海上風(fēng)電超大直徑單樁可打性與沉樁疲勞損傷分析

馬駿，孫肖菲，孫立強(qiáng)，吳伙桂，陳幫

(明陽(yáng)智慧能源集團(tuán)股份公司，廣東 中山 528400)

在海上風(fēng)電領(lǐng)域，單樁基礎(chǔ)具有承載力大、沉降量小、穩(wěn)定性好、適應(yīng)性強(qiáng)、貫入深度大，以及制作安裝方便等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用。按樁徑大小，單樁基礎(chǔ)可分為小樁(≤2 500 mm)；中等直徑樁(2 500 mm<<8 000 mm)及大直徑樁(≥8 000 mm)。在工程上，單樁基礎(chǔ)的沉樁過(guò)程存在單樁基礎(chǔ)能否順利打入土體中的問(wèn)題，即需要保證單樁被打入指定深度的持力層并且打樁過(guò)程中樁身應(yīng)力變化在許用應(yīng)力范圍內(nèi)。對(duì)于沉樁過(guò)程的研究，采用GRLWEAP軟件進(jìn)行可打性分析，計(jì)算沉樁總錘擊數(shù)與錘擊時(shí)間，已成為主流方法。根據(jù)GRLWEAP軟件可打性分析結(jié)果對(duì)單樁基礎(chǔ)進(jìn)行疲勞損傷分析，主要關(guān)注兩方面：①運(yùn)輸過(guò)程與沉樁過(guò)程引發(fā)的樁身累積疲勞損傷；②服役期間的在位累積疲勞損傷，即樁基礎(chǔ)承受風(fēng)浪流及風(fēng)機(jī)荷載等疊加的累積疲勞損傷。目前，對(duì)于服役期的在位疲勞相關(guān)研究已較為深入，運(yùn)輸過(guò)程與沉樁過(guò)程引發(fā)疲勞損傷相關(guān)研究較少但卻逐漸受到行業(yè)關(guān)注。 對(duì)于單樁基礎(chǔ)研究，特別是大直徑單樁，沉樁可打性和疲勞損傷集中在土壤參數(shù)上，沉樁施工中樁錘及土壤關(guān)鍵參數(shù)是研究單樁可打性的重要條件，對(duì)確保樁體順利打入至關(guān)重要。隨著大兆瓦海上風(fēng)機(jī)離岸越來(lái)越遠(yuǎn)的應(yīng)用趨勢(shì)，大直徑乃至超大直徑單樁基礎(chǔ)成為海上風(fēng)電場(chǎng)的可選方案，而單樁尺寸對(duì)超大直徑單樁的可打性與累積疲勞損傷的影響研究較少。為此，分析超大直徑單樁尺寸對(duì)其可打性與沉樁疲勞的影響，為單樁優(yōu)化設(shè)計(jì)及沉樁施工提供參考。

1 可打性分析

1.1 可打性理論

沉樁是錘-樁-土三者相互作用過(guò)程，樁體由樁錘驅(qū)動(dòng)一步步被打入土體中。Smith波動(dòng)方程(1)是樁基工程設(shè)計(jì)與施工中的主要控制方程。

(1)

式中:為樁內(nèi)某截面沿軸向的位移；為波在樁內(nèi)的傳播速度，=()12；為樁密度。

為了計(jì)算打樁時(shí)應(yīng)力波在樁中的傳播，采用離散力學(xué)模型建立錘-樁-土系統(tǒng)，樁錘、樁帽及樁身的質(zhì)量由剛體表示，樁墊及樁身的彈性特征采用無(wú)質(zhì)量彈簧來(lái)代替，樁周土的阻力采用黏彈性模型描述，最后使用差分法求解波動(dòng)方程。計(jì)算中將沉樁歷程分成若干時(shí)間間隔Δ，并假定每個(gè)Δ內(nèi)位移、力及速度等物理量均為定值。

針對(duì)沉樁過(guò)程，Smith推導(dǎo)出了5個(gè)基本方程：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：為位移；為速度；為彈簧的壓縮量；為彈簧作用力；為土阻力；為重力加速度；上標(biāo)表示時(shí)間間隔的序號(hào)；下標(biāo)表示重塊、彈簧和作用在樁單元上土阻力的序號(hào)。

本文采用的樁錘模型為是MHU-3500S型錘，基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 樁錘(MHU-3500S)基本參數(shù)

1.2 可打性結(jié)果對(duì)比分析

通過(guò)GRLWEAP軟件建立沉樁模型并得到錘擊數(shù)-貫入深度曲線，將計(jì)算結(jié)果與工程沉樁實(shí)測(cè)值對(duì)比，依據(jù)地勘資料土，最后建立沉樁的土壤參數(shù)模型，土壤參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 土壤參數(shù)

在模型中，樁側(cè)土與樁端土的彈性變形值取2.54 mm；阻尼系數(shù)，樁側(cè)土中砂土取0.164 m/s，黏土取0.65 m/s，樁端土阻尼系數(shù)取0.5 m/s。

大直徑單樁基礎(chǔ)長(zhǎng)度為103.18 m，設(shè)計(jì)深度為53 m，由上段同徑變壁厚段、中段圓錐過(guò)渡段與下段同徑變壁厚段這3段組成，每段尺寸信息見(jiàn)表3。工程實(shí)際沉樁記錄列于表4。

表3 單樁參數(shù)

表4 沉樁記錄信息

沉樁過(guò)程中未發(fā)生溜樁現(xiàn)象。

圖1a)是單樁基礎(chǔ)每米錘擊數(shù)隨貫入度變化實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比，發(fā)現(xiàn)不同深度對(duì)應(yīng)的每米錘擊數(shù)與相應(yīng)的土層性質(zhì)密切相關(guān)，在28 m深度處結(jié)果達(dá)到最大值，這是由于該處為砂質(zhì)土層。對(duì)于沉樁后半段通過(guò)的黏土及粉砂混黏土層，每米錘擊數(shù)都較小，易于沉樁。綜合各層土壤參數(shù)，該單樁主要為樁側(cè)承受荷載，屬于摩擦型樁。

圖1b)是單樁基礎(chǔ)總錘擊數(shù)隨貫入度變化的實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比，在37 m處實(shí)測(cè)值為2 484，模擬值為2 016，最大誤差為12.6%，但沉樁最終的模擬為3 522與實(shí)測(cè)值3 533基本一致。說(shuō)明采用GRLWEAP軟件計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)整體吻合度較好，基于GRLWEAP軟件能夠有效預(yù)測(cè)沉樁動(dòng)態(tài)過(guò)程。

圖1 每米錘擊數(shù)及總錘擊數(shù)與貫入度曲線的實(shí)測(cè)值與模擬值的比較

1.3 不同單樁尺寸對(duì)沉樁可打性的影響

建立不同直徑與壁厚單樁模型，尺寸見(jiàn)表5。

表5 單樁尺寸參數(shù)

為了便于研究，對(duì)單樁尺寸進(jìn)行簡(jiǎn)化，僅考慮其壁厚和外徑。通過(guò)建立同徑不同壁厚單樁模型，分析壁厚對(duì)可打性影響。圖2a)是外徑8.8 m

條件下不同壁厚對(duì)應(yīng)的每米錘擊數(shù)隨貫入度變化。在距泥面26 m處，每米錘擊數(shù)達(dá)到最大，壁厚95 mm的每米錘擊數(shù)最大值為282次。4根單樁模型的整體變化趨勢(shì)一致，當(dāng)壁厚增加5 mm時(shí)，在距泥面26 m處，其每米錘擊數(shù)增加約4%，其余各處每米錘擊數(shù)變化則較小，這是由于壁厚增加對(duì)樁側(cè)摩阻力影響較小，所以沉樁的土阻力增加較少。圖2b)是外徑10 m條件下的不同壁厚計(jì)算結(jié)果，進(jìn)一步證實(shí)了每米錘擊數(shù)隨壁厚增加而增加。

圖2 每米錘擊數(shù)與貫入度關(guān)系

圖3是總錘擊數(shù)隨貫入度的變化，在距泥面20～30 m深度段，其總錘擊數(shù)增加較多，表明該段土阻力較大，這是因?yàn)槊軐?shí)砂土層對(duì)樁的側(cè)摩阻力影響更大。

圖3 總錘擊數(shù)與貫入度關(guān)系

下面研究同壁厚不同外徑單樁模型，分析單樁外徑對(duì)可打性的影響。圖4a)是壁厚85 mm時(shí)的每米錘擊數(shù)隨沉樁貫入度的變化，同樣在距泥面26 m處，每米錘擊數(shù)達(dá)到最大；外徑10m單樁模型每米錘擊數(shù)最大值為330次；當(dāng)外徑增加5%～10%時(shí)，其每米錘擊數(shù)增加約10%，說(shuō)明外徑增加導(dǎo)致樁側(cè)阻力增加，沉樁難度加大。圖4b)是壁厚95 mm時(shí)，不同外徑單樁模型的計(jì)算結(jié)果，其更進(jìn)一步證明每米錘擊數(shù)隨外徑增加而增加。

圖4 每米錘擊數(shù)與貫入度關(guān)系

圖5是總錘擊數(shù)隨貫入度的變化，發(fā)現(xiàn)在相同壁厚條件下，總錘擊數(shù)隨外徑增加而增加，只是因?yàn)閱螛锻鈴皆黾訉?dǎo)致側(cè)表面積增加，導(dǎo)致總的沉樁阻力增加。

圖5 總錘擊數(shù)與貫入度關(guān)系

2 沉樁疲勞分析

2.1 疲勞計(jì)算理論與方法

為探究超大直徑單樁在沉樁過(guò)程中的疲勞損傷分布特點(diǎn)，采用基于Miner線性累積損傷理論的-曲線法進(jìn)行計(jì)算分析，根據(jù)某項(xiàng)目風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)疲勞系數(shù)取值10。-曲線選擇規(guī)范DNV-RP-C203中曲線，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(7)

式中：為疲勞壽命；Δ為應(yīng)力范圍；為在(lg-lg關(guān)系圖)中的反斜率；lg為(lg-lg關(guān)系圖)中l(wèi)g軸截距；為參考厚度，取25 mm，為可能發(fā)生裂紋的厚度；為疲勞強(qiáng)度的厚度指數(shù)。

根據(jù)Miner線性累積損傷理論，構(gòu)件在應(yīng)力水平下，經(jīng)受次循環(huán)時(shí)的損傷為=。若在個(gè)應(yīng)力水平下，各經(jīng)受次循環(huán)，則可定義其累計(jì)疲勞損傷為

(8)

式中:為累計(jì)疲勞損傷；為設(shè)計(jì)疲勞系數(shù)；()為應(yīng)力幅的實(shí)際循環(huán)次數(shù)；()為應(yīng)力幅的疲勞破壞循環(huán)次數(shù)。

采用GRLWEAP軟件進(jìn)行沉樁疲勞損傷分析，通過(guò)輸出應(yīng)力幅值與次數(shù)關(guān)系，計(jì)算累積疲勞損傷。對(duì)沉樁引起的疲勞損傷進(jìn)行評(píng)估，首先計(jì)算1次錘擊過(guò)程中橫向焊縫處疲勞損傷，包括以下4個(gè)步驟。

1)采用Smith波動(dòng)方程進(jìn)行分析，得出1次錘擊作用下樁身橫向焊縫處的應(yīng)力-時(shí)間歷程；

2)對(duì)上一步求得的一次錘擊作用下應(yīng)力時(shí)間歷程進(jìn)行應(yīng)力幅循環(huán)計(jì)數(shù)；

3)計(jì)算一次錘擊作用下的疲勞損傷；

4)將每次錘擊疲勞損傷進(jìn)行累加，得到單樁在打樁全過(guò)程中累積疲勞損傷。

圖6是分別采用空氣中的-曲線與海水中自由腐蝕的-曲線計(jì)算得到的樁累積疲勞損傷隨截面高程變化。在海上沉樁施工過(guò)程中，樁是一段在泥土中、一段位于海水中，一段處于空氣中。計(jì)算結(jié)果表明，采用海水中自由腐蝕-曲線比采用空氣計(jì)算偏保守。采用海水中自由腐蝕-曲線，其最大累積疲勞損傷為0.022，在允許的安全值以下。

圖6 累積疲勞損傷與樁截面高程的關(guān)系

圖7為樁承受應(yīng)力隨(樁長(zhǎng)與應(yīng)力波波速的比值)的變化，圖7中Top為樁頂應(yīng)力變化曲線，Seg為樁身應(yīng)力相應(yīng)變化曲線，發(fā)現(xiàn)樁身最大的累積疲勞損傷值與應(yīng)力波的峰值傳遞到相應(yīng)的位置有關(guān)。

圖7 樁應(yīng)力變化

2.2 不同單樁尺寸對(duì)沉樁疲勞損傷的影響

圖8a)是外徑8.8 m條件下不同壁厚單樁模型累積疲勞損傷隨樁截面高程的變化。在相同外徑條件下，單樁沉樁過(guò)程的累積疲勞損傷值隨壁厚增加而降低。結(jié)果表明：在距樁頂約0.12的高程內(nèi)，樁身累積疲勞損傷值隨樁截面高程逐漸增加，由于距樁頂較近，樁身受到樁錘錘擊作用明顯，累積疲勞損傷則持續(xù)增加。在距樁底約013高程內(nèi)，樁身累積疲勞損傷值隨著樁截面高程逐漸降低，隨著樁入土深度的進(jìn)一步增加，沉樁的總摩阻力增加，樁錘錘擊引起的累積疲勞損傷則進(jìn)一步降低。在中間段約075內(nèi)樁身累積疲勞損傷平緩，整體疲勞損傷均較大，該段土體強(qiáng)度較高，樁身聚集的能量傳至土體就較少，樁錘錘擊的作用的能量留在樁身的能量就較多，導(dǎo)致該段累積疲勞損傷較大。同樣，在圖8b)中可以發(fā)現(xiàn)，外徑10 m對(duì)應(yīng)的不同壁厚單樁模型疲勞損傷也有相似的表現(xiàn)。

圖8 累積疲勞損傷與樁截面高程的關(guān)系

圖9a)與b)分別是壁厚85 mm與95 mm條件下，不同外徑單樁模型沉樁累積疲勞損傷與貫入度的關(guān)系曲線，發(fā)現(xiàn)在相同單樁壁厚條件下單樁沉樁過(guò)程累積疲勞損傷值隨外徑增加而降低，因?yàn)樵谕鈴皆黾雍螅瑯渡斫孛娴慕孛娣e隨之增大，也增加了樁與土體的接觸面積，進(jìn)一步釋放了樁身向土體傳遞的能量，降低了樁身自身聚集的能量，進(jìn)而降低了樁身的累積疲勞損傷。

圖9 累積疲勞損傷與樁截面高程的關(guān)系

3 結(jié)論

采用離散力學(xué)模型可用于單樁的可打性分析，通過(guò)輸出應(yīng)力幅值與次數(shù)關(guān)系，可計(jì)算沉樁的累積疲勞損傷。

1)采用GRLWEAP軟件計(jì)算得到的每米錘擊數(shù)及總錘擊數(shù)-貫入度曲線與實(shí)測(cè)值基本吻合，證明了模型應(yīng)用于單樁可打性分析的可行性。

2)相同外徑下，每米錘擊數(shù)隨壁厚增大而增加，但總錘擊數(shù)變化較小；相同壁厚下，每米錘擊數(shù)與總錘擊數(shù)均隨外徑增大而增加。

3)不同單樁尺寸對(duì)沉樁疲勞損傷的影響是一致的，壁厚與外徑的增大均有利于降低沉樁累積疲勞損傷。