海上風(fēng)電大直徑單樁基礎(chǔ)水平載荷試驗(yàn)研究

王 健，王 宇，周子文，王 康

(1.江蘇南京地質(zhì)工程勘察院,江蘇 南京 210041; 2.北京中巖大地科技股份有限公司南京分公司,江蘇 南京 210000; 3.河海大學(xué),江蘇 南京 211100; 4.渥太華大學(xué),加拿大 渥太華 K1N6N5; 5.宿遷聯(lián)盛科技股份有限公司,江蘇 宿遷 223800)

0 引言

海上風(fēng)電場(chǎng)的樁基礎(chǔ)所受水平荷載要比陸地上復(fù)雜得多,包括風(fēng)、浪、流等荷載作用,且都屬于循環(huán)荷載,直接進(jìn)行理論計(jì)算分析是很困難的,同時(shí)現(xiàn)在海上風(fēng)機(jī)樁大都屬于大直徑單樁,而目前針對(duì)大直徑樁基的計(jì)算理論還不成熟,因此理論計(jì)算缺乏精確性[1]。工程現(xiàn)場(chǎng)的水平靜荷載試驗(yàn)仍是目前我國(guó)最認(rèn)可的樁基水平承載力計(jì)算方法,其主要通過現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試樁試驗(yàn),測(cè)量樁基在荷載下的每級(jí)位移,通過荷載-變形曲線圖得出水平承載力。因?yàn)槠錄]有破壞土體的原位狀態(tài),所以比較貼合實(shí)際[2]。本文通過采用海上風(fēng)電樁基工程常用的p-y曲線法對(duì)杭州灣某海上風(fēng)電項(xiàng)目中樁基水平極限承載力進(jìn)行計(jì)算,同時(shí)與現(xiàn)場(chǎng)樁基試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,以評(píng)價(jià)p-y曲線法的適用性。最后對(duì)水平試樁試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,以研究海上風(fēng)電大直徑單樁基礎(chǔ)的水平承載特性,為本項(xiàng)目樁基優(yōu)化設(shè)計(jì)及后續(xù)施工提供一定的借鑒。

1 工程地質(zhì)概況

該海上風(fēng)電場(chǎng)位置處于杭州灣海域附近,工程區(qū)域?yàn)闉I海相沉積地貌,整體地形較緩,水下未見明顯隆起或凹陷。場(chǎng)區(qū)水下泥面高程為-9.60 m～-13.70 m,勘察期間水深9.10 m～12.90 m,試樁場(chǎng)地地層情況及相關(guān)參數(shù)見表1。由前期勘察結(jié)果,本場(chǎng)地天然地基條件差,不能滿足上部風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗傾覆要求,所以采用樁基礎(chǔ),樁型選用高強(qiáng)度鋼管樁。綜合各方面因素,本工程風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)以⑤-3a層粉砂作為樁端持力層。

表1 試樁場(chǎng)地的地層分布及物理力學(xué)參數(shù)

2 水平極限承載力計(jì)算

為了保證水平試樁試驗(yàn)過程中樁基不破壞或者發(fā)生大變形,影響后期工程使用。因此在試樁試驗(yàn)之前需要結(jié)合樁基設(shè)計(jì)參數(shù)和前期勘察資料,對(duì)試樁水平極限承載力進(jìn)行計(jì)算,并提出試樁水平靜載試驗(yàn)最大加載值,保證試樁試驗(yàn)安全性。

目前海上風(fēng)電樁基的水平承載力主要通過API規(guī)范[3]中的p-y曲線法[4]進(jìn)行計(jì)算,其他方法包括m法、NL法等經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)并不適用于大直徑鋼管樁[5-6]。因此本次試驗(yàn)選用p-y曲線法并結(jié)合API土層參數(shù)表以及地勘結(jié)果對(duì)試樁的水平承載力極限值進(jìn)行計(jì)算。以泥面位移為判斷基準(zhǔn),利用軟黏土標(biāo)準(zhǔn)p-y曲線對(duì)于單樁的水平承載力進(jìn)行預(yù)估。短期靜力荷載下的軟黏土p-y曲線可見圖1。

假設(shè)鋼管樁自身強(qiáng)度足夠,以樁周土破壞時(shí)的水平荷載為極限水平承載力。取泥面處樁身實(shí)際側(cè)向位移y為200 mm,y/yc=1.14。根據(jù)黏土的p-y標(biāo)準(zhǔn)曲線可以得到p/pu=0.53,于是對(duì)應(yīng)的單位側(cè)向承載力標(biāo)準(zhǔn)值p′=82 kPa。最終得到水平極限承載力值為pu=2 059.84 kN,所以p=0.53×pu=1 091.7 kN。結(jié)合樁基設(shè)計(jì)和試樁試驗(yàn)要求確定單樁水平靜載試驗(yàn)水平荷載的最大加載值為1 000 kN。

3 水平試樁試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

水平靜載試驗(yàn)主要是測(cè)量各級(jí)水平荷載作用下單樁的樁頂水平位移、樁身應(yīng)變和樁身?yè)隙取ｎA(yù)估試樁最大水平試驗(yàn)荷載約為1 000 kN,水平荷載采用單向單循環(huán)維持法進(jìn)行樁頂加載,荷載級(jí)持續(xù)時(shí)間20 min,泥面處樁身水平位移不得超過200 mm。樁頂水平位移觀測(cè)方面,通過在樁身安裝多個(gè)位移傳感器可以測(cè)得,同時(shí)根據(jù)測(cè)量的位移計(jì)算可得到樁頂轉(zhuǎn)角。樁身受力觀測(cè)方面,在每級(jí)荷載施加結(jié)束時(shí),進(jìn)行樁身遠(yuǎn)離中性軸的最大受拉應(yīng)變和最大受壓應(yīng)變的兩束光纖傳感器數(shù)據(jù)采集。

試驗(yàn)樁設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示,試樁光纜布設(shè)如圖2所示,試樁布置示意圖如圖3所示。

表2 單樁試樁設(shè)計(jì)參數(shù)表

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

單樁水平靜載試驗(yàn)中樁頂水平力加載至1 000 kN時(shí),達(dá)到試驗(yàn)預(yù)估最大加載值。具體結(jié)果整理如下:

1)樁頂水平位移。水平靜載試驗(yàn)各級(jí)荷載下的樁頂水平位移值見表3。由表3可得水平力-樁頂位移關(guān)系曲線圖,見圖4。根據(jù)水平試驗(yàn)的水平荷載和實(shí)測(cè)樁頂位移計(jì)算得到水平荷載對(duì)數(shù)與樁頂位移對(duì)數(shù)關(guān)系曲線見圖5。

表3 樁頂水平位移

由圖4可以看出隨著水平荷載的增加,樁頂水平位移不斷增加,最大水平位移為1 000.93 mm。同時(shí)從Q-S曲線和logH-logY曲線中可以看出二者均呈近線性遞增,變化相對(duì)較平緩,未出現(xiàn)拐點(diǎn),以此判斷單樁仍處于線彈性變形階段,未出現(xiàn)較大的塑性變形或破壞。由此得出試樁實(shí)際的水平極限承載力值大于1 000 kN,其水平承載能力比預(yù)估值大,因此能夠看出API規(guī)范的理論計(jì)算方法預(yù)估的水平極限承載力相對(duì)保守。

2)樁身?yè)锨?。通過試驗(yàn)獲得的樁身?yè)隙惹€見圖6。從圖6中可以看出樁身?yè)锨畲笾刀嘉挥跇俄?且沿樁身逐漸減小,在接近樁端處撓曲變?yōu)?。泥面上樁身?yè)锨h(yuǎn)遠(yuǎn)大于泥面下樁身?yè)锨?且撓曲變化速率也更大,從這也能看出樁周土對(duì)于樁身?yè)锨目刂谱饔?。同時(shí)隨著樁頂施加水平荷載的增加,樁身?yè)锨饾u增大,尤其是泥面以上樁身部分。

3)泥面標(biāo)高處位移。由各級(jí)荷載作用下結(jié)果位移值可以得到泥面處樁身位移曲線見圖7。從圖7中可以看出隨著水平荷載的增加,泥面處樁身位移也在不斷增加,最大值為146.2 mm,增加幅度也越來越大。這主要是因?yàn)槟嗝娓浇馏w屬于強(qiáng)度較小的淤泥土,因此在樁體水平位移時(shí),其會(huì)更快的到達(dá)塑性變形階段,從而逐漸喪失自身土體水平抗力,而泥面處樁身的水平位移增加速度也就會(huì)越來越快。

4)泥面以下彎矩。根據(jù)各斷面試驗(yàn)測(cè)試得到的應(yīng)變值,可計(jì)算出各斷面的彎矩,經(jīng)平滑處理后的樁身彎矩分布曲線見圖8。從圖8中可以看出隨著樁頂水平荷載的增加,樁身整體的彎矩也是在逐漸增大的。彎矩最大值位于標(biāo)高-15 m～-25 m間,第一彎矩零點(diǎn)位置位于標(biāo)高-30 m左右,這兩點(diǎn)的位置都隨著水平荷載的增加逐漸下移。在標(biāo)高-30 m至標(biāo)高-45 m之間樁身彎矩變?yōu)榉磸澗?同時(shí)達(dá)到反彎矩最大值,標(biāo)高-45 m以下的樁身彎矩接近0。

5)樁側(cè)土抗力(p)與水平變位(y)的關(guān)系。由樁身變位,利用前面提到的API規(guī)范中的p-y曲線法可以進(jìn)一步計(jì)算出泥面下部分?jǐn)嗝娴臉秱?cè)土抗力。根據(jù)實(shí)測(cè)樁身位移和計(jì)算出的樁側(cè)土抗力,可以得到不同荷載下試樁部分?jǐn)嗝娴膒-y曲線,見圖9。需要注意的是,由于試驗(yàn)是在樁頂加載,泥面以下樁身受力,除了水平推力外,還有彎矩的影響包含在內(nèi)。從圖9中可以看出隨著樁體水平變位的增加,對(duì)應(yīng)位置的樁側(cè)土抗力也在逐漸增加,且增加幅度越來越小,直至樁側(cè)土抗力接近一個(gè)極值。除此之外也可以發(fā)現(xiàn)土深越大的位置,樁側(cè)土抗力普遍高些,最大土抗力也更大。

4 結(jié)論

通過對(duì)杭州灣海域某海上風(fēng)電大直徑單樁基礎(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)水平試樁試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析研究,可得到如下結(jié)論:

1)試樁在整個(gè)加載過程中基本處于彈性變形階段,水平承載力不小于1 000 kN,結(jié)合各項(xiàng)分析結(jié)果得出API規(guī)范中的p-y曲線法低估了海上大直徑單樁的水平承載性能。實(shí)際情況下,樁基的水平承載力還可適當(dāng)提高。

2)通過分析水平靜載試驗(yàn)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)樁基水平抗力主要集中在上部土層,因此樁基水平承載力主要受上部土層物理力學(xué)性質(zhì)控制,所以當(dāng)?shù)乜辟Y料提供的土層參數(shù)偏保守時(shí),也會(huì)導(dǎo)致低估樁基的實(shí)際水平承載性能。

3)樁基水平受荷的實(shí)質(zhì)是樁土間相互作用,樁基在水平荷載作用下,樁身發(fā)生水平變位。隨著樁體變位不斷增加,水平位移進(jìn)一步擴(kuò)散到樁周土,直至達(dá)到樁周土的極限狀態(tài)。而在這一過程中泥面附近的樁周土最先發(fā)生變形,提供抗力,這也是泥面附近土體水平位移較大的原因。