某海上風(fēng)電靜載試樁技術(shù)改進(jìn)

曲長(zhǎng)武，胥新偉，劉釗

（1.中交一航局第三工程有限公司，遼寧 大連 116083；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

近年來(lái)伴隨海洋風(fēng)電建設(shè)的發(fā)展，大直徑鋼管樁或大直徑鋼管混凝土復(fù)合樁的基礎(chǔ)形式得到了大規(guī)模的應(yīng)用。由于海洋風(fēng)電項(xiàng)目對(duì)樁基的抗拔及水平承載能力有較高的需求，為確保設(shè)計(jì)的合理可靠，工程正式開(kāi)展前需要進(jìn)行海上樁基靜載試驗(yàn)，以對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行確認(rèn)及優(yōu)化。

進(jìn)行一次完整的海上樁基靜載試驗(yàn)，需要大量的資源投入，因此對(duì)于外海樁基靜載試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯得尤為珍貴。海洋風(fēng)電樁基靜載試驗(yàn)與陸上靜載試驗(yàn)相比，樁基承載力高，樁的相對(duì)位移大，同時(shí)試驗(yàn)環(huán)境惡劣，傳統(tǒng)試驗(yàn)方法無(wú)法滿足工程建設(shè)需要。為保證獲得良好的試驗(yàn)效果，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，需要在傳統(tǒng)試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行必要的改進(jìn)與優(yōu)化。

1 工程概況

某海洋風(fēng)電試樁工程采用8樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)形式，樁徑2.0 m。分別對(duì)2處具有代表性的機(jī)位展開(kāi)試驗(yàn)，樁位布置圖見(jiàn)圖1，試樁工程信息統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

海上風(fēng)機(jī)樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)多采用基于p-y曲線和t-z曲線的承載力計(jì)算方法。與工業(yè)和民用建筑以及港口工程的樁基極限承載力計(jì)算方法有較大差別，因此也需要通過(guò)足尺試驗(yàn)確定各土層的三大曲線，以對(duì)設(shè)計(jì)曲線進(jìn)行校正[1]。為此本工程試樁試驗(yàn)的主要試驗(yàn)?zāi)康娜缦拢?/p>

圖1 樁位布置示意圖Fig.1 Pileposition layout sketch

表1 試驗(yàn)參數(shù)匯總Table1 Summary of test pile parameters

1）確定試驗(yàn)鋼管樁的豎向抗壓極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，并獲取各土層的抗壓極限側(cè)阻標(biāo)準(zhǔn)值、極限端阻標(biāo)準(zhǔn)值。獲取抗壓時(shí)各土層單位側(cè)阻與樁基豎向位移的t-z曲線。

2）確定試驗(yàn)鋼管樁的豎向抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，并獲取各土層的抗拔極限側(cè)阻標(biāo)準(zhǔn)值。獲取抗拔時(shí)各土層單位側(cè)阻與樁基豎向變位的t-z曲線。

3）獲取土層分層土抗力與水平位移的p-y曲線，獲取鋼管樁的水平極限承載力，提供土體水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m。

工程中采用錨樁反力梁法進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備的加載能力不低于預(yù)估承載能力的1.5倍。試驗(yàn)步驟參照J(rèn)TJ 255—2002《港口工程基樁靜載荷試驗(yàn)規(guī)程》，并參考美國(guó)API規(guī)范Recommended Practice for Planning，Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design（API RP2A-WSD）進(jìn)行測(cè)試項(xiàng)目的優(yōu)化，試樁試驗(yàn)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 靜載試驗(yàn)參數(shù)Table 2 Parameters of static loading test

2 試驗(yàn)系統(tǒng)的改進(jìn)

2.1 沉降、位移測(cè)量

海上風(fēng)電樁基直徑大、樁長(zhǎng)長(zhǎng)、承載力高，在荷載作用下的變形大。單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)總沉降量往往超過(guò)100 mm后，仍可達(dá)到穩(wěn)定。單樁豎向抗拔靜載試驗(yàn)的上拔量也要求達(dá)到100 mm以上，水平靜載試驗(yàn)由于受到水深的影響，樁基自由懸臂段長(zhǎng)，加載點(diǎn)的水平位移也有可超過(guò)1 000 mm的可能性。

傳統(tǒng)靜載試驗(yàn)采用百分表或電子百分表進(jìn)行沉降及水平位移測(cè)量，百分表的量程一般為50 mm，精度為0.01 mm。在外海樁基靜載試驗(yàn)中，該測(cè)試設(shè)備量程較小，且由于外海惡劣的海況環(huán)境，測(cè)試精度無(wú)法達(dá)到0.01 mm，且涉及到量程較大，軸向抗壓、抗拔試驗(yàn)中經(jīng)常倒表的過(guò)程，多次倒表的誤差無(wú)法估計(jì)，且水平靜載試驗(yàn)由于總體位移大，可能單級(jí)荷載作用下的位移即超過(guò)了百分表的量程。因此軸向抗壓及抗拔靜載試驗(yàn)采用靜力水準(zhǔn)儀作為沉降測(cè)量方法，拉線位移傳感器或其他大量程位移傳感器作為水平載荷試驗(yàn)測(cè)量方法。

傳感器技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 傳感器參數(shù)匯總表Table3 Summary of sensor parameters

采用靜力水準(zhǔn)儀作為沉降及上拔量的測(cè)量方法還具有以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：避免基準(zhǔn)梁的設(shè)置，風(fēng)浪對(duì)測(cè)量系統(tǒng)影響相對(duì)較弱；基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置相對(duì)靈活，可選取滿足凈距要求的任何點(diǎn)位作為基準(zhǔn)點(diǎn)。

2.2 樁頂傾角測(cè)量

單樁水平靜載試驗(yàn)中，樁頂傾角測(cè)量可采用雙層位移計(jì)法或傾角傳感器法，在外海樁基試驗(yàn)中，應(yīng)采用傾角傳感器測(cè)量樁頂傾角。由于外海試驗(yàn)環(huán)境較為惡劣，基準(zhǔn)樁的穩(wěn)定性較差，通過(guò)雙層位移計(jì)法計(jì)算得到的樁頂傾角存在較大誤差，從而推算的泥面處位移也不準(zhǔn)確。

2.3 測(cè)試項(xiàng)目

水平靜載試驗(yàn)采用p-y曲線法，為確保測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，往往需要多種測(cè)試結(jié)果進(jìn)行相互驗(yàn)證，本次外海水平靜載試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容有[2]：

1）樁身應(yīng)力

樁身應(yīng)力測(cè)試是較為成熟的測(cè)試方法，除在樁基抗壓、抗拔試驗(yàn)中用于測(cè)量樁身軸力變化外，在水平靜載試驗(yàn)中還可以通過(guò)樁身應(yīng)力的微積分處理分別得到樁身的位移數(shù)據(jù)及樁身的彎矩?cái)?shù)據(jù)。由于微積分的處理過(guò)程會(huì)導(dǎo)致測(cè)試誤差的急劇增加，導(dǎo)致處理后的結(jié)果失真，無(wú)法反應(yīng)真實(shí)情況，因此同時(shí)需要輔以多種測(cè)試方法得到的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行相互驗(yàn)證，以甄別出測(cè)試數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的錯(cuò)誤。同時(shí)隨著測(cè)試技術(shù)水平的提高，在傳統(tǒng)應(yīng)變傳感器測(cè)試方法的基礎(chǔ)上，分布式光纖測(cè)試方法也引入到海上風(fēng)電測(cè)試技術(shù)當(dāng)中，該測(cè)試方法可提供更多斷面的測(cè)試數(shù)據(jù)，同時(shí)具有較高的成活率。

2）樁側(cè)土壓力測(cè)試

樁側(cè)水平土壓力測(cè)試是在水平靜載試驗(yàn)期間，監(jiān)測(cè)各級(jí)荷載作用下的土壓力變化。該數(shù)據(jù)可與多項(xiàng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果的相互驗(yàn)證，以確保試驗(yàn)結(jié)論的可靠性。

測(cè)試結(jié)果與應(yīng)力測(cè)試后微積分處理的樁身位移、樁身測(cè)斜實(shí)測(cè)樁身位移數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)樁身反彎點(diǎn)、嵌固點(diǎn)的位置來(lái)互相驗(yàn)證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；測(cè)試結(jié)果與樁身應(yīng)力微積分處理得到的p-y曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證微積分?jǐn)?shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性。

樁身水平土壓力測(cè)試僅限于較淺土層內(nèi)，由于水平靜載試驗(yàn)加載荷載值的控制，較深土層位置不會(huì)發(fā)生水平位移，因此水平土阻力也不會(huì)發(fā)生變化，土壓力盒埋設(shè)最深位置僅需要在預(yù)估反彎點(diǎn)位置下一定深度即可。土壓力盒需要采取特殊的安裝與保護(hù)措施，以避免打樁過(guò)程導(dǎo)致土壓力盒的破壞。

3）樁身測(cè)斜

樁身測(cè)斜是在水平靜載試驗(yàn)期間測(cè)量泥面處的水平位移、樁身?yè)锨€。樁身測(cè)斜數(shù)據(jù)可與多項(xiàng)測(cè)試數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證，確保試驗(yàn)結(jié)論可靠性。

測(cè)試結(jié)果得到的泥面處水平位移與根據(jù)樁頂傾角計(jì)算得到的泥面位移進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；測(cè)試結(jié)果得到的樁身?yè)锨€與應(yīng)力測(cè)試微積分得到的樁身位移曲線對(duì)比，驗(yàn)證測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

樁身測(cè)斜需要將測(cè)斜管固定在樁側(cè)壁上，試驗(yàn)期間采用滑動(dòng)式測(cè)斜儀進(jìn)行測(cè)量。測(cè)斜管的埋深需要保證測(cè)斜管底部位于預(yù)估嵌固點(diǎn)以下位置，同時(shí)測(cè)斜管的安裝需要設(shè)置有效的保護(hù)措施，防止打樁過(guò)程中造成損壞，土壓力盒與測(cè)斜管保護(hù)見(jiàn)圖2。

圖2 土壓力盒及測(cè)斜管保護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Sketch of earth pressure cell and inclinometer protection structure

4）理論分析

利用有限元程序或樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算分析軟件進(jìn)行理論分析，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以再次驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果[3]。利用基于p-y曲線理論的樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算分析軟件對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行模擬，通過(guò)輸入實(shí)測(cè)變形數(shù)據(jù)以對(duì)樁身應(yīng)力等試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

2.4 試驗(yàn)裝備及方法的改進(jìn)

1）增加千斤頂行程

由于樁頂位移大，試驗(yàn)期間水平反力樁也同樣會(huì)發(fā)生一定程度的位移，因此在試驗(yàn)前需要采用具有較大行程的千斤頂進(jìn)行試驗(yàn)，必要時(shí)還需要采用多臺(tái)千斤頂串聯(lián)試驗(yàn)。

本工程采用2臺(tái)行程0.7 m的臥式千斤頂串聯(lián)組成，并在每臺(tái)千斤頂?shù)捻敳吭O(shè)置球形鞍座以適應(yīng)樁頂轉(zhuǎn)角度變化。

2）提高基準(zhǔn)樁穩(wěn)定性

外海試驗(yàn)條件相對(duì)較差，基準(zhǔn)樁的穩(wěn)定性較低，鑒于海上風(fēng)電多為高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)，樁基數(shù)量較多，建議利用多根樁基組成基準(zhǔn)系統(tǒng)，以降低基準(zhǔn)樁晃動(dòng)對(duì)測(cè)試精度的影響。同時(shí)在具備條件的情況下利用多根工程樁作為反力樁，減少試驗(yàn)期間反力樁發(fā)生的位移。

3）對(duì)樁身加載點(diǎn)進(jìn)行加固

外海風(fēng)電樁徑較大，加載荷載也較大，隨著荷載的增加，樁身有可能局部變形過(guò)大，導(dǎo)致水平位移測(cè)試過(guò)程中混入了樁身變形的影響。因此需要在水平試驗(yàn)加載點(diǎn)位置處對(duì)樁身進(jìn)行加固，防止樁身發(fā)生變形。

4）優(yōu)化試驗(yàn)加載方向

水平靜載試驗(yàn)的加載方向應(yīng)與漲落潮主流向垂直，減少水流力對(duì)水平靜載試驗(yàn)的影響[4-5]。水平靜載試驗(yàn)布置示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 水平靜載試驗(yàn)布置示意圖Fig.3 Horizontal static load test layout sketch

3 試驗(yàn)結(jié)果

采用以上改進(jìn)及優(yōu)化后的試驗(yàn)方法，試驗(yàn)過(guò)程中曾由于打樁過(guò)程發(fā)生意外，出現(xiàn)了傳感器損壞的情況，但是由于測(cè)試項(xiàng)目充足，準(zhǔn)備充分，在個(gè)別傳感器失效的情況下，仍可以準(zhǔn)確的獲取試驗(yàn)所需各項(xiàng)參數(shù)，保證試驗(yàn)的順利完成，取得了良好的試驗(yàn)效果[6]。

3.1 單樁軸向抗壓靜載試驗(yàn)

1）SZ1號(hào)試樁

SZ1號(hào)試樁單樁軸向抗壓極限承載力為38 323 kN。樁Q-s曲線為緩變型曲線。對(duì)于該試樁加載至37 800 kN時(shí)，對(duì)應(yīng)樁頂沉降為96.81 mm，加載至39 150 kN時(shí)，對(duì)應(yīng)樁頂沉降為105.04 mm，超過(guò)了0.05D，D為樁徑。根據(jù)JGJ 106—2014《建筑樁基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》要求，單樁軸向抗壓極限承載力取s等于0.05D對(duì)應(yīng)的荷載值，同時(shí)考慮設(shè)計(jì)設(shè)定的上部結(jié)構(gòu)沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為100 mm，該樁極限承載力取沉降達(dá)到100 mm時(shí)的荷載值。根據(jù)內(nèi)插法求得s=100 mm時(shí)的荷載為38 323 kN，故該樁豎向抗壓極限承載力為38 323 kN。

2）SZ2號(hào)試樁

SZ2號(hào)試樁單樁軸向抗壓極限承載力為34 500 kN。該樁加載至36 000 kN時(shí)荷載無(wú)法穩(wěn)定，沉降持續(xù)增大，沉降量超過(guò)上部結(jié)構(gòu)沉降控制標(biāo)準(zhǔn)100 mm，終止加載。根據(jù)JGJ 106—2014《建筑樁基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》，取陡降型Q-s曲線發(fā)生明顯陡降的起始點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載值，即34 500 kN作為該樁豎向抗壓極限承載力。

3.2 單樁軸向抗拔靜載試驗(yàn)

SZ1號(hào)試樁單樁軸向抗拔極限承載力為16 500 kN。SZ2號(hào)試樁單樁軸向抗拔極限承載力為21 000 kN。對(duì)SZ2試樁軸向抗拔靜載荷試驗(yàn)加載至22 500 kN時(shí)，該樁發(fā)生破壞。根據(jù)JGJ 106—2014《建筑樁基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》，該樁豎向抗拔極限承載力為21 000 kN。

3.3 水平靜載試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)及測(cè)試方法的改進(jìn)，可以確保試驗(yàn)的成功，通過(guò)多項(xiàng)測(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，可以確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠有效。最終試驗(yàn)SZ1號(hào)試樁水平極限承載力不小于675 kN。SZ2號(hào)試樁水平極限承載力不小于420 kN。試驗(yàn)Q-s（端阻力-沉降）曲線見(jiàn)圖4，p-y分層土抗力與水平位移曲線見(jiàn)圖5，試驗(yàn)結(jié)果匯總見(jiàn)表4。

圖4 端阻力-沉降曲線Fig.4 Tip resistance-settlement curve

圖5 p-y曲線Fig.5 p-y curve

表4 水平靜載試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表Table4 Summary of horizontal static load test result

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析，外海風(fēng)電樁基在荷載作用下的變形大，采用大量程位移傳感器是十分必要的。同時(shí)由于外海惡劣的自然環(huán)境影響，基準(zhǔn)樁無(wú)法實(shí)現(xiàn)絕對(duì)的穩(wěn)定狀態(tài)。因此采用精度為0.01 mm的百分表進(jìn)行測(cè)試是沒(méi)有必要的，建議在惡劣的自然環(huán)境條件下位移傳感器的測(cè)試精度應(yīng)適當(dāng)?shù)慕档汀?/p>

海上風(fēng)電工程試樁得到的m值遠(yuǎn)小于JTS 167-4—2012《港口工程樁基規(guī)范》中推薦的m值范圍，說(shuō)明對(duì)于海上風(fēng)電工程等樁徑大、樁長(zhǎng)長(zhǎng)，水平荷載作用下變形大的樁基結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有m法的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)無(wú)法滿足工程建設(shè)的需要[7-8]。

4 結(jié)語(yǔ)

外海海上風(fēng)電靜載試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)高、投入大。獲得完整的試驗(yàn)成果需要作出充足的試驗(yàn)準(zhǔn)備。通過(guò)本項(xiàng)目對(duì)試驗(yàn)方法的改進(jìn)與優(yōu)化，可有效提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可靠性，確保海上風(fēng)電靜載試驗(yàn)獲得成功。總結(jié)海上風(fēng)電工程試樁所需改進(jìn)及優(yōu)化的項(xiàng)目如下：

1）采用量程較大的位移傳感器，傳感器精度可適當(dāng)降低。

2）水平靜載試驗(yàn)應(yīng)對(duì)鋼管樁加載點(diǎn)位置進(jìn)行加固，防止鋼管樁變形影響測(cè)試精度。

3）鑒于p-y曲線的復(fù)雜性，建議水平靜載試驗(yàn)采用多種測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)不同方法對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行相互驗(yàn)證，并建議采用理論計(jì)算方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。