某外海工程超長大直徑鋼管樁變形原因簡析與加強方案研究

徐定山，梁勝發，樂治齊

(1.江蘇省交通科學研究院股份有限公司，江蘇 南京 210017;2.中交第三航務工程局有限公司，上海200032;3.上海勘測設計研究院，上海 200434)

某外海工程超長大直徑鋼管樁變形原因簡析與加強方案研究

徐定山1，梁勝發2，樂治齊3

(1.江蘇省交通科學研究院股份有限公司，江蘇 南京 210017;2.中交第三航務工程局有限公司，上海200032;3.上海勘測設計研究院，上海 200434)

某外海工程在沉設超長大直徑鋼管樁施工過程中，發生鋼管樁在海床泥面附近嚴重變形的情況。通過對本工程超長大直徑鋼管樁產生變形的可能性原因進行分析，同時對其變形處局部加強處理方案進行一系列的研究論證，并對加強處理方案進行比選優化后，最后采用一可靠的加強處理方案。為類似工程避免發生此類質量事故和鋼管樁局部變形水下加強處理提供參考。

外海工程;鋼管樁;水下加強;水下灌漿

1 概述

1.1 工程簡況

本工程為一個近海風電場工程，該工程主要是風機下部支撐結構及其基礎的施工，風機基礎采用高樁混凝土承臺結構型式。風機基礎分為上下兩節，下節為直徑14.00 m，高度3.00 m的圓柱體，上節為上直徑11.00 m，下直徑14.00 m的圓臺體?；A混凝土強度等級為C45的高性能海工混凝土。每座風機基礎設置8 根直徑1.70 m 的鋼管樁，采用5.5∶1 的斜樁，樁頂高程 2.20 m，樁尖高程 －78.00 m，樁長 81.70 m，總重92.5 t。8根樁在承臺底面沿以承臺中心為圓心，半徑為5.00 m的圓周均勻布置。鋼管樁管材為Q345C，上段樁長32.70 m，管壁厚30 mm，下段樁長49.00 m，管壁厚25 mm。－30.00 m高程以上樁身內填灌C30混凝土。風機基礎混凝土承臺總體結構見圖1。

本工程施工區域為強潮海區，實測漲潮垂線最大流速為1.64～1.78 m/s，落潮垂線最大流速為1.50～1.68 m/s;大潮全潮平均流速為0.88 ～1.14 m/s，中潮為 0.78 ～1.02 m/s，小潮為0.80 ～0.94 m/s。潮流呈往復流，漲潮流主要方向為270°左右，落潮流方向為100°左右。本海域波浪以風浪以及風、涌兼具的混合浪為主，平均波高2.83 m，純涌浪出現頻率較低。本海域可謂是施工自然條件非常惡劣，正處于“風口浪尖”，亦正因為如此在該海域建造海上風電項目。

1.2 鋼管樁變形簡況

該鋼管樁的沉設采用目前國內最大的D220柴油錘進行沉樁施工，開錘時間8∶26，沉樁結束時間12∶07，歷時3 h41 min，沉樁期間停錘休息2次，累計沉樁時間2 h8 min，期間作高應變動力檢測試驗，累計錘擊數為4 480擊，鋼管樁樁尖沉至設計高程。

風機基礎所有的8根鋼管樁沉設完畢，并澆注鋼套箱封底混凝土，從這根樁沉設至準備鉆孔吸泥施工時間間隔76 d?，F場施工人員下放鉆頭準備開始鉆孔吸泥，當鉆頭下放到一定深度無法繼續下放，抽干樁內積水發現鋼管樁已變形。鋼管樁變形簡況:變形最大處距樁頂約12 m，距泥面約1.5 m，往樁上部分有2.0 m后變形基本恢復鋼管樁原形;變形后最小內徑為1.15 m，最大內徑為1.90 m。鋼管樁變形簡況見圖2。

圖1 風機基礎砼承臺總體結構示意Fig.1 Overall structure diagram of Concrete platform of wind power base

圖2 鋼管樁變形簡況示意Fig.2 Deformation of steel pipe pile

2 地質條件

本區第四紀以來構造活動以差異升降運動為主，沉積了巨厚的第四系松散堆積物。工程區處于長江下游三角洲沖積平原，地貌上屬潮坪區，基巖埋藏深，工程區未發現深大斷裂和活動性斷裂通過，本區屬于構造穩定區，區域構造穩定性較好。本海區海底較平緩，海底灘面高程在－10.00～－10.67 m，在潮流作用下以淤積為主，灘地表層主要為淤泥，局部夾薄層粉土。本工程區屬潮坪地貌類型。

本場地地基土層按地質時代、成因類型、土性的不同和物理力學性質的差異可分為7個大層，其中⑤層、⑦層各分為2個亞層，⑦中1層又分為2個次亞層。從勘探揭露的土層來看，第④層、第⑤中3層土及其以上土層為流塑或軟塑、高壓縮性的飽和軟粘土;第⑥層暗綠色粉質粘土，可塑～硬塑，中壓縮性，埋深淺;第⑦1-1層草黃色砂質粉土，局部夾薄層粘性土，呈中密狀態，中偏低壓縮性，標貫擊數平均值為30.8擊;第⑦1-2層粉砂，密實，中偏低壓縮性，標貫擊數平均值為44.1擊。

樁基持力層為⑦2-2層灰色粉細砂，層面高程－63.41～－70.80 m，厚度約11～24 m，密實，低壓縮性，標貫擊數平均值大于50擊，標貫擊數一般隨深度增大，且層位較穩定，厚度亦大，工程力學性質良好。從試樁情況結合地質分析，工程施工區域沉樁比較順利，不存在溜樁情況，但樁尖需要進入⑦2-2層，穿過工程力學性質良好土層的厚度大，沉樁的總錘擊數多，沉樁時間長。地基土各土層主要物理力學性質參數詳見表1。

表1 土層主要物理力學性質參數Tab.1 Main physical and mechanical parameters of soil

3 原因簡析

結合鋼管樁沉樁施工、鋼套箱安裝施工及封底混凝土施工等各施工工序，首先將鋼管樁變形原因的幾種可能性匯列如下［1-2］:

1)沉設該鋼管樁即將結束準備移船沉設下一根鋼樁時，替打、樁錘并未完全提升打樁船已開始移位，此時對鋼樁頂部施加很大拉力，致使鋼樁產生變形。

2)在沉設后續承臺樁時，在打樁船前沿的底部可能出現錨纜拌樁的情況，致使鋼樁變形。

3)鋼管樁制作質量可能存在瑕疵，在錘擊力循環作業下產生應力集中，導致屈服變形。

4)在沉樁余下幾米時，打樁船位置有所變化，打樁船錨纜并處于張緊狀態，纜繩對樁頂施加水平拉力，鋼管樁嵌固點以上自由段彎曲變形;打樁錘在偏離樁軸線的狀態下繼續施打鋼管樁，導致鋼管樁屈服變形。

現對以上所列的鋼管樁產生變形的可能原因進行分析:

針對第1)、2)條所述的打樁船移船對樁頂施加拉力導致鋼樁產生變形，據此對樁頂施加的拉力大小進行計算:最大變形處彎矩，代入相關數據計算得最大變形處彎矩為M=22.28×106N·m;將鋼管樁簡化為懸臂梁，則樁頂至少需施加的拉力為1 856.5 kN才可使距離樁頂12 m處鋼管樁變形。當施加拉力達到1 856.5 kN打樁船錨纜絞車早已超過承載能力極限狀態，單機絞車承受最大拉力450 kN，假定2根錨纜同時受力承受最大拉力亦為900 kN，故第1)、2)條所述的原因是根本不存在的。

對于第3)、4)條，通過對打樁船的沉樁施工過程記錄(見表2)進行分析研究，初步認為該鋼管樁產生變形主要原因是:在打樁做動測時余下最后5.2 m時，打樁船錨位向后有所移位，打樁船錨纜并處于張緊狀態，纜繩對樁頂施加水平拉力，鋼管樁嵌固點以上自由段彎曲變形，打樁錘在偏離樁軸線的狀態下繼續施打鋼管樁，致使鋼管樁屈服變形。對此變形過程分析計算如下。

將鋼管樁受力計算圖式簡化為懸臂梁，泥面以上樁長為13.5 m，假定鋼管樁嵌固點深度為4倍樁徑即為7.0 m，故計算長度以L=20.5 m計。鋼管樁在樁頂錨纜水平拉力作業下，按2根纜繩同時受力并考慮0.85的折減系數即樁頂水平拉力F=0.85×450×2=765 kN;在此狀態下樁頂最大撓度值194.30 mm，水平拉力作用下最大彎矩值M1=FL=15 682.50 kN·m，打樁錘在偏離樁軸線的狀態下繼續施打，D220筒式柴油打樁錘作用于樁頂上的最大爆炸力N=6 200 kN，此時產生彎矩近似值M2=Nwmax=1 204.66 kN·m，根據鋼結構設計規范相關公式并代入有關數據，鋼管樁最大應力值σ=261.52 MPa。

根據上述計算結果可知，鋼管樁最大應力值并未達到Q345鋼板屈服強度值，但導致鋼管樁最終屈服變形主要原因是鋼管樁樁身彎曲變形，打樁錘在偏離樁軸線的狀態下繼續錘擊，從表2可以看出“第二次停錘休息”時的累積錘擊數3 509擊到“沉樁結束”的4 480擊連續971擊;在非常狀態下如此高錘擊數的情況，同時鋼管樁制作質量可能存在瑕疵產生應力集中，以至于使鋼管樁最終屈服變形。

表2 鋼管樁沉樁施工過程記錄一覽表Tab.2 List of process records for steel pipe pile

4 加強處理方案

根據鋼管樁實際變形情況及承臺施工所處階段，施工方會同業主、設計、監理對此進行討論研究變形鋼管樁加強處理方案，并進行相關論證;主要從鋼管樁的內部和外部兩方面進行相應加強處理，尤其對于鋼管樁變形處的外部加強處理方案至關重要，關系到風機運行期間的結構安全性。

4.1 內部加強

鋼管樁變形后對整座風機基礎的影響程度進行分析計算，同時根據以往工程施工經驗，對變形鋼管樁的內部采取相應的加強措施:一是將鋼管樁內部樁芯鉆孔吸泥深度有原設計鉆至－30.0 m高程增加至－37.00 m高程［3］;二是變形位置以上的樁芯鋼筋籠按原設計施工，變形位置以下樁芯鋼筋籠按實測外形布置主筋，同時在變形范圍內增設一根直徑900 mm，長度4 500 mm，壁厚25 mm鋼管并與主筋牢固連接。鋼管樁內部加強結構見圖3。

圖3 變形鋼管樁內部加強結構示意Fig.3 Internal strengthening structure diagram of deformed steel pipe pile

4.2 外部加強

對于變形鋼管樁外部的加強方案，根據風機基礎砼承臺已澆注成型的現實情況，現場項目部在公司技術部門的指導下擬對其采用水下加強措施［4-5］?？傮w思路為首先在變形附近一定范圍內形成與鋼管樁等強度的人工腔體，然后在其腔體內水下高壓灌注水下固化高強度化學漿料，以形成與鋼管樁本體緊密連接的統一體。下面詳細地闡述鋼管樁變形處外部加強實施方案的形成過程。

根據加強方案的總體思路，采取事先制作材質與鋼管樁本體一致Q345C橄欖球形鋼護筒，分成2片制作，2片鋼護筒之間用8.8級M36承壓型高強度螺栓連接，鋼護筒總長度為7 100 mm，壁厚20 mm，鋼護筒與鋼管樁外側壁間隙采用高強度水下固化環氧混凝土填滿。鋼護筒上下端部與鋼管樁外壁均采用水下濕式焊接工藝，并設置環形勁板，同時采用開設豎向長圓形塞焊縫槽來增加焊縫長度以提高鋼護筒與鋼管樁連接質量，豎向長圓形塞焊縫槽布置型式見圖4。鋼護筒內壁及鋼樁外壁可布置適當數量的II級螺紋鋼筋，以提高鋼管樁本體與鋼護筒之間的握裹力見圖5。

圖4 鋼護筒端部原焊縫型式(豎向)Fig.4 The original weld type(vertical)of steel casing end

圖5 變形鋼管樁外部加強結構Fig.5 External strengthening structure plan of deformed steel pipe pile

4.3 加強方案強度分析

針對本鋼管樁變形處外部處理方案，運用ANSYS軟件建立數學模型對加強后鋼管樁本體及其橄欖球形鋼護筒進行三維有限元分析計算，驗證加強方案的可行性，并根據計算結果進行相應的方案優化設計。

鋼管樁和外部鋼護管使用既具有彎曲能力又具有膜力能力的彈性殼單元shell63模擬，中間的填充材料使用三維等參8節點六面體實體單元solid45模擬。鋼材與環氧混凝土均使用線彈性材料，鋼管樁凹陷變形處使用理想彈塑性材料(屈服極限345 MPa)，鋼護筒與鋼管樁本體之間的水下濕式焊接連接采用節點耦合方式建立有限元數學模型。鋼材與環氧混凝土具體材料參數見表3。計算模型的鋼管樁長度采用嵌固點法計算，鋼管樁計算長度至泥面以下10 m，嵌固點處為固定約束。計算時分別將產生最大拉應力和最大壓應力的計算工況產生的樁頂彎矩(MT=11 349.7 kN·m，MS= －11 258.4 kN·m)、剪力(VT=312 kN，VS=－317.8 kN)和軸力(NT=7 873.5 kN，NS=－8 544 kN)作為力邊界條件作用于鋼管樁頂。

表3 材料參數表Tab.3 Material Parameters

加強鋼護筒壁厚20 mm時，在端部豎向塞焊縫尖端產生應力集中，應力值高達549 MPa，見圖6(a)，且應力集中區連成片，不能滿足要求;加強鋼護筒壁厚增加厚至25 mm，在豎向塞焊縫尖端應力集中仍高達428 MPa，見圖6(b)，將端部塞焊縫的布置型式調整為水平環向塞焊縫，以減小應力集中，同時將鋼護筒壁厚增加至30 mm(考慮腐蝕余量)，水平環向長圓形塞焊縫槽布置型式見圖7。鋼護筒結構優化后，經計算鋼管樁本體最大應力239 MPa，見圖8;加強鋼護筒最大應力262 MPa，見圖9，均滿足要求。

因環氧混凝土與鋼材間的粘結、接觸等相關技術參數不能確定，計算結果并未考慮空腔內的高強度化學漿料的作用;但根據觀測數據與風機運行的實際情況，可以推定在外部鋼護筒與鋼管樁本體間的腔體內灌注高強度化學漿料是十分必要與有效的，為加強結構安全留有足夠裕度。

圖6 原加強方案鋼護筒應力圖Fig.6 Stress diagram of the original program to strengthen steel casing

圖8 優化方案鋼管樁應力圖Fig.8 Steel pipe pile stress diagram of optimization program

圖9 優化方案鋼護筒應力圖Fig.9 Steel casing stress diagram of optimization scheme

5 建議與結論

1)施工必須嚴格按照上述加強方案實施，尤其要保證鋼護筒端部水下濕式焊接質量，并進行水下焊接試驗，為連接設計提供可靠參數。

2)變形鋼管樁加固完成后，犧牲陽極由原單根鋼管樁設置2塊125 kg高效鋁合金陽極塊增至4塊等規格的高效鋁合金陽極塊，以降低該鋼管樁的腐蝕速率。

3)配置高強度的水下固化環氧混凝土，并采用水下高壓灌漿施工工藝，以提高鋼管樁與鋼護筒間隙內固化后灌漿料的高密實性、高強度性，尤其有利于提高抗折強度(根據試驗7 d的抗折強度≥15 MPa)。

4)鋼管樁凹陷側外部可考慮縱向焊接3根長度L=3 500 mm12.6#工字型鋼，以提高此薄弱處剛度及其握裹效果。

5)鋼管樁變形加固2009年6月現場施工結束，并2010年11月整個風電場并網發電至今該基樁所在風機基礎運行一切正常，其風機運行時振動頻率、振幅、基礎位移、沉降等均滿足設計要求。

［1］徐維鈞.樁基施工手冊［M］.北京:人民交通出版社，2007:415-426.

［2］胡曉倫，楊江虎.杭州灣大橋鋼管樁沉樁施工工藝［J］.橋梁建設，2006(1):52-55.

［3］交通部第一航務工程勘察設計院.海港工程設計手冊(下冊)［M］.北京:人民交通出版社，1996:79-198.

［4］GB50017-2003，鋼結構設計規范［S］.2003.

［5］JGJ82-91，鋼結構高強度螺栓連接的設計、施工及驗收規程［S］.1991.

Deformation analysis of a long large-diameter steel pipe pile and its strengthening plan

XU Ding-shan1，LIANG Sheng-fa2，LE Zhi-qi3
(1.Jiangsu Transportation Research Institute Co.，Ltd.，Nanjing 210017，China;2.CCC Shanghai Port Construction Co.，Shanghai 200032，China;3.Shanghai Investigation Design＆ Research Institute，Shanghai 200434，China)

In the construction process of a long large-diameter steel pipe pile，the steel pipe pile in the vicinity of the seabed soil has a serious accident deformation.The purpose of this paper is to make an analysis of various possibilities of the deformation and at the same time to conduct a series of feasibility studies to enhance the treatment of the deformed pipe line，and to finally adopt a reliable strengthening plan.It is hoped that this paper can give some beneficial ideas to similar projects to avoid such accidents and improve the quality of underwater steel pipe piles.

off work;steel pipe pile;underwater strengthening;underwater grouting

TU473

A

1005-9865(2012)02-0136-07

2011-08-17

徐定山(1977－)，男，浙江衢州人，工程師，主要從事港口航道與海岸工程項目管理與設計研究。E-mail:xudingshan738@163.com