送樁器輔助沉樁能量傳遞效率研究

劉捷 廣東粵電陽江海上風(fēng)電有限公司

根據(jù)Wind Europe 2020年底統(tǒng)計數(shù)據(jù)，隨著水深增加，歐洲區(qū)域采用導(dǎo)管架基礎(chǔ)的海上風(fēng)電場日趨增加，截止2020年底已安裝完成568個導(dǎo)管架風(fēng)機基礎(chǔ)。在中國國內(nèi)，陽江海域海上風(fēng)電項目大部分均采用導(dǎo)管架型式的風(fēng)機基礎(chǔ)。

海洋工程施工條件復(fù)雜，受施工裝備限制較大，在進(jìn)行導(dǎo)管架基礎(chǔ)沉樁施工時，有可能用到送樁器輔助施工。為了更好地進(jìn)行打樁分析，有必要研究送樁器在沉樁施工中的能量傳遞效率。采用高應(yīng)變檢測方法，分別在鋼管樁、送樁器上安裝傳感器，可實時檢測樁身能量，進(jìn)行對比分析后，可估算送樁器的能量傳遞效率。

在某海上風(fēng)電項目中，選擇了2個風(fēng)機機位其中的4根鋼管樁進(jìn)行了測試，對測試結(jié)果進(jìn)行了分析。

1.沉樁施工方案

1.1 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式

風(fēng)機基礎(chǔ)采用直接打入四樁導(dǎo)管架，由導(dǎo)管架和鋼管樁組成，鋼管樁布置呈正方形均勻布設(shè)，上部導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)插入到鋼管樁里，通過水下灌漿，構(gòu)成組合式基礎(chǔ)。

（1）四樁導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)。四樁導(dǎo)管架為空間桁架結(jié)構(gòu)，底部根開為26.0m，導(dǎo)管架頂法蘭標(biāo)高為+22.5m，平臺底標(biāo)高為16.9m，單個導(dǎo)管架重量為890t，底部與鋼管樁之間的灌漿連接段長度約為4.5m，四樁導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 四樁導(dǎo)管架實景照片

（2）鋼管樁結(jié)構(gòu)。四根鋼管樁的中心間距為26.0m，單根鋼管樁的直徑為3.5m，平均樁長為43.7m，設(shè)計頂標(biāo)高為-23.00m，單根鋼管樁壁厚有40mm（中間段）、55mm（樁頂）、70mm（樁尖）三種，材質(zhì)均為DH36鋼材。

1.2 打樁錘

直接打入式基礎(chǔ)鋼管樁采用YC120型打樁錘進(jìn)行插打。YC-120型液壓沖擊錘包含錘體、動力站、控制箱、樁帽等部件組成，最大沖擊能量為2040kJ，工作行程1700mm，錘體重量120t，提升方式為單缸提升，機殼外形尺寸：11m×2.2m×2.3m（長×寬×高）。使用時將油管、電線等管線與各組件連接成一體后，通過控制箱進(jìn)行操作。示意詳見圖2。

圖2 YC-120型液壓沖擊錘示意圖

1.3 送樁器

送樁器外徑3.5m，長32.685m，壁厚40～60mm，材質(zhì)為Q345B。送樁器內(nèi)部每隔約3m設(shè)置一道加勁環(huán)板，增加送樁器的剛度。送樁器底部變徑插入鋼管樁，變徑部位材料采用35#鋼調(diào)質(zhì)處理。

1.4 總體施工方案

導(dǎo)向架安裝完成后，采用運輸船將已加工完成驗收合格的鋼管樁運輸至施工區(qū)域，利用浮吊配合起樁器等工具將鋼管樁吊裝至已施工導(dǎo)向平臺導(dǎo)向框內(nèi)，利用鋼管樁自重初步下沉至一定深度后采用沖擊錘將鋼管樁下沉至設(shè)計位置，循環(huán)上述步驟完成樁位其余3根鋼管樁沉樁，移除導(dǎo)向平臺該樁位鋼管樁施工結(jié)束。

1.5 施工流程

直接打入鋼管樁主要施工步驟：導(dǎo)向架平臺安裝→插樁施工準(zhǔn)備→基礎(chǔ)鋼管樁運輸就位→起吊基礎(chǔ)鋼管樁→插樁→鋼管樁插打→停錘、驗收。

2.高應(yīng)變對比檢測方案

2.1 高應(yīng)變動力檢測基本原理

錘擊沉樁是一個沖擊的過程，它是通過應(yīng)力波的形式來傳遞能量的。對沖擊機械不能采用靜力學(xué)、剛體動力學(xué)或是運動學(xué)來分析其工作機理。送樁器與工程樁之間的連接并非剛性連接，而是通過插接的方式進(jìn)行連接，應(yīng)力波在連接部分會產(chǎn)生復(fù)雜的透射和反射，通過理論計算很難得出送樁器的能量消散值，必須通過工程試驗進(jìn)行實測。

高應(yīng)變動力檢測是用重錘沖擊樁頂，使樁土產(chǎn)生足夠的相對位移，以充分激發(fā)樁周土阻力和樁端支承力，通過安裝在樁頂以下樁身兩側(cè)的力和加速度傳感器接收樁的應(yīng)力波信號，應(yīng)用應(yīng)力波理論分析處理力和速度時程曲線，從而判定樁的承載力和評價樁身完整性。

2.2 高應(yīng)變檢測設(shè)備

設(shè)備型號為PA X-8型打樁分析儀，由美國PDI公司生產(chǎn)。試驗設(shè)備由主機、信號采集和發(fā)送組件、應(yīng)變和加速度傳感器組成。

2.3 傳感器安裝

在鋼管樁外側(cè)對稱開設(shè)6個直徑6mm的高應(yīng)變傳感器安裝孔（單側(cè)3個），傳感器安裝孔距鋼管樁頂部距離3.5m，孔深20mm，且與鋼管樁表面垂直。孔周圍鋼管樁表面應(yīng)平整、無缺陷或截面突變，在傳感器安裝孔的斜上方(約45°）約45cm處焊接長15cm、寬8cm、板厚t為1～2cm的矩形鋼板，鋼板中間開3x5cm的孔，用于水下固定傳感器纜纜。作為懸掛點的固定鋼板，鋼板面垂直于鋼管樁表面，長邊沿樁身軸線方面與鋼管樁壁表面進(jìn)行焊接。

在鋼管樁插樁前，提前將高應(yīng)變傳感器安裝到位，為防止沉樁過程中，高應(yīng)變傳感器電纜在水流作用下被扯斷或被導(dǎo)向裝置卡斷，將傳感器電纜線從固定鋼板預(yù)留孔處穿過，保護(hù)并臨時固定傳感器電纜線，鋼管樁插樁入位時，傳感器安裝位置應(yīng)與導(dǎo)向架下層導(dǎo)向環(huán)導(dǎo)向塊位置相互錯開。傳感器安裝實景詳見圖3。

圖3 高應(yīng)變傳感器安裝實景圖

為進(jìn)行對比分析，參照鋼管樁高應(yīng)變檢測方式在送樁器上安裝傳感器并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2.4 試驗數(shù)據(jù)采集

2.4.1 現(xiàn)場檢測參數(shù)的取值

①被檢測鋼管樁的截面積、樁材的重度和彈性模量按傳感器安裝點的相應(yīng)參數(shù)取值；

②樁長取傳感器安裝位置至樁底之間的距離；

③鋼樁樁身應(yīng)力波波速設(shè)定為5120m/s：

④鋼樁重度設(shè)定為78.5kN/m3；

⑤ 樁材彈性模量設(shè)定值按鋼材的參數(shù)確定，亦可按下式計算

式中

E——樁材彈性模量（MPa）

C——樁身應(yīng)力波波速（m/s）

γ——樁材重度（kN/m3）

g——重力加速度（m/s2）

2.4.2 當(dāng)檢測出現(xiàn)下列情況時，應(yīng)及時檢查、調(diào)整或停止檢測

①測試儀器失靈。

② 測試信號異?；蜻B續(xù)采集時信號無規(guī)律、離散性較大。

③如出現(xiàn)貫入度反常、送樁器突然下降、過大傾斜、移位等現(xiàn)象，均應(yīng)立即停止錘擊，及時查明原因，并采取有效措施。

測試過程中，應(yīng)采用可靠的測量方式監(jiān)測樁的貫入度，至少要求通過測量得到每米貫入度的錘擊數(shù)。

2.5 試驗結(jié)果分析

根據(jù)實際采集的波形情況以及原樁測試采集的波形信號，使用CAPWAP軟件采用曲線擬合法結(jié)合高應(yīng)變理論綜合進(jìn)行沉樁過程中設(shè)計要求的相關(guān)參數(shù)分析。

3.對比檢測結(jié)果

現(xiàn)場對2臺機位4根樁進(jìn)行了對比檢測。本文以其中1根樁為例進(jìn)行對比分析和說明。

3.1 打樁分析

樁長38.9m，樁頂標(biāo)高-23m，樁底標(biāo)高-61.9m。泥面高程-25.6m，鋼管樁入泥36.3m，從上到下為淤泥、粘土、粗砂、中砂混粘性土、全風(fēng)化片麻巖，最終進(jìn)入強風(fēng)化片麻巖3.8m。

使用美國PDI公司的GRLWEAP波動方程分析程序軟件進(jìn)行打樁分析，打樁錘型號為YC120，最大沖擊能量為2040 kJ，錘擊效率按80%考慮。預(yù)估錘擊數(shù)為1654錘，最大壓應(yīng)力224.9MPa，最大拉應(yīng)力-59.2MPa，最終貫入度13.5mm。

3.2 沉樁記錄

2020年9月6日1點53分開始沉樁，5點25分沉樁至預(yù)定設(shè)計標(biāo)高，耗時約3.5小時。實際錘擊數(shù)為1795錘，樁錘實際輸出最大能量為1320kJ，最終貫入度5.7mm。

因現(xiàn)場條件限制，在完成381次錘擊后樁底標(biāo)高在-38.1m時在鋼管樁上安裝高應(yīng)變傳感器，在完成609次錘擊后樁底標(biāo)高在-48.4m時在送樁器上安裝高應(yīng)變傳感器。

3.3 能量傳遞效率

為了研究打樁錘輸出能量經(jīng)送樁器傳遞至鋼管樁的能量傳遞效率，需對鋼管樁打樁過程中高應(yīng)變試驗監(jiān)控數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、總結(jié)、分析。根據(jù)打樁記錄和高應(yīng)變試驗采集數(shù)據(jù)，可知道每次錘擊對應(yīng)的輸出能量以及傳遞至鋼管樁的能量，即可得到能量傳遞效率。

安裝傳感器后打樁錘輸出能量從360kJ逐級加載至1320kJ（每級增加120kJ），通過數(shù)據(jù)采集、分析后得出每一錘傳遞至鋼管樁上的能量及對應(yīng)的能量傳遞效率，具體見圖4、圖5。

圖4 傳遞至鋼管樁的能量隨著錘擊數(shù)的變化

圖5 能量傳遞效率隨著錘擊數(shù)的變化

3.4 最后50錘的詳細(xì)分析

隨著鋼管樁入泥深度增加、樁錘輸出能量增大，能量傳遞效率呈下降趨勢，為更好地進(jìn)行打樁分析，有必要對沉樁最后階段的錘擊進(jìn)行詳細(xì)分析。

本文選取最后50錘進(jìn)行詳細(xì)分析，相關(guān)結(jié)果如下：

送樁器上監(jiān)控得到的打擊能量與打樁錘輸出能量的百分比隨著錘擊數(shù)變化的關(guān)系曲線，如圖6所示。

圖6 送樁器能量傳遞效率

鋼管樁上監(jiān)控得到的打擊能量與打樁錘輸出能量的百分比隨著錘擊數(shù)變化的關(guān)系曲線，如圖7所示。

圖7 鋼管樁能量傳遞效率

根據(jù)沉樁最后階段高應(yīng)變試驗監(jiān)控得到的數(shù)據(jù)分析，可知：

送樁器能量傳遞效率（送樁器上監(jiān)控得到的有效打擊能量與打樁錘輸出能量的比值）一般為85%～90%；

鋼管樁能量傳遞效率（鋼管樁上監(jiān)控得到的有效打擊能量與打樁錘輸出能量的比值）一般為60%～65%。

3.5 其它3根樁的測試結(jié)果

通過對其他3根樁的測試結(jié)果進(jìn)行分析，能量傳遞效率變化趨勢與前文結(jié)果一致，送樁器能量傳遞效率一般為80%～90%，鋼管樁能量傳遞效率一般為55%～65%。

4.結(jié)論

海洋工程施工條件復(fù)雜，有必要對各種沉樁施工工藝進(jìn)行研究。本文通過對沉樁施工時鋼管樁、送樁器上的高應(yīng)變測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得出如下結(jié)論，供后續(xù)工程參考。

一是，采用送樁器輔助沉樁會帶來一定程度的能量損失，本文中能量損失比例為25%左右。

二是，隨著鋼管樁入泥深度增加、樁錘輸出能量加大，整個系統(tǒng)的能量傳遞效率呈下降趨勢，本文中從80%左右下降至60%左右。

三是，送樁器能量傳遞效率（送樁器上監(jiān)控得到的有效打擊能量與打樁錘輸出能量的比值），本文中為80%～90%。

四是，鋼管樁能量傳遞效率（鋼管樁上監(jiān)控得到的有效打擊能量與打樁錘輸出能量的比值）本文中為55%～65%。