導(dǎo)管架基礎(chǔ)灌漿粘結(jié)力試驗(yàn)研究

孫洋波，陳大明

（上海港灣工程質(zhì)量檢測有限公司，上海 201315）

導(dǎo)管架基礎(chǔ)灌漿粘結(jié)力試驗(yàn)研究

孫洋波，陳大明

（上海港灣工程質(zhì)量檢測有限公司，上海 201315）

導(dǎo)管架作為一種重量輕、海床地質(zhì)條件適應(yīng)性好、穩(wěn)定性好、適合較深海域的海上風(fēng)電基礎(chǔ)，風(fēng)電機(jī)組、波浪和洋流等載荷主要通過導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)經(jīng)混凝土傳遞至鋼管樁，鋼管樁再把載荷傳遞到海床。而鋼管樁與導(dǎo)管架的連接方式常采用灌漿連接來代替焊接和栓接，灌漿質(zhì)量直接影響到導(dǎo)管架的整體穩(wěn)定性能和安全性，現(xiàn)場試驗(yàn)采用檢測內(nèi)、外鋼管之間灌漿粘結(jié)力連接效果是最直觀有效的方法。文中介紹了珠海桂山海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)導(dǎo)管架灌漿粘結(jié)力的原位試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明導(dǎo)管架灌漿連接結(jié)構(gòu)抗拉極限承載能力不小于19 200 kN。本次灌漿粘結(jié)承載力原位試驗(yàn)對于該工程導(dǎo)管架灌漿施工提供了數(shù)據(jù)支持，彌補(bǔ)了國內(nèi)類似的導(dǎo)管架基礎(chǔ)灌漿連接效果檢測的空白。

海上風(fēng)機(jī)；導(dǎo)管架基礎(chǔ)；灌漿；粘結(jié)承載力

近年風(fēng)電行業(yè)得到迅猛發(fā)展，特別是海上風(fēng)電場具有不占用土地資源、發(fā)電效率高、不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，已成為未來重要的能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向之一。發(fā)電成本是制約風(fēng)電發(fā)展的主要瓶頸，海上風(fēng)電風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)建設(shè)成本在海洋風(fēng)電造價(jià)中占有較大的比重，約占整個(gè)工程建設(shè)成本的20%～30%[1-2]。導(dǎo)管架作為一種重量輕、海床地質(zhì)條件適應(yīng)性好、穩(wěn)定性好、適合較深海域的海上風(fēng)電基礎(chǔ)，在歐洲海上風(fēng)電場得到了廣泛應(yīng)用。風(fēng)電機(jī)組、波浪和洋流等載荷主要通過導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)經(jīng)混凝土傳遞至鋼管樁，鋼管樁再把載荷傳遞到海床。鋼管樁與導(dǎo)管架的連接方式常采用灌漿連接來代替焊接和栓接，灌漿連接具有良好的結(jié)構(gòu)性能，以及施工便利、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，灌漿質(zhì)量直接影響到導(dǎo)管架的整體穩(wěn)定性能和安全性[3-5]。國內(nèi)的海上風(fēng)電開發(fā)尚處于起步階段，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)較為匱乏，針對灌漿連接段開展的研究相對較少，有關(guān)內(nèi)、外鋼管之間灌漿粘結(jié)力連接效果的試驗(yàn)為空白。

1 試驗(yàn)概況

珠海桂山海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)由4條腿支撐，支腿間有加強(qiáng)斜撐連接，支腿上部設(shè)置平臺(tái)?；A(chǔ)結(jié)構(gòu)安裝方法是先在海底打4根樁（樁頭在泥面以上），然后通過拖輪將在船廠制造完成的外挑平臺(tái)式基礎(chǔ)運(yùn)輸至指定位置，通過自升式平臺(tái)等安裝船舶對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行吊裝，將外挑平臺(tái)式基礎(chǔ)支腿插入樁中。然后在平臺(tái)甲板上通過灌漿導(dǎo)管向鋼樁與基礎(chǔ)支腿間灌漿，確?；A(chǔ)支腿與鋼樁穩(wěn)固連接。

為了模擬海上工況條件下灌漿工藝，并測試內(nèi)、外鋼管之間灌漿粘結(jié)力連接效果，設(shè)計(jì)并制作了高4 m的鋼樁和高3.2 m導(dǎo)管架模型，模型比例為1∶1，圖1為導(dǎo)管架基礎(chǔ)模型示意圖。導(dǎo)管架模型腿柱上設(shè)置上下2套灌漿管線并預(yù)制在導(dǎo)管架腿柱內(nèi)部，剪切鍵按導(dǎo)管架腿柱實(shí)際結(jié)構(gòu)預(yù)制，導(dǎo)管架底部標(biāo)高與鋼樁底部標(biāo)高一致，兩者均布置在同一水平鋼板上，然后整體通過電焊或螺栓連接形成與實(shí)際工況相同的環(huán)形空間，連接處采用橡膠條密封。再制作鋼結(jié)構(gòu)架，每個(gè)鋼架上設(shè)置1～2環(huán)空模具，然后將鋼架固定在碼頭邊，并確保其水位與實(shí)際工況基本相當(dāng)。灌漿試驗(yàn)作業(yè)時(shí)，將制作好導(dǎo)管架模型放入海水中，所有操作均在船上完成。本次試驗(yàn)采用的灌漿料為中交上海三航科學(xué)研究院有限公司自主研發(fā)的UHPG灌漿料，灌漿采取水下灌漿方式。灌漿作業(yè)結(jié)束3 d后，將導(dǎo)管架模型運(yùn)上岸，待灌漿料達(dá)到28 d齡期后進(jìn)行相關(guān)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)和性能檢測。

圖1 導(dǎo)管架模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of jacket model

2 試驗(yàn)方法

根據(jù)千斤頂?shù)囊?guī)格和加載條件，導(dǎo)管架模型運(yùn)上岸后在導(dǎo)管架模型的頂部周邊設(shè)置了頂帽和連接肋板，以便測試注漿后鋼管與注漿之間的粘黏結(jié)力。

1）加載系統(tǒng)：根據(jù)本次結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)最大加載量，加載設(shè)備由8臺(tái)3 200 kN的千斤頂、70 MPa高壓油泵及相應(yīng)油路系統(tǒng)及經(jīng)標(biāo)定的精密油壓表組成。試驗(yàn)荷載由RS-JYC樁基靜載測試儀控制，并由精密度為0.4級(jí)油壓表進(jìn)行校核。8臺(tái)千斤頂均勻布置在內(nèi)鋼管頂，見圖2，千斤頂安裝完畢后見圖3。

圖2 千斤頂布置圖Fig.2 Jack arrangement

圖3 千斤頂安裝完畢后現(xiàn)場圖Fig.3 The site map after the com p letion of jack

2）量測系統(tǒng)：本次結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)量測系統(tǒng)采用經(jīng)標(biāo)定的武漢巖海工程技術(shù)有限公司生產(chǎn)的RS-JYC樁基靜載荷測試儀器。

一般情況下結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)位移量測的基準(zhǔn)系統(tǒng)為1個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)。考慮到本次試驗(yàn)對于整個(gè)導(dǎo)管架模型結(jié)構(gòu)體來講均為內(nèi)力，同時(shí)考慮本次試驗(yàn)的目的，將位移傳感器用磁性表座固定在外管頂部來測試內(nèi)管的位移，見圖4位移傳感器安裝圖。數(shù)據(jù)采集采用全自動(dòng)測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)置的試驗(yàn)程序可自動(dòng)完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、計(jì)算、判斷和打印等工作，自動(dòng)繪出相關(guān)曲線供測試人員現(xiàn)場判別。

3）加載方式：本次試驗(yàn)參照GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄M巖石錨桿抗拔試驗(yàn)要點(diǎn)分級(jí)加載，荷載分級(jí)為8級(jí)，最大加載量為16 000 kN。每級(jí)荷載施加后，立即測讀位移量，以后每間隔5 min測讀1次位移，連續(xù)4次測讀出的位移值均<0.01 mm時(shí)，認(rèn)為該級(jí)荷載下的位移已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，可繼續(xù)施加下一級(jí)荷載[6]。

圖4 位移傳感器Fig.4 Disp lacem ent transducer

4）終止加載條件及極限承載力判定：當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時(shí)，即可終止試驗(yàn)：

①測讀的位移值持續(xù)增長，且在1 h內(nèi)未出現(xiàn)穩(wěn)定的跡象。

②新增加的荷載無法施加，或者施加后無法保持荷載穩(wěn)定。

③內(nèi)、外鋼管之間已出現(xiàn)明顯位移。

符合上述終止條件的前一級(jí)荷載，即為結(jié)構(gòu)的極限荷載。

試驗(yàn)結(jié)束后，對試驗(yàn)現(xiàn)場的破壞情況進(jìn)行詳盡描述并拍攝照片。

3 試驗(yàn)結(jié)果

本次試驗(yàn)的荷載分級(jí)為8級(jí)（初定最大加載量為16 000 kN），首次加載以2倍荷載（即4 000 kN）開始，加載至第8級(jí)（即16 000 kN）時(shí)，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)未發(fā)生破壞，且內(nèi)、外壁相對位移增量無明顯突變，第8級(jí)荷載持荷時(shí)間內(nèi)，內(nèi)、外鋼管之間相對位移穩(wěn)定。為進(jìn)一步了解導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的抗拉性能，按原定荷載分級(jí)方式繼續(xù)加載，加載過程結(jié)構(gòu)也未發(fā)生較大響聲，加載至19 200 kN時(shí)，考慮到導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的整體安全停止繼續(xù)加載，在持荷時(shí)間內(nèi)結(jié)構(gòu)未發(fā)生破壞且內(nèi)、外壁相對位移增量無明顯突變。試驗(yàn)過程中每級(jí)荷載下的內(nèi)、外鋼管相對位移見表1，分級(jí)加載過程中內(nèi)、外鋼管荷載-相對位移曲線見圖5。根據(jù)加載情況及內(nèi)、外鋼管之間相對位移的測試結(jié)果，綜合判定該導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)抗拉極限承載力≥19 200 kN。

表1 內(nèi)外管相對位移數(shù)值統(tǒng)計(jì)表Tab le 1 Numerical table of relative displacement of inner and outer tubes

圖5 內(nèi)外鋼管荷載-相對位移曲線Fig.5 Load relative displacement curve of inner and outer steel tubes

4 結(jié)語

1）本次灌漿粘結(jié)承載力原位試驗(yàn)取得了滿意的成果，為桂山風(fēng)電工程進(jìn)行實(shí)際風(fēng)機(jī)導(dǎo)管架灌漿施工提供了數(shù)據(jù)支持，彌補(bǔ)了國內(nèi)類似的導(dǎo)管架基礎(chǔ)灌漿連接效果檢測的空白。

2）本次試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的反力裝置、加載裝置（并聯(lián)千斤頂、油泵）、數(shù)據(jù)采集儀系統(tǒng)（測控主機(jī)、傳感器、油泵控制器）、試驗(yàn)所采用的加載方式和終止加載條件等是先進(jìn)、可靠、安全的，為類似的導(dǎo)管架基礎(chǔ)灌漿連接效果試驗(yàn)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

3）采用上海三航科研院UHPG灌漿料灌注的導(dǎo)管架灌漿連接結(jié)構(gòu)的抗拉極限承載能力≥19 200 kN。

[1] SNYDER B,KAISER M J.Ecological and economic cost-benefit analysis ofoffshore wind energy[J].Renewable Energy,2009,34(6): 1 567-1 578.

[2] 尚景宏，羅銳，張亮.海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)選型與施工工藝[J].應(yīng)用科技，2009，36（9）：6-10. SHANG Jing-hong,LUO Rui,ZHANG Liang.Foundation structure selection and construction process for offshore wind turbines[J]. Applied Science and Technology,2009,36(9):6-10.

[3]朱榮華，李少清，張美陽.珠海桂山200 MW海上示范風(fēng)場風(fēng)電機(jī)組導(dǎo)管架基礎(chǔ)方案設(shè)計(jì)[J].風(fēng)能，2013（9）：94-98. ZHU Rong-hua,LIShao-qing,ZHANG Mei-yang.Jacket foundation design for 200 MW offshore demonstration wind farm projectof Zhuhai Guishan[J].Wind Energy,2013(9):94-98.

[4]朱榮華，田振亞，龍正如，等.海上風(fēng)電機(jī)組導(dǎo)管架基礎(chǔ)水下灌漿技術(shù)分析[J].風(fēng)能，2013（12）：104-107. ZHU Rong-hua,TIAN Zhen-ya,LONG Zheng-ru,et al.Analysis of underwater grouting technology of offshore wind turbine jacket foundation[J].W ind Energy,2013(12):104-107.

[5]仲偉秋，麻曄，楊禮東，等.海上風(fēng)電樁基礎(chǔ)與導(dǎo)管架灌漿連接段的ANSYS分析[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，28（4）：663-669. ZHONG Wei-qiu,MA Ye,YANG Li-dong,et al.The analysis of grouted connection between pile foundation and jacket for offshore wind turbine by ANSYS[J].Journalof Shenyang Jianzhu University: Natural Science,2012,28(4):663-669.

[6]GB 50007—2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. GB 50007—2011,Code fordesign ofbuilding foundation[S].

Experimental study on grouting bond strength of jacket foundation

SUN Yang-bo,CHEN Da-ming
（ShanghaiHarbor Quality Control&Testing Co.,Ltd.,Shanghai 201315,China）

Jacketas a lightweight,good adaptability to the seabed geological conditions,good stability,is suitable for the deep waters offshore wind turbine foundation and wind turbine.wind turbine generator,wave and ocean current load mainly through the jacket structure by concrete transfer to the pipe pile,steel pipe pile to load transfer to the sea bed.The connection between steel pipe pile and jacket usually used grounding to replace welding and bolting,grouting quality directly affect the stable performance and safety of the overall jacket,in-situ test used the method for detecting the connection effect ofgrouting bonding strength between inner and outer steel pipe,which is the most direct and effective method.The in-situ test on grouting bond strength of jacket foundation in Zhuhai Guishan offshore wind turbine is introduced in this paper.The experimental results show that the ultimate tensile bearing capacity of the jacketgrouting connection structure is not less than 19 200 kN.The in-situ test on grouting bond strength provides the data support for the jacket grouting construction,and makes up the blank of the test of the grouting connection effectof the similar jacket foundation in China.

offshore wind turbine;jacket foundation;grouting;bond bearing capacity

U656.6；TU473.1

A

2095-7874（2016）11-0042-04

10.7640/zggw js201611010

2016-05-07

2016-07-12

孫洋波（1978— ），男，陜西合陽人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)試驗(yàn)檢測工程。E-mail：yangbosun@126.com