海上擠密砂樁加固風電基礎原位載荷試驗分析

王 華，孫洋波，孟 歡，曹勝敏

(1.上海港灣工程質量檢測有限公司，上海 201315；2.中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300220)

引言

目前海上風電的基礎結構類型主要有：重力式基礎結構、單樁基礎結構、高樁承臺基礎結構、導管架基礎結構、吸力錨基礎結構。其中重力式基礎安裝簡便、投資成本低，但是整體體積和質量較大，而且對施工區域的水深和地質有一定的限制。[1-2]某海上風電項目位于某島東部約15 km 的海域、水深28.3～36.6 m，因所處場地軟土厚度12.30～ 13.30 m 下伏基巖，風機基礎形式采用砂樁復合地基的重力式基礎。

對淤泥質的海床，可通過水下擠密砂樁加固為建造重力式基礎結構創造條件。水下擠密砂樁加固軟弱地基，可快速提高地基承載力，推進施工進程縮短工期，減小工后地基沉降或不均勻沉降。在覆蓋層十幾米內的海床地基上通過水下擠密砂樁加固采用重力式基礎結構，在控制風機垂直度和經濟性方面具有獨特的優勢。[3～7]然而關于水下擠密砂樁復合地基的承載力和變形特性，精確的計算還存在較大的困難，在設計理論、施工參數、質量控制及承載力檢測方法等存在不確定性，需要通過現場載荷試驗確定水下擠密砂樁復合地基提高的天然地基的承載力和變形等特性的數值，為完善以后的設計理論和施工工藝等提供參考。[8～11]

水下擠密砂樁復合地基載荷試驗在國內較為少見，目前僅在洋山深水港區三期臨時碼頭接岸工程和港珠澳大橋人工島防波堤工程等進行了試驗，但這些試驗最大水深約15.0 m，而該風電項目載荷試驗水深達33.77 m，為目前國內水深較大的水下復合地基載荷試驗。深水荷載試驗除了需克服惡劣的環境條件、搭設平穩牢固的深水域試驗平臺等，關鍵還需保證傳力桿穩定特性。本次深水域試驗需要較長的傳力桿方可將試驗平臺上部千斤頂施加的荷載傳遞至復合地基上的荷載板，作為細長桿件的傳力桿厚徑比較小、水中及水面以上均為自由段，且海洋環境復雜，在較大試驗荷載及風浪荷載組合作用下傳力桿的壓彎穩定性驗算至關重要，根據驗算情況采取針對性的改善傳力桿穩定性的措施對試驗的成敗至關重要。

1 地質概況

擠密砂樁加固范圍內地基土均為第四系松散堆積物，地貌類型為水下淤泥質淺灘，總體水下地形較為平坦，場地穩定性較好。泥面標高為-32.11 m左右，淺部軟土厚度一般在12.30～13.30 m，中、上部地層以砂性土夾粘性土為主，下部以軟塑狀粘性土夾粉土為主，力學強度較低，地基穩定性一般。按自上而下順序依次為①層砂混淤泥質土以粗、礫砂為主，厚度0.60～1.10 m；②層粉質粘土夾砂呈軟塑（局部呈流塑）狀、厚度3.90～7.20 m；④層粉質粘土呈可塑（局部呈硬塑）狀、厚度1.40～ 2.20 m；⑥層粘土呈軟可塑-可塑狀、厚度2.40～ 3.40 m；⑧層中粗砂密實、厚度 0.50～2.70 m；層混合花崗巖、依據風化程度和實測標貫擊數劃分為全風化混合花崗巖層、碎屑狀強風化混合花崗巖層和碎塊狀強風化混合花崗巖層三個亞層。圖1 為水下擠密砂樁加固斷面示意圖。

圖1 水下擠密砂樁加固斷面示意圖

2 水下擠密砂樁載荷試驗

某海上風電項目位于距某島約15 km 的海域，風機基礎根據地質情況采用混凝土重力式形式，區域軟土覆蓋層為第四系松散堆積物、厚度為12.30～13.30 m，中、上部地層以砂性土夾粘性土為主，下部以軟塑狀粘性土夾粉土為主，力學強度較低，采用水下擠密砂樁加固。該海上風電項目采用的水下擠密砂樁直徑1.6 m，樁中心間距1.8m，呈正方形布置，面積置換率62 %。砂樁荷載試驗區域靠近F12-2 鉆孔，樁頂標高-32.11 m、樁底標高-43.71 m，樁長約11.6 m，砂樁頂面鋪設100～150 mm 砂墊層找平。

砂樁復合地基荷載試驗采用錨樁反力法進行。荷載板尺寸為3.6 m×3.6 m，荷載板覆蓋具有代表性的4 根砂樁，反力系統主要由4 根錨樁和魚腹梁提供反力，試驗基準梁架設在2 根基準樁上，其中基準樁打入砂樁加固層以下、達到在加載過程中基準樁不受地基沉降和外界船只等的影響，荷載板試驗平面布置圖見圖2。

圖2 荷載板試驗平面布置示意圖

本荷載試驗的荷載板位于水下約30 m 深度處，沉降觀測系統通過在荷載板四個角點預埋沉降桿引出到試驗平臺上，在基準系統上對稱布置4 只位移傳感器，由RS-JYC 測試儀自動測讀（量測精度為0.01 mm），并取其平均值為載荷板的沉降量，荷載板四個角點上量測位移的沉降桿與傳力桿每間隔2 m 通過套環和型槽鋼連接一道，以保證其剛度，減少立桿平面位移。

由設計資料顯示該試驗復合地基承載力特征值預估值為400 kPa，極限荷載預估值為800 kPa。載荷板面積3.6 m×3.6 m，則達到承載力特征值預估值需要的加載量為5 184 kN，達到極限承載需要的加載量為10 368 kN。加載系統主要由6 臺5 000 kN油壓千斤頂、70 MPa 高壓油泵和高壓油路系統及經標定合格的精密油壓表組成。加載方式采用慢速維持荷載法，按最大加載量為10 368 kN 按10 級進行分級加載，加載至最大加載量后逐級卸載，卸載至0 且穩定后，測讀殘余沉降量；維持荷載測試階段荷載1 h 加至400 kPa 維持荷載，并維持231 h（原計劃維持30 d、后因現場原因被迫停止），維持荷載期間每30 min 測讀一次荷載板位移。

為監測加載過程中樁土壓力分布情況，結合砂樁的位置，試驗前在載荷板下埋設了9 只TCP 型振弦式土壓力計，量程為 2.5 MPa，測量精度為 ±2.5 kPa，土壓力計布置圖見圖3。土壓力計電纜及測頭經密封處理并通過混凝土中預埋的PVC 管引到荷載板頂面，再引至測試平臺進行數據采集。在荷載試驗過程中，每次加載或卸載后，立即采用ADL-2000 型自動記錄儀對土壓力計采集數據，每級荷載維持中每隔半小時進行一次數據采集。

圖3 土壓力計布置示意圖

3 傳力桿穩定驗算

本次試驗水域泥面高程-32.11 m、設計高潮位 1.66 m、平均水深達33.77 m，考慮水位、風浪及需維持荷載30 d 等的因素試驗平臺頂高程為10.0 m。試驗平臺采用單層型鋼結構，平臺長和寬均為 12 m，圖4 為試驗平臺平面示意圖。載荷板和傳力桿加工為一體安裝就位，傳力桿頂高程11 m、長41.65 m，傳力桿為φ1 500 mm、壁厚δ30 mm 的鋼管樁，在高程+4.0 m、-8.5 m 和-22 m 設置了3 道水平限位構件。本次試驗最大加載量達10 368 kN，具有水深較大、荷載較大和傳力桿較長等特點，試驗過程中傳力桿在試驗荷載作用下的軸向受壓穩定性及在試驗荷載與風浪荷載組合作用下的壓彎穩定性是影響試驗成功與否的關鍵性因素。

圖4 試驗平臺示意圖

3.1 傳力桿壓屈穩定的影響因素

本次試驗采用的傳力桿長細比為27.8，在試驗過程中屬于細長桿件受力。試驗方案中傳力桿穩定性驗算時主要考慮以下影響因素。

1）傳力桿兩端約束條件，當桿頂與桿端的約束程度越強，傳力桿越不容易發生壓曲，且傳力桿的壓曲計算長度也會變小，其壓曲臨界荷載越大，傳力桿越穩定，不容易出現屈曲破壞。試驗時桿頂及反力梁底部與千斤頂中間放置兩個直徑φ2 200 mm、高0.42 m 的大圓盤，以以加強桿端的約束牢固性并使試驗荷載均勻地施加到傳力桿上。傳力桿底端固定到尺寸為3.6 m×3.6 m 荷載板上，為剛性連接、在試驗過程中可視為固定端。

2）傳力桿自身的影響，主要包括材料及截面形狀。由歐拉公式確定的臨界應力σcr與材料的彈性模量E 成正比，選E 值大的材料，可提高傳力桿的穩定性，故本次試驗采用鋼管樁作為傳力桿。試驗過程中傳力桿頂部與底部視為各縱向平面內的約束情況相同，為了充分發揮傳力桿的抗失穩能力，使傳力桿在任一縱向平面內的柔度λ相等或接近相等，這樣在各個方向就具有相等或接近相等的穩定性，故選擇環形截面的鋼管樁是比較合理的。

3）改善約束條件，一般說來增加傳力桿的約束，使其不容易發生彎曲變形，也可以提高傳力桿的穩定性。本次試驗除了盡可能改善桿頂與桿底的約束條件外，同時在高程+4.0 m、-8.5 m 和-22 m 設置了3 道水平限位構件。限位構件一端焊接在傳力桿上、一端焊接在直徑φ2 600 mm 的套在錨樁的抱箍上，以限制傳力桿在水平方向的變位，但可在豎向自由運動，圖5 為水平限位構件示意圖。考慮水平限位的約束作用，在偏于安全的情況下在穩定性計算時傳力桿的計算長度可取桿底至+4 m 高程約束的距離，傳力桿計算長度降低至35 m。

圖5 水平限位構件示意圖

3.2 傳力桿壓屈穩定驗算

根據《鋼結構設計標準》（GB50017-2017）[12]，對于圓形截面的鋼構件傳力桿的穩定性可按式（1）進行計算。

式中，φ為軸心受壓構件的整體穩定系數，根據構件的長細比，鋼材屈服強度和截面類型分類，按照《鋼結構設計標準》中附錄D 采用；

M為計算雙向壓彎圓管構件整體穩定時采用的彎矩值，N·m；

β為計算雙向壓彎整體穩定時采用的等效彎矩系數；

N為所計算構件范圍內軸心壓力設計值，N；

A為構件的截面面積，m2；

f為鋼材的抗彎強度設計值，按照《鋼結構設計標準》中表4.4.1 取值，N/mm2；

W為截面模量，m3；

γm為圓形構件的截面塑性發展系數，圓管截面取1.15；

N’Ex為按照式（2）計算，N。

E為鋼材的彈性模量，MPa；

λx為整個構件對對稱軸的長細比。

軸向壓力考慮1.3～1.5 倍的系數后取15 000 kN，傳力桿的計算長度在考慮水平限位構件約束后取35 m，風浪荷載按50 年一遇考慮。傳力桿在試驗荷載作用下的軸向受壓穩定性及在試驗荷載與風浪荷載組合作用下的壓彎穩定性，由式（1）計算結果分別為0.614 和0.97，均小于1。可見，本次試驗的傳力桿穩定性滿足要求。

4 載荷試驗結果及分析

試驗加載之前，承壓板底部承受承壓板自身、傳力桿及其他附件自重（按浮容重考慮）引起的壓力，相當于約1 700 kN 荷載，折合板底壓力為 133 kPa。之后所受荷載由千斤頂提供，下文所指的加載量包含133 kPa 自重荷載在內。

4.1 荷載沉降 p-s 曲線和沉降時間 s-lgt 曲線

各級荷載作用下，荷載沉降p-s 曲線見圖6，加載過程中的s-lgt 曲線見圖7。荷載加載至612 kPa時，沉降量為91.26 mm，每級荷載作用下荷載板的垂直沉降增量基本接近線性，p-s 曲線未出現明顯的拐點，相應的s～lgt 曲線亦基本保持平直，未出現突變點；荷載加載至692 kPa 時，p～s 曲線未出現明顯的拐點但是沉降增量增大，相應的s～lgt 曲線尾部出現向下彎曲趨勢，載荷板沉降量為 132.92 mm，沉降量為板寬的3.7 %，尚未達到約定的破壞或極限狀態；當荷載加載至772 kPa，p～s曲線出現明顯的拐點，s～lgt 曲線尾部亦出現明顯向下的折線，載荷板沉降量為328.13 mm，超過板寬的1/12、即300 mm，終止加載。完全卸載后殘余沉降289.52 mm，地基回彈量為38.61 mm。綜合上述，擠密砂樁復合地基破壞荷載為772 kPa，極限承載力推薦值為692 kPa。

圖6 荷載-沉降（p～s）曲線

圖7 s～lgt 曲線

4.2 地基固結沉降分析

為了解擠密砂樁復合地基的固結變形特性，完成極限承載力試驗后，再次將荷載加載至在 533 kPa，并維持了231 h（試驗方案計劃維持荷載30d，后因現場原因被迫中止），維持荷載試驗過程的沉降p-s 曲線見圖8。持荷總沉降量為35.0 mm，初始階段因千斤頂加載過程中沉降發展較快、加載至533 kPa 時的沉降量為15 mm、占總沉降的43 %左右，隨后直至試驗終止沉降發展均較平緩、均勻，且沉降曲線未有明顯收斂趨勢。

海上原位長時間的持續荷載試驗會受風浪、潮汐、荷載補充、靠船等因素影響。圖8 中p-s 曲線有三處明顯拐點：第1 處拐點和第3 處拐點均受前一天風浪天氣影響，第2 處拐點因當天對千斤頂進行補充加載23 kPa、補充加載量小于荷載板底部總荷載的5 %。曲線上有規律的局部沉降回彈與每日的大潮相關，試驗海域屬于正規半日潮，大潮指一日中潮位變化大的那個潮。3 處較明顯拐點處可以將整條p-s 曲線分割成4 個階段。第I階段起始沉降量15.12 mm，第Ⅱ階段起始沉降量21.83 mm，第Ⅲ階段起始沉降量25.25 mm，第Ⅳ階段起始沉降量32.30 mm。

圖8 持續荷載試驗p-s 曲線

每一級荷載增量所引起的固結過程可視為單獨進行，和上一級或下一級荷載增量所引起的固結無關，某一時間t 時總平均固結度等于該時各級荷載作用下固結度的疊加。為了便于分析，根據本次試驗的p-s 曲線特點將整個持續荷載分成4 級加載。并采用“經驗雙曲線法”對每級荷載下的最終沉降量進行擬合計算，可以近似認為地基固結沉降量和時間存在如下關系[13]：

在t→+∞時求極限，得下式：

式中：

St：滿載t 時間的實測沉降量(mm)；

S0：滿載開始時實測沉降量(mm)；

S∞：最終沉降量(mm)；

α、β：與地基及荷載有關的待定系數，可根據實測資料確定。

t：滿載維持時間(s)，從滿載時刻起算。

各級荷載作用下的預測殘余沉降可以表達為：

Sr：預測殘余沉降量(mm)。

由圖8 中p-s 曲線可知四個階段開始時沉降量

S0分別為：15.12 mm、21.83 mm、25.25 mm、32.30 mm；擬合計算各階段的1/β分別為10.30、4.90、8.24、3.81；由式（4）計算4 個階段最終沉降量S∞分別為25.4 mm、26.7 mm、33.5 mm 和 36.1 mm。

各級試驗荷載下預測總殘余沉降為27.25 mm，因此，在533 kPa 維持荷載下，最終沉降量約為 59.55 mm。

4.3 板底土壓力分析

試驗前在荷載板底部預埋了9 只土壓力計，編號S6 土壓力計在加載試驗開始前發生損壞，剩余8個土壓力計采集正常。經對比，土壓力計的實測值與荷載試驗所施加的荷載基本吻合、最大相差2.05 %。

5 結語

通過改善傳力桿頂部與底部的約束條件、增加水平限位構件約束后可滿足試驗過程中傳力桿穩定性要求。實測水下擠密砂樁復合地基破壞荷載為772 kPa，極限承載力推薦值為692 kPa。在533 kPa維持荷載下分段沉降曲線具有較好的收斂性、采用“經驗雙曲線法”擬合計算的最終沉降量為 59.55 mm。板底土壓力分析結果表明荷載板底部土壓力實測值與所施加的荷載基本吻合。

對于海上風電外海域深水區的擠密砂樁復合地基在解決好反力系統安裝中定位、垂直度、平面位置精度問題，采用錨樁反力法進行水深較大、荷載較大和傳力桿較長，處于外海海域的海上風電復合地基原位載荷試驗是檢測復合地基承載力的有效方法。