海上風(fēng)電場(chǎng)大直徑鋼管樁抗壓承載力試驗(yàn)

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(1 上海港灣工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，上海 200232； 2 北京海港房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)有限公司，北京 100085)

0 引 言

風(fēng)電是當(dāng)前世界范圍內(nèi)發(fā)展速度最快的綠色清潔能源之一，我國(guó)海上風(fēng)能資源儲(chǔ)量豐富，東部沿海特別是江蘇、浙江和福建沿海及近海的自然條件非常有利于建設(shè)海上風(fēng)電，具備大規(guī)模開(kāi)發(fā)的良好前景。海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)屬于重要性基礎(chǔ)設(shè)施，是海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的支撐構(gòu)件。目前海上風(fēng)電的主要基礎(chǔ)型式有單樁基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)、高樁承臺(tái)基礎(chǔ)、重力式基礎(chǔ)等，其中單樁基礎(chǔ)由于受力分析明確、制作方便、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)院的青睞。

單樁基礎(chǔ)通常為單根大直徑鋼管樁基礎(chǔ)，安裝在水下及海床內(nèi)，其插入深度取決于水深和海床地質(zhì)條件，穩(wěn)定性取決于所嵌入土體的性質(zhì)。雖然大直徑鋼管樁已經(jīng)在風(fēng)電工程中得到應(yīng)用，但國(guó)內(nèi)外對(duì)大直徑鋼管樁承載性能的研究較少，根本原因是：大直徑鋼管樁現(xiàn)場(chǎng)的靜載荷試驗(yàn)需要很大的外載荷，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的難度較大，成本也較高。目前僅有少數(shù)完整的大直徑樁靜載試驗(yàn)。英國(guó)Thomas公司[1]在某鉆井石油平臺(tái)工程中進(jìn)行直徑為760 mm、樁長(zhǎng)為58 m的大直徑鋼管樁靜載荷現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)的極限荷載達(dá)30 000 kN；王衛(wèi)東等[2]對(duì)3根直徑為1 000 mm、樁端埋深為88 m的大直徑超長(zhǎng)灌注樁進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)，加載達(dá)到24 000 kN時(shí)，樁頂位移約為20 mm，此時(shí)樁基尚未破壞；劉齊建等[3]測(cè)試變截面大直徑鋼管樁，該樁基上部直徑1 300 mm，下部直徑1 000 mm，總樁長(zhǎng)61.5 m，試驗(yàn)荷載最大加至16 200 kN，此時(shí)對(duì)應(yīng)的樁頂位移達(dá)33 mm，此時(shí)試樁未破壞，但由于錨樁已被拔起數(shù)十厘米，考慮安全因素，不得不終止試驗(yàn)。目前，海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)工程中所使用的鋼管樁直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出上述試樁，因此想要測(cè)量出樁基的極限承載力則需要施加更大的載荷。本文基于中廣核如東150 MW海上風(fēng)電場(chǎng)示范項(xiàng)目，完成直徑為2 800 mm的試樁抗壓承載力試驗(yàn)，對(duì)其承載性能進(jìn)行研究，為大直徑鋼管樁的工程實(shí)踐及理論分析提供參考。

1 工程概況與試樁方案

中廣核如東150 MW 海上風(fēng)電場(chǎng)示范項(xiàng)目位于如東近海，距離海岸約20 km，隸屬爛沙海域。平均海平面高程為0.06 m，平均海床面高程為-8.50 m；設(shè)計(jì)低潮位(P=90%)為-3.06 m，設(shè)計(jì)高潮位(P=10%)為3.02 m，極端高潮位(50年一遇)為5.13 m。

1.1 自然條件

根據(jù)鉆孔揭露的地層結(jié)構(gòu)、巖性特征、埋藏條件及物理力學(xué)性質(zhì)，結(jié)合原位測(cè)試成果、室內(nèi)試驗(yàn)和區(qū)域地質(zhì)資料可知：勘探深度(勘探孔最深85.60 m，高程-99.10 m)內(nèi)均為第4系沉積物，為沖積、海積及河口-海陸相沉積?？碧缴疃葍?nèi)場(chǎng)區(qū)土按地質(zhì)時(shí)代、成因類型及工程特性，可分為4大層、5個(gè)亞層。根據(jù)地質(zhì)勘察成果報(bào)告得到試樁范圍內(nèi)土層分布及特點(diǎn)見(jiàn)表1，場(chǎng)址區(qū)各土層天然地基及樁基設(shè)計(jì)參數(shù)建議值見(jiàn)表2。

表1 土層分布圖

表2 天然地基及樁基設(shè)計(jì)參數(shù)建議值

1.2 試驗(yàn)方案

中廣核如東海上風(fēng)電場(chǎng)前期風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)擬采用三樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)，鋼管樁直徑為2 800 mm，壁厚35～45 mm。根據(jù)三樁導(dǎo)管架風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)樁位布置，在該基礎(chǔ)附近增加8根輔助樁，其中6根輔助樁與原有的2根工程樁組成2組試樁和錨樁，另外2根輔助樁為基準(zhǔn)樁。根據(jù)《港口工程基樁靜載荷試驗(yàn)規(guī)程》[4]等規(guī)范要求并綜合考慮試驗(yàn)樁徑及現(xiàn)有國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)鋼梁等情況，經(jīng)濟(jì)、合理地布置試樁、錨樁和基準(zhǔn)樁，得到圖1所示的布置方案，其中：(1)S1、S2試樁。輔助樁作為試樁，樁徑同工程樁，用于高應(yīng)變檢測(cè)及軸向抗壓靜載試驗(yàn)。鋼管樁長(zhǎng)96.5 m，入土深度為85 m，估算軸向抗壓承載力標(biāo)準(zhǔn)值為43 800 kN。(2)M1，M2，M3，M5錨樁。輔助樁作為錨樁，樁徑同工程樁。(3)M4，M6樁。工程樁作為錨樁。(4)J1，J2基準(zhǔn)樁。輔助樁作為基準(zhǔn)樁，為直徑1 000 mm的鋼管樁。

圖1 試樁、錨樁及基準(zhǔn)樁布置平面圖

2 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果分析

S1和S22根試樁的單樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)如圖2所示。試驗(yàn)反力系統(tǒng)采用50 000 kN級(jí)反力梁系統(tǒng)，由4根錨樁提供試驗(yàn)反力，加載系統(tǒng)由16只5 000 kN級(jí)油壓千斤頂、70 MPa超高壓油路和油泵組成。加卸載時(shí)荷載由經(jīng)標(biāo)定合格的精密油壓表控制，試驗(yàn)方法采用快速維持荷載法。

圖2 試樁抗壓靜載荷試驗(yàn)裝置

2.1 載荷沉降分析

S1和S22根試樁均先按預(yù)估最大荷載44 000 kN加載。圖3為S1試樁抗壓試驗(yàn)沉降曲線。圖4為S2試樁抗壓試驗(yàn)沉降曲線。可以看出：(1)載荷為44 000 kN時(shí)，加載段的Q(荷載)-s(沉降)曲線基本呈線彈性關(guān)系，繼續(xù)加載至50 000 kN，該級(jí)沉降增量平穩(wěn)，未出現(xiàn)陡增的情況?？紤]到反力系統(tǒng)采用的是50 000 kN級(jí)反力梁系統(tǒng)，且試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較惡劣，此時(shí)荷載已超過(guò)預(yù)估最大荷載44 000 kN，故決定停止加載。(2)從載荷試驗(yàn)結(jié)果可以看出：由于2根樁的Q-s曲線加載段基本呈現(xiàn)線彈性關(guān)系，s-lgt(t為時(shí)間)曲線尾部亦未出現(xiàn)陡降現(xiàn)象。根據(jù)《港口工程樁基規(guī)范》[5]以及《港口工程基樁靜載荷試驗(yàn)規(guī)程》[6]，判斷該樁單樁軸向抗壓極限承載力不小于50 000 kN。(3)樁頂最大沉降及殘余沉降均相差不大，樁頂最大沉降為40～46 mm，考慮樁身彈性壓縮變形后實(shí)際沉降量較小，樁土剪切變形仍處于彈性階段。(4)通過(guò)沉降桿測(cè)試到的樁尖沉降不足10 mm，樁尖土亦處于彈性壓縮階段。同時(shí)，加載值越大，試樁樁端沉降相比樁頂沉降則越小。當(dāng)加載值在20 000 kN左右時(shí)，即在一般工作荷載時(shí)，樁端沉降接近0，表明此時(shí)的樁頂沉降幾乎全部由樁身的上半部分壓縮變形產(chǎn)生。此時(shí)的樁頂沉降位移約15 mm，說(shuō)明在此工況下大直徑鋼管樁是安全可靠的。

圖3 S1樁抗壓試驗(yàn)沉降曲線

圖4 S2樁抗壓試驗(yàn)沉降曲線

2.2 樁身軸力分析

根據(jù)樁身應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù)繪制試樁樁身軸力隨荷載變化的曲線，如圖5所示，可以看出：試樁所承受的豎向荷載克服樁側(cè)摩阻力沿樁身向下傳遞，樁身軸力隨深度的增加而減小，且減小的幅度隨樁身周圍土層性狀的變化而變化。對(duì)比2根試樁的樁身軸力分布曲線，在初始荷載8 000 kN的作用下，S1樁的荷載傳遞到約-70 m處，而S2樁的荷載約傳遞到-75 m處，表明在荷載較小時(shí)，樁身荷載不會(huì)傳遞到樁端部；而在各級(jí)荷載的作用下，試樁軸力分布曲線的斜率沿深度變化不同。在50 000 kN荷載的作用下，樁端的軸力約為5 000 kN，只占樁頂所受豎向荷載的10%，這表明傳遞到樁端的荷載比較小，試樁整體呈現(xiàn)出摩擦型樁的特性。

圖5 單樁抗壓試驗(yàn)樁身軸力分布圖

2.3 樁身側(cè)摩阻力和端阻力分析

抗壓側(cè)摩阻力與樁端阻力見(jiàn)表3和表4。樁身側(cè)摩阻力可以根據(jù)樁身軸力沿樁長(zhǎng)的變化得到，如圖6所示。

表3 S1樁抗壓側(cè)摩阻力及樁端阻力數(shù)值

表4 S2樁抗壓側(cè)摩阻力及樁端阻力數(shù)值

圖6 單樁抗壓試驗(yàn)樁身側(cè)摩阻力分布圖

由表3和表4可以看出：由于大直徑開(kāi)口鋼管樁的閉塞效應(yīng)不明顯，鋼管樁內(nèi)側(cè)摩阻力明顯，導(dǎo)致由樁身軸力求得的總側(cè)摩阻力明顯高于巖土工程勘察報(bào)告推薦的數(shù)值。這說(shuō)明對(duì)于大直徑鋼管樁在計(jì)算抗壓承載力時(shí)還需考慮內(nèi)側(cè)摩阻力的影響。

由圖6可以看出：當(dāng)荷載較小時(shí)，樁身側(cè)摩阻力在到達(dá)一定深度后趨于一個(gè)定值，而隨著荷載的逐步增大，下層土的側(cè)摩阻力逐漸發(fā)揮出來(lái)，側(cè)摩阻力分布曲線的峰值表現(xiàn)出不斷增大且下移的規(guī)律，但是由于沿樁身的側(cè)摩阻力值隨著深度的增大而增大，可推斷此時(shí)樁端的端阻力并未完全發(fā)揮。觀察樁身側(cè)摩阻力曲線的變化趨勢(shì)可以看出：側(cè)摩阻力值在淺層土隨荷載的增加增長(zhǎng)較快。以上規(guī)律表明：超大直徑鋼管樁的樁側(cè)摩阻力發(fā)揮特性會(huì)受土層性質(zhì)和土體埋深的影響。

3 結(jié) 論

根據(jù)直徑2 800 mm鋼管樁抗壓承載力的現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)，對(duì)大直徑鋼管樁的抗壓承載性能進(jìn)行研究，主要得到以下結(jié)論：

(1) 該樁徑2 800 mm、埋深超過(guò)80 m的大直徑鋼管樁的抗壓承載力超過(guò)50 000 kN，證明大直徑鋼管樁在海上風(fēng)電領(lǐng)域應(yīng)用的可行性。

(2)未達(dá)到極限承載力的情況下，試樁的Q-s曲線隨著荷載的增加近似呈線性變化。

(3)在加載較大的情況下，試樁端阻比約為10%，表明大直徑鋼管樁仍是摩擦型樁。

(4)大直徑鋼管樁側(cè)摩阻力分布曲線峰值隨著外部荷載的逐步增大呈不斷增大下移的趨勢(shì)，樁身側(cè)摩阻力值隨著深度的增大而增大，可推斷此時(shí)樁端的端阻力并未發(fā)揮。

(5)大直徑鋼管樁的閉塞效應(yīng)不明顯，因此存在內(nèi)側(cè)摩阻力，計(jì)算試樁承載力的時(shí)候須另外考慮。

[1] Thomas Telford Services Ltd.Large-Scale Pile Tests in Clay[C]//Proceeding of The Conference on Recent Large-Scale Fully Instrumented Pile Tests In Clay Held at The Institution of Civil Engineers,London,1992.

[2] 王衛(wèi)東,李永輝,吳江斌.上海中心大廈大直徑超長(zhǎng)灌注樁現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2011 (12):1817-1826.

[3] 劉齊建,趙明華,李俞,等.茅草街大橋樁基試驗(yàn)研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004 (04):51-54.

[4] 港口工程基樁靜載荷試驗(yàn)規(guī)程:JTJ 255-2002 [S].2002.

[5] 淺海鋼質(zhì)固定平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建造技術(shù)規(guī)范:SY/T 4094-2012 [S].2012.

[6] 港口工程樁基規(guī)范:JTS 167-4-2012 [S].2012.