海上風電大直徑超長樁側(cè)阻力抗拔折減系數(shù)試驗研究

蘇昕，劉釗，申志超，紀文利

（中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

樁基礎是海上風機最常用的基礎形式之一，可分為單樁基礎和群樁基礎[1]。由于惡劣的自然環(huán)境和工作條件，風電樁基礎承受著較大的荷載，大直徑超長鋼管樁開始出現(xiàn)在海上風電項目中[2-3]。在群樁基礎的單樁設計上要求具有很大的抗拔承載力，這往往是決定樁長的控制因素。我國港口工程樁基規(guī)范[4]的承載力經(jīng)驗參數(shù)法對樁基抗拔承載力的計算做出了規(guī)定，采用側(cè)阻力抗拔折減系數(shù)ξ（抗拔側(cè)阻力/抗壓側(cè)阻力）考慮側(cè)阻力，該系數(shù)為側(cè)摩阻力相比于抗壓承載，在抗拔承載中的降低程度。現(xiàn)行規(guī)范中對ξ的推薦值沿用了98版港口工程樁基規(guī)范[5]的推薦值，是基于黏性土35根、砂土6根抗拔樁試樁資料提出的。由于樁基的大型化及海上地質(zhì)條件的差異化，規(guī)范中推薦的折減系數(shù)對海上風電大直徑超長鋼管樁是否仍然適用，是個值得探討的問題。因此，研究大直徑超長樁的抗拔承載力具有較大的現(xiàn)實意義。

陳岳林等[6]通過抗壓與抗拔靜載試驗對陸上直徑為0.8 m的長樁開展研究，分析抗拔折減系數(shù)沿樁入土深度的變化規(guī)律，并提出用規(guī)范提供的抗拔折減系數(shù)及抗壓試驗數(shù)據(jù)推算抗拔極限承載力可能使設計偏不安全。朱光裕等[7]對陸上工程不同類型小直徑樁基的側(cè)阻力抗拔折減系數(shù)進行研究并與規(guī)范推薦值進行對比，認為規(guī)范取值對于黏土中的長樁是偏于安全的，而對于砂性土中的短樁可能偏于危險。王向軍等[8]采用解析方法研究了樁的長徑比、樁的泊松比和土的壓縮模量等因素對樁的側(cè)阻力抗拔折減系數(shù)的影響。張繼紅和朱合華[9]建立了可考慮應力釋放對抗拔樁側(cè)阻力影響的抗拔承載極限平衡狀態(tài)方程，針對大型抗拔鋼管樁靜載荷試驗對比了規(guī)范法計算結(jié)果、所提極限平衡法計算結(jié)果和實測值，比較結(jié)果顯示規(guī)范法計算結(jié)果大約為實測值的1.5倍，而所提方法計算結(jié)果與實測值較為吻合。孫冶默[10]等2018年基于現(xiàn)場試驗對陸上小直徑灌注樁的抗拔折減系數(shù)進行了研究并與相關(guān)規(guī)范進行了對比。目前，還未發(fā)現(xiàn)相關(guān)文獻通過靜載試驗的方法研究海上大直徑超長鋼管樁的側(cè)阻力抗拔折減系數(shù)。

1 依托工程概況

本工程風電場場址中心距離岸線約16 km，場址距離曹妃甸港約27 km，風電場北段距岸線約11 km，南側(cè)距京唐港—天津新港航道約6.8 km。先期建設6臺試驗風機，編號分別為49～54號。本次樁基靜載試驗試驗樁分別涉及編號為SZ1（49號機位）和SZ2（54號機位）的鋼管樁。

1.1 地質(zhì)情況

2個試驗機組的地質(zhì)資料見表1。

1.2 樁型及施打情況

采用外徑為2.0 m的鋼管樁作為工程樁及試驗樁，樁位見圖1，鋼管樁上部壁厚30 mm，中部壁厚25 mm，底部壁厚22 mm，并在樁頂及樁底設置有加強鋼板。其中工程樁為5∶1斜樁，試驗樁為直樁。2根試驗樁的實際沉樁情況見表2。

表1 風機位置地質(zhì)情況Table1 Geologicalconditionat thepositionof windturbine

圖1 工程樁、試驗樁編號及其相對位置示意圖Fig.1 Numbers and relative positions of engineering piles and testing piles

表2 樁長及打樁情況匯總Table 2 Summary of pile length and pile driving

2 試驗研究

2.1 試驗設計

1）加載設備及加載方式

本次試驗采用錨樁法，為滿足試驗需求設計了1套鋼梁及鋼拉帽作為反力結(jié)構(gòu)，用千斤頂施加荷載。荷載值用千斤頂?shù)臉藴蕢毫Ρ砜刂疲簧习斡^測采用量程為50 mm的高精度容柵式位移傳感器，借助基準梁進行量測，采用全自動靜力載荷測試系統(tǒng)進行顯示并記錄上拔值。試驗裝置示意如圖2。

圖2 試驗裝置示意Fig.2 Testing apparatus

2）傳感器布設

本工程采用電阻應變式傳感器進行不同土層側(cè)摩阻力測試。

為得到不同土層的極限側(cè)摩阻力標準值，根據(jù)地質(zhì)情況，每根試驗樁布置不同測試斷面，取土層分界面高程作為傳感器布設的參考值，見表1，各土層分界面布設傳感器，較厚的土層內(nèi)部根據(jù)實際情況也布設傳感器，泥面以上布設1組傳感器作為標定斷面[11]，每個斷面按軸心對稱布設2個應變傳感器，應變傳感器焊接于鋼管樁內(nèi)壁，對應變傳感器及其線纜采用保護槽加以保護。

2.2 試驗數(shù)據(jù)及分析

經(jīng)過試驗測得，SZ1試驗樁的軸向抗壓極限承載力為38 323 kN，其中側(cè)阻力為32 248 kN，端阻力為6 075 kN；SZ2試驗樁的軸向抗壓極限承載力為34 500 kN，其中側(cè)阻力為31 391 kN，端阻力為3 109 kN。SZ1試驗樁的軸向抗拔極限承載力為16 500 kN，側(cè)阻力抗拔折減系數(shù)為0.51；SZ2試驗樁的軸向抗拔極限承載力為21 000 kN，側(cè)阻力抗拔折減系數(shù)為0.67。各土層的側(cè)阻力抗拔折減系數(shù)與港口工程樁基規(guī)范[4]推薦值的對比見表3。由此可見SZ1、SZ2各土層分層側(cè)阻力抗拔折減系數(shù)明顯低于規(guī)范推薦值。所以在根據(jù)規(guī)范[4]采用承載力經(jīng)驗參數(shù)法確定海上大直徑超長樁的抗拔承載力時需要特別注意側(cè)阻力抗拔折減系數(shù)的取值問題，根據(jù)規(guī)范推薦值計算抗拔承載力可能會得到偏危險的結(jié)果。

表3 各土層分層側(cè)阻力抗拔折減系數(shù)與規(guī)范推薦值對比Table 3 Comparison of uplift reduction coefficient of shaft resistance between testing results and suggested value in code for different soil layers

3 結(jié)語

本文對海上風電大直徑超長鋼管樁的抗拔折減系數(shù)開展了試驗研究，根據(jù)試驗得到的各土層側(cè)阻力抗拔折減系數(shù)幾乎都小于規(guī)范推薦值。根據(jù)規(guī)范采用承載力經(jīng)驗參數(shù)法確定海上大直徑超長樁的抗拔承載力時尤其需要注意側(cè)阻力抗拔折減系數(shù)的取值問題，根據(jù)規(guī)范推薦值計算抗拔承載力可能會得到偏危險的結(jié)果。