海上風電大型鋼管嵌巖樁基礎施工和試驗研究

時閩生，孫言茂，黎雙邵，紀文利（.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津　300；.中國港灣工程有限責任公司，北京　0007）

海上風電大型鋼管嵌巖樁基礎施工和試驗研究

時閩生1，孫言茂2，黎雙邵1，紀文利1
（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津300222；2.中國港灣工程有限責任公司，北京100027）

摘要：針對國內大型海上風電基礎施工經驗較少的現狀，對福建南日島海上風電首批樣機大直徑鋼管樁施工進行了完整的模擬、監測和試驗，涉及粉土、砂和強風化巖等地質條件，包含摩擦型和嵌巖型鋼管混凝土樁兩種類型。計算了超大型打樁設備MENCK800s及多種樁錘的施工過程，根據基礎形式設計成獨特的整體錨拉靜載試驗方案，取得了近海風電打樁模擬分析、施工性能監測、承載特征驗證等成果，驗證鋼管樁和鋼管混凝土樁的使用差別，總結了大型海上風電基礎施工的設備需求和施工工藝。

關鍵詞：海上風電；嵌巖樁；打樁模擬；監測；靜載試驗；基礎施工

據圓園員猿年底的統計數據，中國海上風電裝機容量僅源圓愿MW，占風電總裝機容量約園.緣豫，隨著陸上優質風場占用殆盡，未來風電項目將大量向近海發展。目前國內大型風電項目的建設還處于經驗積累期，特別是海上風電基礎施工，存在荷載工況復雜，施工設備要求高，工藝復雜等困難。常規海上風電基礎類型可分為重力式基礎和樁基礎，樁基礎又分為單樁和群樁基礎[1]。過去，風電渦輪機較小的情況下重力式基礎和單樁基礎使用廣泛，但隨著近年風電機組日趨大型化，更多情況要求使用大型群樁基礎才能滿足使用需求。

福建南日島海上風電項目是近年來為數不多的近海大型風電項目，工程位于莆田市南日島東北側海域，先期開展首批2臺樣機工程，單機容量4.0 MW，采用1.8 m大直徑鋼管樁基礎。為了選擇適合該工程建設條件的基礎形式和施工方案，首批樣機工程的基礎施工進行了詳盡的施工監測和試驗。

1　概況

現場樣機基礎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根直樁試驗樁，共2組施工樁組，統一編號為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。

試樁和地質參數詳見表1。

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

2　施工模擬

擬打入大型鋼管樁的場地地質復雜，且初估的抗壓極限承載力在22 000 kN以上，評估認為打樁難度高，需要進行施工模擬，以避免施工失誤引起經濟和工期損失。

總結大型海上打入樁的施工模擬技術，主要分為三類：1）規范經驗選定[2]，依據地質條件和設計承載力，擬定貫入度并確定樁錘和能量，其缺點是無法模擬過程，不能計算錘擊總數，且經驗限于D160柴油錘級別以下錘型，不適用更大型樁。2）打樁公式法，以海利公式（HILEYFormula）為代表的簡單公式計算法，其缺點是不考慮地質情況，且經驗有效性限于小型樁。3）可打性分析法，2000年后隨著一維桿件模型波動平衡方程理論以及計算機技術的成熟，以GRLWEAP為代表的軟件可打性分析技術大幅發展，通過模擬打樁過程可以實現選錘、打擊模擬、應力計算、過程分析等功能，國內在以中小型錘擊設備為主的碼頭工程中已經應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，結合地質分層特點模擬了各種常見錘形在G1樁組和G2樁組的打樁施工，發現D250柴油錘及以下設備無法滿足G1樁組打入碎裂強風化層11.5 m的打樁施工要求，即國內碼頭水工項目常用的錘形D80至D180柴油錘（300 kJ級液壓錘）無法適應厚強風化層的大直徑樁打入施工，后改用大型設備MENCK800s液壓錘計算，獲得了滿意的結果。對于G2樁組的施工難度低，D250即可滿足要求。模擬計算結果匯總于表2。

表2　施工模擬主要結果Table 2　Main results of construction simulation

以G1工況為對象的施工模擬見圖1。發現對于碎裂強風化巖層超過6 m則施打難度較大，特別是海上風電的大型鋼管樁，應選用更高級別的大型錘擊設備，在此種情況下使用打樁船施工不能完成全部工作，選用平臺吊打的方式施工則更經濟。

3　打樁施工監測

根據實際工程情況，主要的監控內容包括：打樁能量，樁最大壓應力，管端部變形，樁疲勞扭曲等。

在實際沉樁過程中，對錘擊能量、錘擊偏心情況以及樁身錘擊應力進行大量監測，具體操作方法是采用樁基動力測試儀器，在距離樁頂2倍樁徑位置上對稱安裝2個加速度計和2個應變計，伴隨打樁過程中同步測試動態的加速度a和應變著，計算得到實時樁頂速度和力曲線，通過CASE法計算出實時的各種性能參數和樁身完整性[4]。

圖1　碎裂強風化層沉樁模擬Fig.1　Pile driving simulation of cataclastic strong-weathered layer

按設計要求G1樁組內的多根樁進行了打樁全過程監測，主要監測了D180、D250柴油錘和MENCK800s液壓錘的打樁性能表現，將G1和G2樁組中各測試樁的終錘貫入度和能量關系統一繪入圖2，可以看到貫入度接近的情況下不同打樁設備存在較大的能量差異，在貫入度類似的情況下，樁承載力與打樁傳遞能量存在正向相關性。

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

對G1組內的2根典型樁進行測試，其中1根樁先采用D250柴油錘三檔打設，后改為四檔打設；另1根樁在D250打設困難的情況下使用MENCK800s液壓錘沉樁。打樁過程中樁身完整。

通過測試得出結論：1）只有MENCK800s液壓錘才具備較厚碎裂強風化土層打設大直徑樁基的施工能力。2）隨著地質土層承載力的提高，最大錘擊力有逐漸增大趨勢。3）連續錘擊時間過長會導致柴油錘的錘擊性能下降。4）MENCK800s液壓錘設定錘擊檔位后，實際能量先逐漸增大超過設定值，然后逐漸回落至設定值。5）MENCK800s液壓錘的能量傳遞效率遠超柴油錘，可達到80%以上。

樁端土閉塞效應：根據復打的樁基動力測試結果，將G1和G2樁組在打樁休止后承載力與地勘報告推薦值相比，得出G1和G2樁組的樁端閉塞效應系數姿p在0.34～0.36之間。

區域土體恢復系數：由于打樁時土體受到擾動，故初打樁時實測的靜阻力偏低，經“休息”后樁周的土體恢復并接近長期的土阻力，通過初打和復打的樁基動力測試結果發現G1和G2試樁區域土體恢復系數約為1.3。

4　承載力試驗

4.1試樁設計

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

對已施工的鋼管混凝土嵌巖樁和普通鋼管樁基礎進行單樁抗壓、抗拔和水平抗力試驗，并在鋼管樁內安裝多組應變傳感器測試樁土阻力情況。

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，基于經濟和效率因素，將靜載反力設計成整體錨拉系統，即將外圍8群斜樁整體焊接連接為1個框架結構（內部井字，外圍環形），再將框架結構與多層反力梁對稱拉結提供試驗荷載，借助對稱布置抵消水平向力。試樁設計方案如圖3。

4.2試驗成果

靜載荷試驗方法全部采用快速維持荷載法[5]。分別對G1和G2試樁進行單樁軸向抗壓靜載荷試驗，均加載至22 000 kN，沉降分別為53.7 mm和21.3 mm。分別對G1和G2試樁進行單樁軸向抗拔靜載荷試驗，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于普通鋼管樁。

水平靜載荷試驗，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隨深度增長的比例系數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似的情況下，水平試驗結果差異顯著，主要因為鋼管混凝土的樁身剛度明顯增加，能將水平力傳導到較深的土層。同時也證明對自由段較長的樁，水平地基反力系數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

樁身應力應變測試。對于G1試樁和G2試樁進行了靜載分層土摩阻力測試，發現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似；在樁下部因為鋼管混凝土嵌巖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　結語

對于海上風電項目，大型樁基礎的打樁施工模擬非常有必要，可以確保工程順利開展。大直徑鋼管樁打入超過6 m以上厚度的散裂狀強風化巖層，應選用性能優于D250錘的設備進行施工，并且可以采用平臺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大幅提升水平剛度，利于控制風機水平位移，性能優勢明顯。

參考文獻：

[1]MALHOTRA S.Selection,design and construction of offshore wind turbine foundations[M]//AL-BAHADLY I.Wind turbines.InTech, 2011:231-263.

[2]JTS 167-4—2012，港口工程樁基規范[S]. JTS167-4—2012,Codefor pilefoundationof harborengineering[S].

[3] 劉永鋒.用波動方程法選擇樁錘和打樁系統[J].中國港灣建設，2002（3）：33-36. LIU Yong-feng.Selection of pile driver hammer and pile driving system with wave equation method[J].China Harbour Engineering, 2002（3）:33-36.

[4]LIKINS G,PISCSALKO G,RAUSCHE F.Monitoring quality assur原ance fordeepfoundations[M]//DI-MAGGIO J A,HUSSEIN Mohamad H.Current practices and future trends in deep founda原tions.ASCE,2004:222-238.

[5]JTJ 255—2002，港口工程基樁靜載荷試驗規程[S]. JTJ 255—2002,Specification for testing of pile under static load in harbor engineering[S].

E-mail：39538399@qq.com

中圖分類號：U655.55

文獻標志碼：A

文章編號：2095-7874（2016）01-0032-05

doi：10.7640/zggwjs201601008

收稿日期：2015-06-24修回日期：2015-11-30

作者簡介：時閩生（1981— ），男，河北唐山市人，工程師，研究方向為結構工程，港工建筑物實體、基礎檢測等。

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