海上風(fēng)電高樁承臺(tái)基礎(chǔ)鋼管樁可打入性探析

張強(qiáng)林 方常芳 張祥龍

(中國(guó)電建集團(tuán)福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司 福建福州 350000)

0 引言

高樁承臺(tái)基礎(chǔ)是目前福建海域最為常見的海上風(fēng)電風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式之一。沉樁是高樁承臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)施工第一步，后續(xù)無(wú)論是鉆孔施工、承臺(tái)施工都需要借助已完成沉樁的鋼管樁。如果沉樁未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，則必須先對(duì)其進(jìn)行施工處理，后續(xù)施工作業(yè)的開展也將受到極大影響。

進(jìn)行高樁承臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)樁的可打入深度和沉樁的難易程度進(jìn)行預(yù)判，確定設(shè)計(jì)入土深度。如果低估沉樁難度，則可能導(dǎo)致鋼管樁無(wú)法沉至設(shè)計(jì)入土深度，需要增加鉆孔施工長(zhǎng)度；如果高估沉樁難度，則鋼管樁雖已達(dá)到設(shè)計(jì)入土深度，但樁的貫入度偏大，樁端未達(dá)到致密土層，可能導(dǎo)致后續(xù)鉆孔施工極易出現(xiàn)塌孔、溜樁等施工問題。福建海域基巖起伏大，地質(zhì)條件復(fù)雜，鋼管樁沉樁預(yù)判及控制成為設(shè)計(jì)、施工一道難題[1]。因此，有必要對(duì)于高樁承臺(tái)基礎(chǔ)鋼管樁可打入性進(jìn)行分析研究。本文以福建某海上風(fēng)電項(xiàng)目為依托，進(jìn)行高樁承臺(tái)基礎(chǔ)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(yīng)力波波動(dòng)形式自樁頂傳至樁底，該過程可用一維波動(dòng)方程來(lái)描述。SMITH將整個(gè)打樁系統(tǒng)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(wú)質(zhì)量彈簧模擬，而各部分的質(zhì)量由不可壓縮的剛性質(zhì)塊代表。樁周土的彈性、塑性動(dòng)阻力與靜阻力也分別用彈簧、摩擦鍵及緩沖壺來(lái)反映，如圖1所示。在此基礎(chǔ)上，采用差分法求解波動(dòng)方程，在計(jì)算過程中將沉樁歷程分割成若干時(shí)間間隔Δt，并假定每Δt 時(shí)間內(nèi)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(zhì)量；Z為樁加速度力；上標(biāo)n為時(shí)間間隔序號(hào)；下標(biāo)m為重塊、樁單元等序號(hào)[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(dòng)打樁機(jī)打入過程中樁的運(yùn)動(dòng)及受力情況[3-4]。本文采用GRLWEAP軟件進(jìn)行鋼管樁可打入性分析研究。

圖1 GRLWEAP軟件計(jì)算原理示意圖

2 工程背景

福建某海上風(fēng)電場(chǎng)工程，離岸13 km，理論水深15 m～25 m，計(jì)劃布置單機(jī)容量7MW風(fēng)電機(jī)組。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)型式采用高樁承臺(tái)基礎(chǔ)。

以其中某摩擦樁高樁承臺(tái)基礎(chǔ)為例，進(jìn)行可打入性分析。該風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)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(zhǎng)63.5 m，材質(zhì)為Q355C，設(shè)計(jì)入泥深度34 m。該機(jī)位土層分布及地質(zhì)參數(shù)如表1所示。

表1 土層分布及地質(zhì)參數(shù)

3 可打入性分析模型

(1)錘模型：沉樁作業(yè)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(shù)及樁身幾何參數(shù)。

(3)靜土阻力模型：根據(jù)地質(zhì)鉆孔資料及地勘提資地質(zhì)參數(shù)，輸入土層信息。

(4)土動(dòng)力參數(shù)：按軟件默認(rèn)參數(shù)，樁端土阻尼取0.49 s/m，樁側(cè)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(shí)，打入能量隨深度的變化情況與實(shí)際沉樁記錄應(yīng)保持一致，以驗(yàn)證可打入性分析模擬方法的準(zhǔn)確性。

打樁系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖2 打樁模型示意圖

4 可打入性分析結(jié)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(shí)際沉樁結(jié)果統(tǒng)計(jì)表，圖3為無(wú)土塞工況與實(shí)際沉樁貫入度隨深度變化情況。在穩(wěn)樁階段，軟件模擬的穩(wěn)樁入土深度與實(shí)際基本一致，但實(shí)際沉樁時(shí)經(jīng)過穩(wěn)樁、壓錘及小能量初打后出現(xiàn)溜樁，溜樁長(zhǎng)度約3.7 m，平均貫入度達(dá)452 mm/擊(異常值，在圖中貫入度范圍內(nèi)未顯示)。溜樁階段對(duì)應(yīng)入泥深度約為11 m～16 m，在鉆孔柱狀圖中對(duì)應(yīng)地層為粉細(xì)砂層底部。在入土深度20 m～30 m范圍內(nèi)，軟件模擬與實(shí)際沉樁貫入度基本一致，軟件模擬貫入度略小于實(shí)際，且波動(dòng)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(shí)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(shí)際，偏不保守。

表2 初步模擬工況及實(shí)際沉樁結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

圖3 初步模擬工況與實(shí)際沉樁貫入度隨深度變化情況

實(shí)際沉樁的極限承載力、最大拉/壓應(yīng)力、最大有效錘擊能量是由現(xiàn)場(chǎng)終錘高應(yīng)變檢測(cè)得到的。由于檢測(cè)方法限制，難以得到具體極限側(cè)摩阻力和極限端承載力，僅能得到總極限承載力。與實(shí)際沉樁統(tǒng)計(jì)相比，軟件模擬的總錘擊數(shù)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(dá)20%左右。

一般來(lái)說，側(cè)摩阻力作用于樁壁的內(nèi)、外兩側(cè)。樁總阻力包括樁外側(cè)摩阻力、樁端環(huán)形面積的端部支撐力以及樁內(nèi)側(cè)摩阻力或者土塞端阻力，其中內(nèi)側(cè)摩阻力和土塞端阻力應(yīng)取兩者較小值。由于初步沉樁模擬時(shí)，未考慮樁端閉塞效應(yīng)及內(nèi)摩擦效應(yīng)，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?qū)е隆?/p>

4.2 樁端閉塞效應(yīng)模擬分析

在敞口鋼管樁沉樁入土一定深度后，樁內(nèi)土體會(huì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTS 167-2018)中，鋼管樁軸向抗壓承載力設(shè)計(jì)值計(jì)算公式為：

(2)

式中：Qd——單樁軸向承載力設(shè)計(jì)值(kN)；

γR——單樁軸向承載力抗力分項(xiàng)系數(shù)；

U——樁身截面外周長(zhǎng)；

qfi——單樁第i層土的極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)；

li——樁身穿過第i層土的長(zhǎng)度(m)；

η——承載力折減系數(shù)(表3)；

qR——單樁極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)；

A——樁端外周面積(m2)。

(2)基準(zhǔn)指代,與環(huán)境要素中的基準(zhǔn)指代相似,是以先行要素為基準(zhǔn)時(shí)間來(lái)確定照應(yīng)要素的具體時(shí)間,例如“27日傍晚6時(shí)左右”←“隨后”.

表3 敞口鋼管樁樁端承載力折減系數(shù)η取值

②有經(jīng)驗(yàn)時(shí)可適當(dāng)折減；

③若入土深度大于30 d或30 m，進(jìn)入持力層深度大于5 d，可分別認(rèn)為入土深度較大和進(jìn)入持力層深度較大；

④本表不適用于持力層為風(fēng)化巖層和密實(shí)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(jù)樁徑、入土深度和持力層特性綜合分析。入土深度較大，進(jìn)入持力層深度較大，樁徑較小時(shí)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(huán)面積，而是樁端外周面積與折減系數(shù)η的乘積，折減系數(shù)η反應(yīng)了樁端土塞程度?！逗Ｉ巷L(fēng)電場(chǎng)工程風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB/T 10105-2018)中鋼管樁軸向抗壓承載力設(shè)計(jì)值計(jì)算公式與《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》公式基本一致，但“η”表述為“樁端閉塞效應(yīng)系數(shù)”，更加明確了樁端閉塞效應(yīng)的影響。

對(duì)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(shù)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(qiáng)風(fēng)化層，故不適用于該表，但折減系數(shù)取值可作為參考。在臨近項(xiàng)目試樁工程報(bào)告中，打入樁樁端承載力折減系數(shù)約為0.35～0.45。但其試驗(yàn)樁的直徑為1.9 m，小于本樁，可能造成閉塞效應(yīng)更加顯著，且試樁報(bào)告中閉塞效應(yīng)系數(shù)為復(fù)打及靜載試驗(yàn)反算值，非初打結(jié)果。

圖4 不同閉塞效應(yīng)系數(shù)模擬結(jié)果

表4 不同閉塞效應(yīng)系數(shù)模擬及實(shí)際沉樁結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

本算例中樁端不形成土塞時(shí)，樁端鋼環(huán)面積占樁端外徑對(duì)應(yīng)圓面積約10%。綜合以上資料，樁端閉塞效應(yīng)系數(shù)取0.15、0.25、0.35進(jìn)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(duì)應(yīng)圓面積模擬閉塞效應(yīng)?？紤]在入土深度10D時(shí)土塞開始形成，15D時(shí)土塞完全形成(D為樁外徑，下同)。

不同閉塞效應(yīng)系數(shù)模擬結(jié)果如圖4所示。對(duì)比組為樁端無(wú)土塞無(wú)內(nèi)摩擦的初步模擬結(jié)果?？梢钥吹?，樁端折減系數(shù)0.15、0.25、0.35與對(duì)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(shù)的增大而增大。終錘貫入度由對(duì)比組的4 mm/擊降低至1.6 mm/擊。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4，隨著閉塞效應(yīng)系數(shù)增大，樁端實(shí)際受力面積擴(kuò)大，極限端承載力隨著增大，總錘擊數(shù)及貫入度所反映的沉樁難度上升。與此同時(shí)，側(cè)摩阻力未發(fā)生變化。樁端折減系數(shù)0.25的極限承載力模擬結(jié)果與實(shí)際沉樁最為接近。

4.3 內(nèi)摩擦效應(yīng)模擬分析

根據(jù)周邊場(chǎng)址施工情況，沉樁完成后對(duì)樁內(nèi)外泥面高程進(jìn)行復(fù)測(cè)，樁內(nèi)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(nèi)填滿樁內(nèi)部，不隨沉樁過程一起移動(dòng)。但是，隨著樁的打入，樁內(nèi)土體被管樁所分割，失去與樁外土體的聯(lián)系。在此過程中，樁內(nèi)土體還會(huì)受到樁壁的剪切及下部土體的壓縮、變形及應(yīng)力狀態(tài)未知。

圖5 不同內(nèi)摩擦效應(yīng)作用范圍模擬結(jié)果

根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，取自樁底端向上0.5D、1.0D、1.5D范圍內(nèi)考慮內(nèi)摩擦效應(yīng)。內(nèi)摩擦效應(yīng)采用增大指定深度范圍內(nèi)鋼管樁設(shè)計(jì)周長(zhǎng)的方法模擬。

表5 不同內(nèi)摩擦效應(yīng)作用范圍模擬及實(shí)際沉樁結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

不同內(nèi)摩擦效應(yīng)作用范圍模擬結(jié)果如圖5所示。對(duì)比組為樁端無(wú)土塞無(wú)內(nèi)摩擦的情況。從圖上看，不同內(nèi)摩擦效應(yīng)作用范圍所對(duì)應(yīng)的曲線形狀和趨勢(shì)基本一致，縱坐標(biāo)相同，橫坐標(biāo)呈平移變化趨勢(shì)。同一深度下，貫入度隨內(nèi)摩擦效應(yīng)作用范圍增加而減小。與閉塞效應(yīng)對(duì)沉樁的影響是在樁端土塞開始形成以后發(fā)揮作用不同，內(nèi)摩擦效應(yīng)從沉樁初期到末期都對(duì)沉樁產(chǎn)生了影響，這是由于內(nèi)摩擦效應(yīng)作用范圍位于樁底導(dǎo)致。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表5所示，隨著內(nèi)摩擦效應(yīng)作用范圍增加，樁側(cè)實(shí)際受力面積擴(kuò)大，極側(cè)摩阻力隨著增大。較之樁端折減系數(shù)，總錘擊數(shù)及貫入度對(duì)內(nèi)摩擦效應(yīng)作用范圍的增加更為敏感。與此同時(shí)，側(cè)摩阻力未發(fā)生變化。相較而言，內(nèi)摩擦效應(yīng)作用范圍自樁底向上1.5D極限承載力模擬結(jié)果與實(shí)際沉樁最為接近。

4.4 不同樁端效應(yīng)模擬結(jié)果討論

無(wú)土塞無(wú)摩擦工況模擬顯示沉樁難度略低于實(shí)際，同時(shí)終錘極限承載力小于實(shí)測(cè)值，對(duì)于沉樁難度估計(jì)略偏不保守。

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

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

5 結(jié)論

本文依托福建某海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目資料及實(shí)際沉樁作業(yè)記錄，基于GRLWEAP軟件，對(duì)高樁承臺(tái)基礎(chǔ)鋼管樁沉樁可打入性進(jìn)行分析，驗(yàn)證了該軟件沉樁分析的可行性，可打入性分析結(jié)果能夠?yàn)榛A(chǔ)設(shè)計(jì)中預(yù)制樁樁長(zhǎng)、樁底標(biāo)高確定等過程提供依據(jù)。

可打入性分析初步結(jié)果表明，土塞的閉塞效應(yīng)對(duì)于樁的可打入性有較大影響。本文根據(jù)場(chǎng)址實(shí)際沉樁記錄，參考相關(guān)規(guī)范及資料，針對(duì)端部開口樁端部土塞端阻力與內(nèi)部摩擦力兩種效應(yīng)進(jìn)行比較研究，發(fā)現(xiàn)樁端土塞端阻力效應(yīng)更適用于高樁承臺(tái)基礎(chǔ)鋼管樁可打入性分析模擬。針對(duì)該工程所采用的直徑約2 m，入泥長(zhǎng)度約30 m的打入式鋼管樁，閉塞效應(yīng)系數(shù)可取0.15～0.25，樁端進(jìn)入持力層深度較大時(shí)，閉塞效應(yīng)系數(shù)相應(yīng)取大值。