異常地質條件下嵌巖單樁樁芯砼加強方案研究

王宇楠

（福建省水利水電勘測設計研究院 福建福州 350001）

0 引言

近年，以海上風能為代表的海上可再生能源的開發日漸成為國家能源戰略的重要組成部分。福建沿海特別是閩江口以南至廈門灣的臺灣海峽中部海域受臺灣海峽“狹管效應”的影響，是全國風能資源最豐富的地區［1］，適合大規模開發海上風電。大直徑單樁基礎由于其結構形式簡單、受力性能好，在國內外海上風電場中應用廣泛。但因臺灣海峽近海海域為巖基海床，大直徑單樁需采用嵌巖施工工藝，實際施工過程中經常遭遇因地質條件異常而導致鉆孔至設計樁端高程時入巖深度小于設計嵌巖深度、難以鉆孔至設計樁端高程等問題。

本文針對上述情況提出單樁基礎結構加強方案，并對方案在實際工程中的適用性進行分析。

1 風能資源與機型選擇

工程地處臺灣海峽中部，每年冬春季節，西伯利亞及蒙古高壓氣流南下，穿過臺灣海峽時，受海峽兩岸地形收縮作用而加速，至福建省中部地區風速加速至最大。本風電場根據周邊測風資料和場內所設立的測風塔測風資料，年平均風速8.5 m/s～10 m/s，風功率密度為650 W/m2～1 000 W/m2，風功率密度等級為6～7 級，風能資源豐富。

工程采用7.0 MW 海上風力發電機組，其風輪直徑154.0 m，輪轂中心高度103.4 m（距平均海平面），風機類型為IEC IB類，風機塔筒底部極限荷載和疲勞荷載如表1。

表1 塔筒底部荷載

2 工程區域地質

工程場區位于海積海底階地貌單元上（圖1），典型機位海底地面高程-14.29 m～-16.30 m。機位地層結構簡單，上部覆蓋層分布地層有中粗砂、中細砂，下部為基巖各風化層，從上至下各巖土層評價（圖2）如下：

圖1 基巖面典型3D 成果展示圖

圖2 典型機位工程地質剖面圖

（1）①-3 中粗砂：呈稍密狀，物理力學性能一般。

（2）②中細砂：標貫擊數13～23，呈稍密～中密狀，物理力學性能一般。

（3）⑧-1 散體狀強風化基巖：標貫擊數大于50 擊～反彈，物理力學性能好，承載力較高。

（4）⑧-2a 碎裂狀強風化：巖石風化劇烈，節理裂隙很發育，巖芯破碎，呈粒狀、碎裂狀，局部呈短柱狀。

（5）⑨a 弱風化：巖石新鮮，致密堅硬，節理裂隙較發育，巖芯多呈短柱狀，局部為碎塊狀。屬較硬巖～堅硬巖，巖體基本質量等級為Ⅲ級。

工程場區因基巖面起伏大，基巖強度高，其中弱風化巖石單軸飽和抗壓強度大于80 MPa，進一步加大了風機基礎施工難度。

3 超大直徑單樁基礎方案設計

本工程按無過渡段法蘭式單樁基礎設計［2］。根據工程建設海域地質與風機荷載條件，同時考慮到工程施工單位的施工裝備和施工能力，本工程采用直徑為6.7 m 的超大直徑植入式單樁（圖3）。樁長50.0 m～60.0 m，鋼管樁入土深度20.0 m～30.0 m，其中表層軟弱覆蓋層較薄，單樁基礎以弱風化花崗巖為持力層，設計嵌入弱風化花崗巖巖層16.0 m～18.0 m。

圖3 單樁基礎整體結構示意圖

4 結構加強方案

采用通用有限元計算軟件對樁-巖土結構進行分析計算。鋼管樁采用實體單元建模，土體模型選用摩爾-庫倫彈塑性本構模型（圖4），樁外混凝土與樁身接觸為摩擦接觸、混凝土與土體之間為摩擦接觸［3］。對大直徑單樁基礎開展承載能力極限狀態下的樁身強度計算和結構疲勞驗算，以及正常使用極限狀態下的變形驗算［4］。

圖4 單樁基礎有限元計算模型

典型機位單樁基礎直徑6.7 m，壁厚75 mm～85 mm，樁頂高程+15.30 m，樁端設計高程-41.70 m，鋼管樁入土深度25.40 m，其中嵌入弱風化基巖設計深度18.40 m。風機基礎嵌巖鉆孔過程中，因機位所處地質基巖面起伏較大，導致經過現場實際判巖得到的弱風化基巖面為-24.00 m，與地質勘察揭示的弱風化基巖高程-23.30 m 有所差異。同時，在風機基礎嵌巖施工過程中，因弱風化基巖強度高，鉆機鉆齒損壞嚴重，在距離設計樁端高程2.3 m 時停鉆，實際嵌入弱風化基巖深度15.40 m。據此，考慮采取加強措施，在樁身內部灌注10.0 m、12.0 m 和14.0 m 不同高度的樁芯砼，對鋼管樁樁頂和泥面處傾斜率、水平位移進行復核。計算結果表明：加強方案因在樁芯內增加了砼芯柱，基礎結構剛度增加，鋼管樁在泥面和基礎頂傾斜率和水平變形顯著減??；隨著樁芯砼芯柱由10.0 m 加長至14.0 m，樁身水平位移、傾斜率進一步降低；在同一砼芯柱長度下，增加基礎嵌巖深度，樁身水平位移與傾斜率有所減少（表2）。圖5～圖8 為不同工況下有限元模擬樁身水平位移變形云圖，圖9～圖11 為嵌巖深度15.40 m 時，不同樁芯砼填筑高度對應的鋼管樁泥面處傾斜率、鋼管樁泥面處和樁端水平位移變化。

表2 鋼管樁樁頂和泥面處傾斜率和水平位移

圖5 設計方案樁身變形曲線云圖（放大100 倍）

圖6 加強方案Ⅰ樁身變形曲線云圖（放大100 倍）

圖7 加強方案Ⅱ樁身變形曲線云圖（放大100 倍）

圖8 加強方案Ⅲ樁身變形曲線云圖（放大100 倍）

圖9 傾斜率隨填筑深度變化

圖10 泥面水平位移隨填筑深度變化

圖11 樁端水平位移隨填筑深度變化

風機基礎因直接遭受風機、波浪等動力荷載作用，需要對鋼管樁樁身累計疲勞損傷進行計算（表3）。鋼管樁嵌巖深度由18.40 m 降低至15.40 m 后，使累計疲勞損傷最大值由0.80 增大至1.00，處于結構累計疲勞損傷控制的最大限值。因此，考慮采取加強措施：通過在樁身內部灌注10.0 m 樁芯砼，增加單樁基礎結構剛度，增強單樁基礎結構抗疲勞性能。采取加強措施后樁身最大疲勞損傷值［5］降低至0.94，具有合理的安全裕度。

表3 單樁基礎累計疲勞損傷

5 結語

本文選取福建近海巖基海床某海上風電場單樁基礎應用實例，結合單樁基礎實際施工過程中出現的基巖面起伏導致單樁基礎入巖深度降低、或因大直徑單樁嵌巖鉆孔施工難度較大而難以鉆孔至設計樁端高程等問題，提出在單樁基礎結構內部灌注樁芯砼的加強方案，并對方案在實際工程中應用的可行性進行分析。通過計算與分析，得出以下主要結論：

（1）大直徑單樁基礎在現場實際施工過程中，如出現鋼管樁入巖深度減少無法滿足設計嵌巖深度要求，可通過在樁內灌注砼芯柱，滿足正常使用極限狀態下的變形驗算要求。

（2）隨著樁芯砼芯柱由10.0 m 加長至14.0 m，樁身水平位移、傾斜率進一步降低；在同一砼芯柱長度下，增加基礎嵌巖深度，樁身水平位移與傾斜率有所減少。

（3）大直徑單樁基礎樁內灌注砼芯柱后，基礎結構剛度增加，樁身抗疲勞性能增強，承載能力極限狀態下樁身累計疲勞損傷最大值降低。

（4）在巖基海床開展大直徑單樁基礎施工，風機基礎嵌巖為整個基礎施工過程中的核心與難題，通過采用有限元計算軟件對單樁基礎開展模擬計算，為大直徑單樁在巖質海床實際應用提供切實可行的解決方案。