研究驗(yàn)證。樁基貫入是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過程，除土層分析方法、端阻與側(cè)阻外，存在著眾多影響因素。對(duì)各影響因數(shù)的敏感性分析，對(duì)可打性分析的計(jì)算優(yōu)化將具有積極的研究與實(shí)際意義。