海上樁基礎注水加壓拆除法的研究

張浦陽，信連碩，丁紅巖，樂叢歡

海上樁基礎注水加壓拆除法的研究

張浦陽1, 2，信連碩1，丁紅巖1, 2，樂叢歡1, 2

(1. 天津大學建筑工程學院，天津 300350；2. 天津大學水利工程智能建設與運維全國重點實驗室，天津 300350)

近年來，全球海上風電發展勢頭迅猛．單樁基礎作為最早應用于海上風電的基礎類型，在全球風場中占據主導地位．現有風機的壽命一般約為20年，預計未來10年將迎來大量風機退役，這使得海上樁基礎的回收問題變得愈發重要．為更好地解決海上樁基礎退役拆除問題，本文通過物理模型實驗的方式對注水加壓拆除法進行了研究．實驗結果顯示：大直徑樁基礎拆除時所需壓強更小，更易通過注水加壓拆除法進行拆除；樁基礎初始傾角對注水加壓拆除所需壓強影響較小，但初始傾角越大基礎越易傾倒；拆除過程中樁基礎單位位移引起的艙內壓強下降幅度始終相同，不受基礎直徑、入泥深度以及傾角的影響．根據物理模型實驗數據，結合土力學、水力學相關理論，建立了注水加壓拆除法全過程理論模型，可大致預測不同樁徑、不同入泥深度樁基礎的啟動艙內壓強與艙內壓強-位移曲線，并且在此基礎上，結合滲流計算，利用有限元模型對水泵在注水回收過程中可產生的最大艙內壓強進行了預測，對比最大艙內壓強與基礎拆除所需的啟動艙內壓強即可判斷此水泵能否用于注水加壓拆除．本文所得結論可為海上風電樁基礎的退役處理提供參考，有助于保障風場海床資源的可持續利用，具有一定的工程價值．

海上風電；樁基礎；拆除；注水加壓；模型實驗

近年來海上風電快速發展，越來越多的風機投入使用．風機整機的使用壽命一般在20年左右，這意味著未來10年將迎來大量風機退役．單樁基礎是最早的風機基礎形式，也是在現有風場中占比最高的基礎形式．從現有的風機退役經驗來看，風機基礎拆除采取的辦法大多是對樁體進行切割，此種拆除方法會在風場中遺留大部分樁體，這將會為新基礎的安裝帶來很大影響．

在以往的研究中，筒型基礎的注水加壓拆除方法已經在不同場境中取得成功．丁紅巖等[1]、Le等[2]在遼東灣采用了注水加壓法成功拆除了服役7年的三筒靠船平臺，且在拆除后重新進行了安裝，結果表明在較長的服役時間后，筒型基礎平臺的極限抗拔力提高了約85%；Lorenti等[3-4]、Lehane等[5]在香港東南水域使用注水加壓法拆除了一個直徑3.4m、高度12m的吸力式沉箱，確定了其極限抗拔能力，隨后進行了一系列離心機實驗研究吸力式筒型基礎的拔出機理，提出了一種預測所需要拔樁力的計算方式；Huang等[6]通過模型實驗的方式研究了改進型吸力沉箱(modified suction caisson，MSC)和常規吸力沉箱(regular suction caisson，RSC)的注水加壓拆除過程，研究了不同的拆除方式(注水加壓拆除和吊裝拆除)和注水速率對超孔隙水壓力變化的影響.此外，Zhang等[7-10]通過物理實驗深入研究了筒型基礎安裝與拆除過程中筒-土相互作用機理和土質對調平的影響，分析了沉貫中孔隙水壓力與土壓力變化，研究了吸力沉箱的安裝阻力、水壓拆除機制，以及復雜條件下筒型基礎的下沉阻力和臨界吸力．由此可見，在筒型基礎注水加壓拆除方面已經進行了深入的研究與實踐，證明了此拆除方法的可行性．

近年來，注水加壓拆除法在樁基礎領域的研究已經初步開展．2021年Beuckelaers等[11]提出了樁基礎一維注水加壓拆除理論，推導出了不同土質條件下樁體入泥深度和拆除時臨界啟動壓強的關系，但相關理論推導還未進行實驗驗證，研究對象也集中在豎直樁體，并未對傾斜樁體進行討論．

本文旨在利用筒型基礎所使用的注水加壓拆除法去解決樁基礎的拆除問題．這種方法能夠實現基礎的完整拆除，并且具有噪音低、工序簡單、施工設備易得等優勢．

本文采用物理實驗的方式，研究了豎直樁基礎與傾斜樁基礎的注水加壓拆除過程，在一定程度上明確了拆除過程中樁-土之間的作用機理以及此拆除技術的適用工況；根據水力學與土力學原理對樁基礎拆除所需壓強以及拆除過程中的壓強-位移曲線進行了擬合，并且提出了一種基于滲流計算的加壓水泵選型辦法．

1?物理模型實驗

1.1?課題原型以及實驗工況

單樁基礎是占比最高的海上風電基礎，有著多樣的尺寸與入泥深度．本課題主要研究大直徑單樁基礎與早期風場小深度單樁基礎，部分原型基礎尺寸如下：荷蘭Lely風場中的500kW兩葉片風機基礎直徑3.7m，入泥深度15m；揭陽神泉某風場風機基礎直徑8.7m，入泥深度35～40m；福建莊河某風場風機基礎直徑8.2m，入泥深度31m；鹽城國能大豐H5#風場風機基礎直徑8.2m，入泥深度40m．由此確定本文原型基礎入泥深度與直徑的比值范圍為4～5．

傳統樁基礎以豎直樁為主，傾角不超過0.5°，承臺基礎斜樁傾角較大，一般在6°～12°．

綜合以上分析，以樁基礎直徑、入泥深度以及初始傾角為變量，設計實驗工況如表1所示．

表1?實驗工況

Tab.1?Experimental conditions

1.2?實驗流程

實驗所用砂土為福建標準砂，是水工實驗中較為常用的砂土，其物理性質較為穩定，在一定程度上可以代表我國海域砂土地基的土質特性．實驗砂粒徑范圍為0.1～2.0mm，相對密實度為0.58，彈性模量為18MPa，內摩擦角為32.5°，最大干密度為1.5g/cm3，最小干密度為1.1g/cm3，滲透系數為0.068cm/s．

實驗前將干燥的實驗砂通過落雨法轉移到實驗土槽當中，然后通過布置在土槽底部的帶孔水管排向內注水，實現砂土自下而上的浸潤，當水面高出泥面10cm左右時停止注水．

在實驗模型方面，選擇使用有機玻璃而非鋼材作為制作樁基礎模型的材料，主要原因在于有機玻璃模型能夠直接展示樁內水-土相互作用，而且其密度較鋼材更小，更符合縮尺實驗的重力相似準則．

根據實驗土槽的尺寸確定實驗的相似比為1∶40．具體而言，樁基礎模型高度為120cm，側壁厚度為5mm，直徑分別為25cm、20cm和15cm，質量分別為11.90kg、9.15kg和6.70kg．為了進行加壓拆除實驗，在模型頂部安裝了鋼制頂蓋，頂蓋以法蘭形式設計，并布置兩個直徑為8mm的水管接口，同時預留了孔壓計的安裝孔．

注水加壓拆除實驗過程如圖1所示．先通過一根注水管向樁內注水并排凈空氣，定義此過程為注水排氣階段．當樁內水從另一注水孔溢出時，將另一根注水管連接注水孔，此時兩根水管同時向樁內注水加壓，定義此后階段為封閉加壓階段．在進入封閉加壓階段后樁基礎開始向上位移，當樁基礎傾倒或者不再產生位移時實驗停止．在實驗過程中，樁基礎一旦傾斜很難扶正，并且會在短時間內傾倒．

（a）注水排氣階段 （b）封閉加壓階段

（c）拆除終點(未傾倒)?????（d）拆除終點(傾倒)

圖1?注水加壓拆除過程

Fig.1?Water injection demolition process

2?實驗結果

W-D20H80-0工況拆除曲線如圖2所示．由圖2(a)可知，艙內壓強隨著位移的增大而降低，且艙內壓強的波動幅度也逐漸降低．由圖2(b)可知，樁基礎開始位移時的艙內壓強約為42kPa，定義此艙內壓強為初始啟動艙壓．由圖2(c)可知，艙內壓強的波動呈現出相似的規律：在某一位置處，壓強逐漸增大直到樁基礎發生位移，在位移過程中艙內壓強逐漸減小直到本次位移結束，在新位置壓強繼續增大直到樁基礎再次位移．除此之外，圖2(c)將不同位移階段的拆除曲線進行對比，發現整個拆除過程中大部分艙內壓強下降階段的曲線幾乎平行，這說明水動力拆除過程中樁基礎單位位移引起的艙內壓強下降幅度相同，后續研究中將艙內壓強下降階段的曲線簡稱為降壓曲線.

（a）全程曲線

（b）啟動曲線

（c）細節曲線

圖2?W-D20H80-0工況拆除曲線

Fig.2 Demolition curves under W-D20H80-0 working condition

2.1?不同直徑樁基礎拆除曲線

不同直徑樁基礎拆除曲線如圖3所示，由于W-D15H80-0工況注水加壓拆除失敗，因此圖3中無此工況．從全程曲線來看，直徑越大的單樁基礎拆除所需艙內壓強越小．從啟動曲線來看，在入泥深度相同的情況下，樁基礎直徑越大拆除所需艙內壓強越小，且拆除所需艙內壓強大致呈現與直徑成反比的規律.從細節曲線來看，在基礎位移相同的情況下，樁基礎直徑越大，艙內壓強波動幅度越小，波動頻率越高，并且不同直徑的工況的降壓曲線近似平行．

（a）全程曲線????????????? （b）啟動曲線?????????????（c）細節曲線

圖3?不同直徑基礎拆除曲線

Fig.3?Demolition curves of foundations with different diameters

2.2?不同入泥深度樁基礎拆除曲線

不同入泥深度樁基礎拆除曲線如圖4所示．從全程曲線來看，入泥深度越大拆除所需艙內壓強越大，且艙內壓強隨位移下降趨勢相近．從啟動曲線來看，在直徑相同的情況下，樁基礎入泥深度越大拆除所需艙內壓強越大，且拆除所需艙內壓強大致呈現與入泥深度的平方成正比的規律．從細節曲線來看，W-D20H70-0與W-D20H60-0工況降壓曲線斜率相近，W-D20H80-0工況降壓曲線斜率偏大．

（a）全程曲線??????????????（b）啟動曲線????????????? （c）細節曲線

圖4?不同入泥深度樁基礎拆除曲線

Fig.4?Demolition curves of pile foundations with different mud depths

2.3?不同初始傾角樁基礎拆除曲線

不同初始傾角樁基礎拆除曲線如圖5所示．從全程曲線來看，不同初始傾角樁基礎拆除曲線走勢十分相似，不同點在于初始傾角大的工況更容易因傾倒導致拆除終止．從啟動曲線來看，不同初始傾角樁基礎啟動艙壓都穩定在32kPa附近．從細節曲線來看，不同初始傾角樁基礎降壓曲線斜率、波動頻率與波動幅度相近．

（a）全程曲線??????????????（b）啟動曲線????????????? （c）細節曲線

圖5?不同初始傾角樁基礎拆除曲線

Fig.5?Demolition curves of pile foundations with different initial inclination angles

2.4?注水加壓拆除過程中樁芯土受力

以W-D20H80-0工況為例，在入泥深度20cm與30cm處分別布置1號與2號測點，樁芯土兩測量點在拆除過程中土壓與超孔隙水壓變化如圖6所示．

圖6 拆除時樁芯土內土壓與超孔隙水壓變化情況

兩測點的孔隙水壓與艙內壓強始終保持下降的趨勢，且兩測點孔隙水壓差值十分穩定．測點土壓在某時刻有著增大的趨勢，且1號測點土壓增大時刻先于2號測點．以上分析說明在注水加壓拆除過程中，樁芯土在水壓作用下有效土壓增大，這導致樁土之間摩擦阻力增大，拆除所需上拔力增大．

3?理論推導

3.1?突破壓強

樁基礎在注水加壓拆除過程中的受力情況如圖7所示：水泵將水注入到封閉的樁艙中，導致艙內水壓增大；在樁內外水壓差的作用下，樁內水體通過樁芯土開始向下滲流；樁艙內增大的水壓作用在樁體頂板上使樁體獲得上拔力，其作用在樁芯土上增大樁芯土的有效土壓．

圖7?注水加壓拆除過程樁基礎受力

樁基礎在水壓作用下獲得上拔力的同時，基礎入泥部分會受到向下的摩擦力，當上拔力超過樁土摩擦力與樁體重力的合力時，樁基礎將發生位移，即

代入相關數據，計算結果如表2所示．由表2可以發現不同工況下計算所得i值較為接近，在一定程度上證明了此理論模型的適用性．根據計算內容，在后續推導過程中i值取0.262．

桔皮書是實施專利鏈接制度的基礎，只有列入桔皮書中的專利才能適用這一制度。列入桔皮書的專利情況能夠反映原研藥企業對這一制度的利用情況，桔皮書中登記的專利的量和類型變化也反映了藥品專利的發展情況和趨勢。

表2i的計算值

Tab.2?Calculation values of ai

3.2?運動曲線

以W-D20H80-0工況為例，在樁基礎拆除過程中艙內壓強增大至突破壓強后，樁體克服最大摩擦阻力向上移動，在移動過程中艙內壓強隨著位移線性減少，之后樁基礎在重力與側壁滑動摩擦力的作用下減速至停止，然后在新位置重復加壓過程．

樁基礎將發生位移時，艙內壓強提供的上拔力為

式中為樁體質量．

在后續位移過程中，樁基礎艙內壓強隨著基礎位移而線性減小，則位移過程中加速度為

3.3?理論驗證

綜合上述理論進行曲線擬合，擬合過程中參數取值如表3所示，擬合效果如圖8所示．

表3?擬合參數

Tab.3?Fitting parameters

3.4?最大艙內壓強計算

樁土系統的流量-艙內壓強曲線使用ABAQUS軟件進行計算．模型整體外觀與網格劃分如圖10(a)所示，所有土體網格需要設置為pore fluid/stress類型，模型總單元數約為5×104．土體部分直徑為2m，高度為2m，彈性模量取值18MPa，內摩擦角取值32.5°，泊松比取值0.3，滲透系數取值0.068cm/s，浮容重取值500kg/m3．樁體部分直徑為0.2m，高度為1.2m，入泥部分長度為0.8m，彈性模量取值3GPa，浮容重為180kg/m3．樁土之間采用摩擦接觸，摩擦系數為0.35．樁芯土頂部施加隨時間線性增大的艙內壓強，施加區域如圖10(b)所示．

最大艙內壓強計算如圖11所示．將流量-壓強曲線(水泵)與樁土系統的流量-艙內壓強曲線(滲流)繪制到該圖中，曲線交點縱坐標即為此水泵作用于此工況可以得到的最大艙內壓強．

（a）W-D20H80-0全程曲線對比 ????（b）W-D20H80-0啟動曲線對比????? （c）W-D20H80-0細節曲線對比

（d）W-D25H80-0全程曲線對比??????（e）W-D25H80-0啟動曲線對比? （f）W-D25H80-0細節曲線對比

（g）W-D20H70-0全程曲線對比 ?? （h）W-D20H70-0啟動曲線對比????? （i）W-D20H70-0細節曲線對比

（j）W-D20H60-0全程曲線對比??????（k）W-D20H60-0啟動曲線對比 （l）W-D20H60-0細節曲線對比

圖8?理論擬合效果示意

Fig.8?Schematic of theoretical fitting effect

（a）全程曲線對比(不同直徑) ???? （b）啟動曲線對比(不同直徑)???????（c）細節曲線對比(不同直徑)

（d）全程曲線對比(不同入泥深度)?????（e）啟動曲線對比(不同入泥深度) ?（f）細節曲線對比(不同入泥深度)

圖9?不同直徑、不同入泥深度基礎拆除曲線(理論擬合)

Fig.9?Demolition curves of foundation with different diameters and different mud depths(theoretical fitting)

（a）模型整體 （b）水壓施加區域

圖10?W-D25H80-0滲流計算有限元模型

Fig.10 Finite element model of W-D25H80-0 seepage cal-culation

圖11?最大艙內壓強計算

4?結?語

本文通過物理模型實驗的方式，研究了注水加壓拆除法在海上樁基礎領域的應用特征，并根據實驗數據，結合土力學、水力學相關理論，建立注水加壓拆除法全過程理論模型．

本文所得結論如下：注水加壓拆除過程中樁基礎位移是跳躍的而非連續的；注水加壓拆除過程中樁芯土有效土壓增大，其導致樁土之間摩擦阻力增大；大直徑樁基礎更易通過注水加壓拆除法進行拆除；樁基礎初始傾角對注水加壓拆除所需艙內壓強以及拆除曲線影響較小；本文所述注水加壓拆除法全過程理論模型與實驗結果較為接近，初步解決了啟動壓強與拆除曲線的預測問題，同時基于此理論結合施工設備特點提出了一種水泵選型標準．

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Research on Water Injection Demolition Method for Offshore Pile Foundation

Zhang Puyang1, 2，Xin Lianshuo1，Ding Hongyan1, 2，Le Conghuan1, 2

(1. School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300350，China；2. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Intelligent Construction and Operation，Tianjin University，Tianjin 300350，China)

In recent years，the global offshore wind energy has kept a rapid growth. As the earliest foundation type used in offshore wind power generation，monopile foundations dominate in offshore wind farms worldwide. Since the existing turbines typically last around 20 years，a large number of them are expected to be decommissioned in the next decade，which illustrates the increasing importance of recovering offshore pile foundations. To address the problem of decommissioning and demolishing offshore pile foundations，a water injection demolition method was studied in this paper based on physical model experiments. Experimental results indicate that when using the proposed water injection demolition method，larger-diameter pile foundations required lower pressure，and the initial tilt angle had a limited impact on the required pressure，although a large angle may increase the risk of toppling. During the demolishing process，the chamber pressure drop due to the unit displacement of the pile foundation remained consistent，which was independent of the influences of foundation diameter，mud depth and tilt angle. Based on the combination of experimental data，soil mechanics and the hydraulic theory，a theoretical model for the whole demolition process was established，which can be used to predict the initial chamber pressure and chamber pressure-displacement curves under conditions of different pile diameters and different mud depths. Moreover，with the incorporation of seepage calculations and a finite element model，the maximum chamber pressure generated by a water pump during the water injection demolition process was predicted，so that whether the water pump was proper for injecting water can be determined by a comparison between the predicted maximum chamber pressure and the required pressure for foundation demolition. The findings in this paper provide a reference for decommissioning offshore wind power pile foundations，which contributes to the sustainable utilization of seabed resources in wind farms and is of engineering significance.

offshore wind power；pile foundation；demolition；water injection；model experiment

TU449

A

0493-2137(2024)04-0437-08

10.11784/tdxbz202305033

2023-05-29；

2023-08-17.

張浦陽（1978—??），男，博士，副教授.

張浦陽，zpy_td@163.com.

國家自然科學基金資助項目(52171274).

the National Natural Science Foundation of China(No.52171274).

(責任編輯：武立有)