基于GRLWEAP的海上風(fēng)電場超大直徑樁基可打入性分析

趙業(yè)彬，褚洪民，張積樂，王 勇

（山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?，山東 濟(jì)南 250013）

0 引言

海上風(fēng)力發(fā)電因具有海上風(fēng)能資源豐富、湍流強(qiáng)度小、靠近能源負(fù)荷中心且不存在土地占用等優(yōu)勢，成為全球風(fēng)電領(lǐng)域的新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。與陸上風(fēng)電相比，海上風(fēng)電場遠(yuǎn)離陸地，海上施工環(huán)境較為復(fù)雜，且目前施工所需的關(guān)鍵設(shè)備如專業(yè)大型船機(jī)、海上樁基打樁設(shè)備較少，導(dǎo)致海上風(fēng)電施工難度較大。大量工程實(shí)踐表明，在海上風(fēng)電場鋼管樁沉樁過程中，常常會(huì)遇到問題，如樁基因超打?qū)е仑炄肷疃绕蠖鵁o法滿足設(shè)計(jì)承載力，因拒錘導(dǎo)致樁基不能打至設(shè)計(jì)入土深度，樁頭損壞等［1］。與傳統(tǒng)的小直徑鋼管樁相比，海上超大直徑鋼管樁沉樁施工要求更高。

以山東某擬建海上風(fēng)電場工程所采用的超大直徑樁基為研究對(duì)象，通過GRLWEAP程序?qū)痘某翗哆^程進(jìn)行模擬，分析不同錘型下超大直徑樁基沉樁的可行性及沉樁過程中可能遇到的問題，為工程的順利開展提供科學(xué)合理的指導(dǎo)。

1 打樁分析的基本原理

動(dòng)力打樁公式最早應(yīng)用于預(yù)測樁基可打性及其承載力計(jì)算，其中海利公式在工程中應(yīng)用最為普遍［2］。 海利公式可表示為［3］

式中：Ru為樁基的極限承載力，t；ε為樁錘下落時(shí)能量折減系數(shù)；Wt為錘芯質(zhì)量，t；H為樁錘的落距，mm；β為錘擊效率；s為終錘時(shí)最小貫入度，mm；c為錘擊時(shí)樁土體系總的瞬時(shí)彈性變形值，mm。

海利公式將樁基和樁錘視為2個(gè)絕對(duì)剛體，將沉樁過程則視為2個(gè)剛體的自由碰撞問題［4］。而在實(shí)際工程應(yīng)用中，因樁錘性能未知，難以精確計(jì)算樁基貫入度和承載力，且該方法假定錘擊能量瞬時(shí)就傳遞到樁基底端，這與實(shí)際沉樁過程中能量以應(yīng)力波的傳遞方式也是不相符的。特別是對(duì)于超大直徑的鋼管樁而言，傳統(tǒng)的動(dòng)力打樁公式已不再適用。

波動(dòng)方程的出現(xiàn)為樁基工程的設(shè)計(jì)和施工提供了合理的分析方法［5］。Smith建立了錘—樁—樁周土的離散力學(xué)模型來描述整個(gè)打樁系統(tǒng)，如圖1所示。將樁錘（W1）、樁帽（W2）及樁身（W3～Wm）的質(zhì)量采用剛性重塊表示，將墊層（K1）及樁身（K2～Km-1）的彈性采用無質(zhì)量的彈簧來模擬，樁周土的阻力（R3～Rm）則采用粘彈性模型來反映。在此基礎(chǔ)上，采用差分法求解波動(dòng)方程，在計(jì)算過程中將沉樁歷程分割成若干時(shí)間間隔Δt，并假定每Δt時(shí)間內(nèi)位移、力及速度等物理量均為一定值［6］。打樁過程可采用式（2）的基本方程表述。

圖1 打樁系統(tǒng)力學(xué)模型

式中：d為位移；c為彈簧壓縮量；F為彈簧作用力；K為彈簧剛度；v為速度；R為樁周土阻力；W為樁單元質(zhì)量；Z為樁加速度力；上標(biāo)n為時(shí)間間隔序號(hào)；下標(biāo)m為重塊、樁單元等序號(hào)。

本文沉樁可行性分析所選用的GRLWEAP程序即基于上述Smith理論模型。該程序不僅可有效模擬大型樁基工程沉樁過程中樁身受力和運(yùn)動(dòng)情況，而且可以預(yù)估樁錘系統(tǒng)的打樁能力及總打入時(shí)間。

2 工程概況及計(jì)算參數(shù)選取

2.1 工程概況

擬建海上風(fēng)電場工程地處山東渤海海域，海上風(fēng)電機(jī)組單機(jī)裝機(jī)容量為3.3 MW。經(jīng)技術(shù)比選后，擬采用樁徑達(dá)5.5～6.0 m的超大直徑鋼管單樁作為風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。鋼管樁主體結(jié)構(gòu)采用DH36型船用鋼板，樁長75 m，設(shè)計(jì)入土深度60 m，其物理參數(shù)見表1。樁2段為變截面過渡段，其頂部與樁1段連接處為5 500 mm，尾部與樁3段連接處為6 000 mm，故其為區(qū)間值。

表1 鋼管樁物理參數(shù)

2.2 計(jì)算參數(shù)選取

1）土層參數(shù)。根據(jù)海上風(fēng)電場區(qū)勘測資料，可將樁基貫入深度內(nèi)的地基土劃分為9層，土層參數(shù)見表2。

表2 土層參數(shù)

2）樁錘參數(shù)。現(xiàn)階段液壓式IHC系列打樁錘已廣泛應(yīng)用于海上風(fēng)電場工程，計(jì)算選用的樁錘有IHC S-900、IHC S-1200及 IHC S-1800 3 種型式，計(jì)算過程中不采用錘墊和樁墊，樁錘基本參數(shù)見表3。

表3 樁錘參數(shù)

3）樁周土的阻尼。樁側(cè)土的阻尼，砂土取0.164 s／m，黏性土取 0.65 s／m，樁端土取 0.5 s／m。

4）樁周土的彈性變形值。樁側(cè)土取2.5 mm，樁端土取2.54 mm。

5）土塞作用。根據(jù)現(xiàn)有施工經(jīng)驗(yàn)，大直徑開口鋼管樁在連續(xù)打樁過程中幾乎不形成土塞，因此，計(jì)算過程中不考慮土塞效應(yīng)。

采用GRLWEAP程序分別模擬了不同型號(hào)樁錘下沉樁過程。樁錘設(shè)置完成后計(jì)算模型如圖2所示。GRLWEAP軟件中，鋼管樁只顯示壁厚變化，無法顯示樁徑變化。圖中外徑增大處為樁身4段，壁厚由65 mm變?yōu)?0 mm，故鋼管樁呈現(xiàn)明顯變化。

3 結(jié)果與分析

圖2 計(jì)算模型

圖3為IHC S-1200型樁錘沉樁計(jì)算結(jié)果?？梢钥闯?，隨著樁周土阻力的增加，沉樁所需錘擊次數(shù)相應(yīng)增多，貫入度逐漸減少。值得注意的是，泥面以下18 m深度內(nèi)沉樁錘擊次數(shù)為0，表明樁基在其自重作用下可下沉到一定深度。由于樁基位置存在粉質(zhì)黏土夾粉土層，樁基自重下沉階段容易出現(xiàn)溜樁問題，建議沉樁施工過程中采取一定的應(yīng)對(duì)措施。圖4為樁頂應(yīng)力曲線，可以看出，樁頂端的力隨樁長L與樁徑C的比值呈波動(dòng)變化，樁頂端應(yīng)力曲線隨時(shí)間呈波動(dòng)變化，且這兩個(gè)力的波動(dòng)擬合程度高，表明錘擊能量在樁身中以波動(dòng)形式傳播，驗(yàn)證了波動(dòng)理論在沉樁分析中有效性。

圖3 沉樁計(jì)算結(jié)果

圖4 樁頂應(yīng)力曲線

不同錘型下將超大直徑樁基打入設(shè)計(jì)標(biāo)高所需總錘擊數(shù)及沉樁過程中樁身最大應(yīng)力見表4。通過對(duì)不同錘型沉樁全過程的分析，可知樁身最大應(yīng)力隨樁錘額定功率的增加而增大。當(dāng)采用IHC S-1800時(shí)，最大軸向壓應(yīng)力為124.88 MPa，最大軸向拉應(yīng)力為 101.19 MPa。根據(jù)美國 API RP2A—WSD 規(guī)范［7］，打樁過程中樁身的動(dòng)應(yīng)力不應(yīng)超過其鋼材屈服強(qiáng)度的80%～90%，即樁身動(dòng)應(yīng)力不超過276 MPa，可見本文計(jì)算所采用的錘型均滿足規(guī)范要求。由計(jì)算結(jié)果可知，采用IHC S-1800所需錘擊總次數(shù)為2141擊，采用IHC S-1200所需錘擊總次數(shù)為2840擊，而采用IHC S-900所需錘擊總次數(shù)則多達(dá)4087擊。結(jié)合對(duì)國內(nèi)同類海上風(fēng)電工程沉樁的調(diào)查研究，施工中建議采用IHC S-1200及以上錘型。

表4 錘擊數(shù)及樁身最大應(yīng)力

4 結(jié)語

以山東某擬建海上風(fēng)電場所采用樁徑達(dá)6 m的超大超長單樁鋼管樁為研究對(duì)象，采用GRLWEAP程序模擬了不同錘型下沉樁過程，對(duì)沉樁的動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行了綜合分析評(píng)價(jià)。采用波動(dòng)方程分析方法進(jìn)行沉樁可行性分析對(duì)于樁錘的選型可提供準(zhǔn)確有效的指導(dǎo)，結(jié)果表明，計(jì)算所選取的3種錘型均可滿足規(guī)范要求，建議實(shí)際工程中采用IHC S-1200及以上錘型；沉樁施工過程中在樁基自重作用下，應(yīng)通過及時(shí)增加錘擊阻力等措施預(yù)防溜樁的發(fā)生。