海上風電高樁承臺基礎鋼管樁可打入性探析

張強林 方常芳 張祥龍

(中國電建集團福建省電力勘測設計院有限公司 福建福州 350000)

0 引言

高樁承臺基礎是目前福建海域最為常見的海上風電風機基礎形式之一。沉樁是高樁承臺現場施工第一步，后續無論是鉆孔施工、承臺施工都需要借助已完成沉樁的鋼管樁。如果沉樁未達到設計要求，則必須先對其進行施工處理，后續施工作業的開展也將受到極大影響。

進行高樁承臺基礎設計時，需要對樁的可打入深度和沉樁的難易程度進行預判，確定設計入土深度。如果低估沉樁難度，則可能導致鋼管樁無法沉至設計入土深度，需要增加鉆孔施工長度；如果高估沉樁難度，則鋼管樁雖已達到設計入土深度，但樁的貫入度偏大，樁端未達到致密土層，可能導致后續鉆孔施工極易出現塌孔、溜樁等施工問題。福建海域基巖起伏大，地質條件復雜，鋼管樁沉樁預判及控制成為設計、施工一道難題[1]。因此，有必要對于高樁承臺基礎鋼管樁可打入性進行分析研究。本文以福建某海上風電項目為依托，進行高樁承臺基礎鋼管樁可打入性分析。

1 可打入性分析原理

打樁過程中，打樁錘錘擊樁頂，沖擊能量以應力波波動形式自樁頂傳至樁底，該過程可用一維波動方程來描述。SMITH將整個打樁系統抽象化為由許多分離的單元所組成，樁錘、樁帽、錘墊、樁墊及樁身的彈性由無質量彈簧模擬，而各部分的質量由不可壓縮的剛性質塊代表。樁周土的彈性、塑性動阻力與靜阻力也分別用彈簧、摩擦鍵及緩沖壺來反映，如圖1所示。在此基礎上，采用差分法求解波動方程，在計算過程中將沉樁歷程分割成若干時間間隔Δt，并假定每Δt 時間內位移、力及速度等物理量均為一定值。打樁過程可采用式(1)的基本方程表述。

(1)

式中：d為位移；c為彈簧壓縮量；F為彈簧作用力；K為彈簧剛度；v為速度；R為樁周土阻力；W為樁單元質量；Z為樁加速度力；上標n為時間間隔序號；下標m為重塊、樁單元等序號[2]。

GRLWEAP軟件是目前最為常用的樁基可打入性分析軟件之一，分析程序主要基于SMITH模型工作，可以模擬沖擊或振動打樁機打入過程中樁的運動及受力情況[3-4]。本文采用GRLWEAP軟件進行鋼管樁可打入性分析研究。

圖1 GRLWEAP軟件計算原理示意圖

2 工程背景

福建某海上風電場工程，離岸13 km，理論水深15 m～25 m，計劃布置單機容量7MW風電機組。風機基礎型式采用高樁承臺基礎。

以其中某摩擦樁高樁承臺基礎為例，進行可打入性分析。該風機基礎設置8根鋼管樁，空間斜度5∶1。鋼管樁外徑2300 mm，壁厚30 mm，總長63.5 m，材質為Q355C，設計入泥深度34 m。該機位土層分布及地質參數如表1所示。

表1 土層分布及地質參數

3 可打入性分析模型

(1)錘模型：沉樁作業使用IHC S-800液壓錘，最大打擊能量800 kJ，沖程2.04 m，錘效0.95。

(2)樁模型：輸入材料參數及樁身幾何參數。

(3)靜土阻力模型：根據地質鉆孔資料及地勘提資地質參數，輸入土層信息。

(4)土動力參數：按軟件默認參數，樁端土阻尼取0.49 s/m，樁側土阻尼，砂土取0.16 s/m，粘土取值0.65 s/m[5]。

(5)沉樁過程：沉樁時，打入能量隨深度的變化情況與實際沉樁記錄應保持一致，以驗證可打入性分析模擬方法的準確性。

打樁系統模型如圖2所示。

圖2 打樁模型示意圖

4 可打入性分析結果與討論

4.1 可打入性分析初步模擬及討論

表2為初步模擬工況及實際沉樁結果統計表，圖3為無土塞工況與實際沉樁貫入度隨深度變化情況。在穩樁階段，軟件模擬的穩樁入土深度與實際基本一致，但實際沉樁時經過穩樁、壓錘及小能量初打后出現溜樁，溜樁長度約3.7 m，平均貫入度達452 mm/擊(異常值，在圖中貫入度范圍內未顯示)。溜樁階段對應入泥深度約為11 m～16 m，在鉆孔柱狀圖中對應地層為粉細砂層底部。在入土深度20 m～30 m范圍內，軟件模擬與實際沉樁貫入度基本一致，軟件模擬貫入度略小于實際，且波動性很小，貫入度隨入土深度增加均勻減小。在入土深度30 m以上，軟件模擬貫入度略高于實際沉樁，貫入度隨入土深度增加均勻減小，模擬的沉樁難度略低于實際，偏不保守。

表2 初步模擬工況及實際沉樁結果統計表

圖3 初步模擬工況與實際沉樁貫入度隨深度變化情況

實際沉樁的極限承載力、最大拉/壓應力、最大有效錘擊能量是由現場終錘高應變檢測得到的。由于檢測方法限制，難以得到具體極限側摩阻力和極限端承載力，僅能得到總極限承載力。與實際沉樁統計相比，軟件模擬的總錘擊數和最大有效錘擊能量較為接近，但極限承載力有較大差異，達20%左右。

一般來說，側摩阻力作用于樁壁的內、外兩側。樁總阻力包括樁外側摩阻力、樁端環形面積的端部支撐力以及樁內側摩阻力或者土塞端阻力，其中內側摩阻力和土塞端阻力應取兩者較小值。由于初步沉樁模擬時，未考慮樁端閉塞效應及內摩擦效應，在入土深度30 m以上模擬沉樁不保守以及終錘極限承載力差異，可能由此原因導致。

4.2 樁端閉塞效應模擬分析

在敞口鋼管樁沉樁入土一定深度后，樁內土體會在樁端淤積阻塞，形成具有一定端部承載力的土塞，使得鋼管樁豎向承載力增加，沉樁難度隨之上升?！洞a頭結構設計規范》(JTS 167-2018)中，鋼管樁軸向抗壓承載力設計值計算公式為：

(2)

式中：Qd——單樁軸向承載力設計值(kN)；

γR——單樁軸向承載力抗力分項系數；

U——樁身截面外周長；

qfi——單樁第i層土的極限側摩阻力標準值(kPa)；

li——樁身穿過第i層土的長度(m)；

η——承載力折減系數(表3)；

qR——單樁極限端阻力標準值(kPa)；

A——樁端外周面積(m2)。

(2)基準指代,與環境要素中的基準指代相似,是以先行要素為基準時間來確定照應要素的具體時間,例如“27日傍晚6時左右”←“隨后”.

表3 敞口鋼管樁樁端承載力折減系數η取值

②有經驗時可適當折減；

③若入土深度大于30 d或30 m，進入持力層深度大于5 d，可分別認為入土深度較大和進入持力層深度較大；

④本表不適用于持力層為風化巖層和密實砂層的情況；

⑤本表不適用于直徑大于2 m的樁。

⑥η取值根據樁徑、入土深度和持力層特性綜合分析。入土深度較大，進入持力層深度較大，樁徑較小時取大值，反之取小值。

從式(3)可以看出，樁端土阻力作用范圍不是樁端鋼環面積，而是樁端外周面積與折減系數η的乘積，折減系數η反應了樁端土塞程度?！逗Ｉ巷L電場工程風電機組基礎設計規范》(NB/T 10105-2018)中鋼管樁軸向抗壓承載力設計值計算公式與《碼頭結構設計規范》公式基本一致，但“η”表述為“樁端閉塞效應系數”，更加明確了樁端閉塞效應的影響。

對于直徑大于1.5 m、入土深度大于25 m的敞口鋼管樁，樁端承載力折減系數不超過0.25。由于本樁直徑為2.3 m，且樁端持力層為散體狀強風化層，故不適用于該表，但折減系數取值可作為參考。在臨近項目試樁工程報告中，打入樁樁端承載力折減系數約為0.35～0.45。但其試驗樁的直徑為1.9 m，小于本樁，可能造成閉塞效應更加顯著，且試樁報告中閉塞效應系數為復打及靜載試驗反算值，非初打結果。

圖4 不同閉塞效應系數模擬結果

表4 不同閉塞效應系數模擬及實際沉樁結果統計表

本算例中樁端不形成土塞時，樁端鋼環面積占樁端外徑對應圓面積約10%。綜合以上資料，樁端閉塞效應系數取0.15、0.25、0.35進行模擬，即按照形成土塞后樁端受力面積為0.15、0.25、0.35倍樁端外徑對應圓面積模擬閉塞效應?？紤]在入土深度10D時土塞開始形成，15D時土塞完全形成(D為樁外徑，下同)。

不同閉塞效應系數模擬結果如圖4所示。對比組為樁端無土塞無內摩擦的初步模擬結果?？梢钥吹?，樁端折減系數0.15、0.25、0.35與對照組在入土深度25 m以前，貫入度隨深度變化完全一致。在25 m之后則分為4支，其斜率隨樁端折減系數的增大而增大。終錘貫入度由對比組的4 mm/擊降低至1.6 mm/擊。

統計結果見表4，隨著閉塞效應系數增大，樁端實際受力面積擴大，極限端承載力隨著增大，總錘擊數及貫入度所反映的沉樁難度上升。與此同時，側摩阻力未發生變化。樁端折減系數0.25的極限承載力模擬結果與實際沉樁最為接近。

4.3 內摩擦效應模擬分析

根據周邊場址施工情況，沉樁完成后對樁內外泥面高程進行復測，樁內泥面高程往往與樁外泥面高程接近。即土壤在某種程度上仍然處于其原本位置，并能在貫入深度范圍內填滿樁內部，不隨沉樁過程一起移動。但是，隨著樁的打入，樁內土體被管樁所分割，失去與樁外土體的聯系。在此過程中，樁內土體還會受到樁壁的剪切及下部土體的壓縮、變形及應力狀態未知。

圖5 不同內摩擦效應作用范圍模擬結果

根據以往工程經驗，取自樁底端向上0.5D、1.0D、1.5D范圍內考慮內摩擦效應。內摩擦效應采用增大指定深度范圍內鋼管樁設計周長的方法模擬。

表5 不同內摩擦效應作用范圍模擬及實際沉樁結果統計表

不同內摩擦效應作用范圍模擬結果如圖5所示。對比組為樁端無土塞無內摩擦的情況。從圖上看，不同內摩擦效應作用范圍所對應的曲線形狀和趨勢基本一致，縱坐標相同，橫坐標呈平移變化趨勢。同一深度下，貫入度隨內摩擦效應作用范圍增加而減小。與閉塞效應對沉樁的影響是在樁端土塞開始形成以后發揮作用不同，內摩擦效應從沉樁初期到末期都對沉樁產生了影響，這是由于內摩擦效應作用范圍位于樁底導致。

統計結果如表5所示，隨著內摩擦效應作用范圍增加，樁側實際受力面積擴大，極側摩阻力隨著增大。較之樁端折減系數，總錘擊數及貫入度對內摩擦效應作用范圍的增加更為敏感。與此同時，側摩阻力未發生變化。相較而言，內摩擦效應作用范圍自樁底向上1.5D極限承載力模擬結果與實際沉樁最為接近。

4.4 不同樁端效應模擬結果討論

無土塞無摩擦工況模擬顯示沉樁難度略低于實際，同時終錘極限承載力小于實測值，對于沉樁難度估計略偏不保守。

綜合比較土塞效應和內摩擦效應兩種樁端承載效應模擬方法，在貫入度曲線圖中，土塞效應模擬方法與實際沉樁記錄符合性更好，沉樁初期和中期若考慮內摩擦效應，可能從貫入度和錘擊數兩方面高估實際沉樁難度。

在土塞效應模擬工況中，樁端折減系數0.15～0.25的貫入度曲線與實際沉樁記錄符合性更好，其中又以樁端折減系數0.25工況終錘極限承載力與實測值更為接近。

5 結論

本文依托福建某海上風電場項目資料及實際沉樁作業記錄，基于GRLWEAP軟件，對高樁承臺基礎鋼管樁沉樁可打入性進行分析，驗證了該軟件沉樁分析的可行性，可打入性分析結果能夠為基礎設計中預制樁樁長、樁底標高確定等過程提供依據。

可打入性分析初步結果表明，土塞的閉塞效應對于樁的可打入性有較大影響。本文根據場址實際沉樁記錄，參考相關規范及資料，針對端部開口樁端部土塞端阻力與內部摩擦力兩種效應進行比較研究，發現樁端土塞端阻力效應更適用于高樁承臺基礎鋼管樁可打入性分析模擬。針對該工程所采用的直徑約2 m，入泥長度約30 m的打入式鋼管樁，閉塞效應系數可取0.15～0.25，樁端進入持力層深度較大時，閉塞效應系數相應取大值。