一種海上風(fēng)電大直徑超長(zhǎng)鋼管樁的內(nèi)力測(cè)試方法

劉釗，田韓續(xù)，黎雙邵

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2.天津大學(xué)，天津 300072）

0 引言

我國(guó)海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)主要集中在淺海海域，且呈現(xiàn)由近海到遠(yuǎn)海、由淺水到深水、由小規(guī)模示范到大規(guī)模集中開發(fā)的特點(diǎn)。為獲取更多的海上風(fēng)能資源，海上風(fēng)電項(xiàng)目正逐漸向深海、遠(yuǎn)海方向發(fā)展[1]。在這種發(fā)展趨勢(shì)下，作為海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)最常見的一種形式——鋼管樁特別是大直徑超長(zhǎng)鋼管樁的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。然而，海上風(fēng)電場(chǎng)的選址位置一般都是尚未開發(fā)的區(qū)域，缺少相應(yīng)區(qū)域內(nèi)其它項(xiàng)目的勘察、設(shè)計(jì)、施工資料進(jìn)行參考，項(xiàng)目正式實(shí)施前需要進(jìn)行海上試樁，以確定設(shè)計(jì)參數(shù)。靜載試驗(yàn)是試樁過(guò)程中的一項(xiàng)必備試驗(yàn)，海上風(fēng)電的靜載試驗(yàn)不僅要得到樁基的極限承載力，還需要進(jìn)行樁基內(nèi)力測(cè)試，得到樁身側(cè)摩阻力、端阻力，為設(shè)計(jì)參數(shù)的選取提供有力的支撐。

傳統(tǒng)的樁身內(nèi)力測(cè)試方法有：鋼筋計(jì)法、電阻應(yīng)變法、振弦測(cè)試法。鋼筋計(jì)法成本較低、安裝方便、應(yīng)用廣泛，但測(cè)試誤差較大，信號(hào)線易斷，傳感器成活率低；電阻應(yīng)變法測(cè)試原理與鋼筋計(jì)法相同，但因受到應(yīng)變片安裝、保護(hù)等制約，采用該方法的越來(lái)越少；振弦測(cè)試法精度較高，但傳感器不便于保護(hù)且測(cè)試量程有限，打樁時(shí)拉壓應(yīng)力往往會(huì)對(duì)傳感器造成較大影響。以上3種方法還有共同的缺點(diǎn)，一是都為點(diǎn)測(cè)，不能得到連續(xù)數(shù)據(jù)，不便于試驗(yàn)研究；二是每個(gè)傳感器都需要單獨(dú)接線，現(xiàn)場(chǎng)連接復(fù)雜，不便于測(cè)試。因此對(duì)于測(cè)試環(huán)境惡劣、試驗(yàn)難度大、數(shù)據(jù)精度要求高的海上大直徑超長(zhǎng)鋼管樁內(nèi)力測(cè)試，傳統(tǒng)的方法已經(jīng)不能滿足測(cè)試要求。

目前，分布式光纖用于樁身內(nèi)力測(cè)試的相關(guān)研究并不多?？婇L(zhǎng)健等[2]通過(guò)BOFDA原理的分布式光纖傳感技術(shù)，對(duì)海上超長(zhǎng)PHC樁進(jìn)行了內(nèi)力測(cè)試，提出該方法得到的樁身軸力和側(cè)摩阻力測(cè)試結(jié)果能夠很好地反映樁身內(nèi)力的分布變化規(guī)律，成效顯著。石振明等[3]通過(guò)BOTDR（布里淵光時(shí)域反射技術(shù)）原理的分布式光纖傳感技術(shù)，提出光纖檢測(cè)技術(shù)適用于鋼管樁側(cè)摩阻力、樁身軸力量測(cè)，具有分布式、長(zhǎng)距離、一端檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。馮江等[4]通過(guò)BOTDR原理的分布式光纖傳感技術(shù)，對(duì)直徑600 mm、800 mm的混凝土灌注樁進(jìn)行了內(nèi)力分析，提出分布式光纖傳感技術(shù)有效地避免了傳統(tǒng)檢測(cè)手段的弊端，完全能適用于鉆孔灌注樁的檢測(cè)。李忠義等[5]通過(guò)BOTDA（布里淵光時(shí)域分析技術(shù)）原理的分布式光纖傳感技術(shù)，對(duì)直徑500 mm的PHC樁進(jìn)行了內(nèi)力分析，提出BOTDA測(cè)試技術(shù)采樣點(diǎn)很多，具有分布式特點(diǎn)，可以有效避免漏檢，提高檢測(cè)精度。

相比BOTDR法和BOTDA法，BOFDA法是基于頻域分析，測(cè)試精度更高，可達(dá)到依1滋著，更適用于高精度的測(cè)試研究。目前，尚未發(fā)現(xiàn)相關(guān)文獻(xiàn)通過(guò)BOFDA法對(duì)海上風(fēng)電大直徑超長(zhǎng)鋼管樁的內(nèi)力測(cè)試方法進(jìn)行研究。本文通過(guò)某工程海上風(fēng)電大直徑超長(zhǎng)鋼管樁的現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)，探索了BOFDA法在海上鋼管樁內(nèi)力測(cè)試中的應(yīng)用，可為今后海上風(fēng)電大直徑超長(zhǎng)鋼管樁的內(nèi)力測(cè)試和科學(xué)研究提供參考。

1 BOFDA法原理介紹

BOFDA技術(shù)是通過(guò)測(cè)試復(fù)雜的基帶傳輸函數(shù)來(lái)推算布里淵散射光頻移[6]。當(dāng)光纖產(chǎn)生溫度變化或光纖延軸線產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，布里淵散射頻移隨之產(chǎn)生。該頻移與光纖的溫度和應(yīng)變都有著極好的線性關(guān)系，因此可通過(guò)該線性關(guān)系計(jì)算光纖不同位置的溫度變化及應(yīng)變量，從而得到整個(gè)光纖的應(yīng)變分布。

按一定間隔改變?nèi)肷涔獾念l率反復(fù)測(cè)量，就可以獲得光纖上每個(gè)采樣點(diǎn)的布里淵散射光的頻譜圖，其峰值功率所對(duì)應(yīng)的頻率即是布里淵頻移。布里淵頻移與光纖應(yīng)變之間的線性關(guān)系取決于探測(cè)光的波長(zhǎng)和所采用的光纖類型，試驗(yàn)前需要對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定。

2 工程實(shí)例

2.1 試驗(yàn)概況

某工程為海上風(fēng)電試樁項(xiàng)目，場(chǎng)址用海約50 km2，水深在27耀32 m之間，場(chǎng)址距陸域最近距離約24 km，試樁目的為獲得鋼管樁單樁的抗壓承載力和試驗(yàn)荷載下樁身軸力分布及樁周各土層側(cè)摩阻力、樁端阻力等。試驗(yàn)樁參數(shù)如表1所示。本次試驗(yàn)采用錨樁反力梁裝置，用千斤頂施加荷載。試樁按設(shè)計(jì)最大加載值46 353 kN分10級(jí)加載，試驗(yàn)系統(tǒng)可達(dá)到的最大加載能力約為90 000 kN。

表1 試驗(yàn)樁參數(shù)表Table 1 Test pile parameter table

根據(jù)勘察資料，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況，大致可分為以下主要土層：淤1淤泥~淤泥質(zhì)土、淤2淤泥質(zhì)土~黏土、于1黏土~粉質(zhì)黏土、于3中粗砂、盂1黏土~粉質(zhì)黏土、盂2黏土~粉質(zhì)黏土、盂4中粗砂、榆1黏土~粉質(zhì)黏土、榆3中粗砂、愚1全風(fēng)化砂巖、愚2強(qiáng)風(fēng)化砂巖。

2.2 光纖埋設(shè)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

1）傳感器布設(shè)

試驗(yàn)采用在樁體內(nèi)表面布設(shè)安裝碳纖維感測(cè)光纜工藝來(lái)進(jìn)行樁體變形測(cè)試。這種特制光纜采用浸漬膠全面粘貼的方式固定，然后在上方焊槽鋼保護(hù)，可以有效解決在鋼管樁打樁過(guò)程中可能產(chǎn)生的振動(dòng)脫離和土層巖石破壞。沿樁體對(duì)稱方式，選取2條光纖鋪設(shè)線路進(jìn)行光纖鋪設(shè)。每條鋪設(shè)線路是2條高傳遞緊包護(hù)套應(yīng)變感測(cè)光纜（NZS-DSS-C07）在底部熔接而成的1條U形回路。具體布設(shè)如圖1所示。

圖1 鋼管樁內(nèi)光纖布設(shè)示意圖Fig.1 Schematic diagram of optical fiber arrangement in steel pipe pile

2）數(shù)據(jù)采集及計(jì)算

測(cè)試使用的數(shù)據(jù)采集設(shè)備為德國(guó)fibrisTerre公司生產(chǎn)的fTB2505型BOFDA光纖應(yīng)變分析儀，空間分辨率設(shè)置為0.2 m，采樣間隔為0.05 m，步距2 MHz。利用該儀器對(duì)試樁的加卸載進(jìn)行測(cè)試，每級(jí)荷載下的測(cè)試時(shí)間選在位移觀測(cè)判斷穩(wěn)定后進(jìn)行，采集結(jié)束后方可加下一級(jí)荷載。

樁身軸力、側(cè)摩阻力的計(jì)算參考JTS 167-4—2012《港口工程樁基規(guī)范》[7]、JTS 237—2017《水運(yùn)工程地基基礎(chǔ)試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》[8]。將測(cè)得的各級(jí)荷載下的應(yīng)變值與初始應(yīng)變相減得出樁身的各級(jí)荷載下應(yīng)變差值，該差值與樁身彈性模量（通過(guò)樁頂附近的樁身應(yīng)變進(jìn)行修正）相乘得出樁身各截面的應(yīng)力值。應(yīng)力值與樁身截面積之積即為樁身軸力，從而得出軸力分布。

樁身側(cè)摩阻力按土層進(jìn)行計(jì)算，在同一土層的樁身上取具有代表性的一段，得到2個(gè)橫截面，兩截面軸力之差與該段樁周邊面積之比即為側(cè)摩阻力。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

因篇幅限制，本次只對(duì)S1試樁的軸向抗壓靜載荷試驗(yàn)內(nèi)力測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。試驗(yàn)得到的極限承載力為60 259 kN，超過(guò)設(shè)計(jì)最大加載值的30%，加載過(guò)程中樁身軸力及樁周土的側(cè)摩阻力分布見圖2。由該圖可知，受側(cè)摩阻力影響，樁身軸力從樁頂至樁底逐步減小。樁身下部土層的側(cè)摩阻力隨荷載的加大逐步發(fā)揮，且隨荷載等級(jí)增加，盂4中粗砂、榆3中粗砂、愚2強(qiáng)風(fēng)化砂巖逐漸發(fā)揮主要作用。

圖2 加載過(guò)程中樁身軸力及側(cè)摩阻力分布圖Fig.2 Distribution of axial force and side friction of pile body during loading

抗壓試驗(yàn)過(guò)程中，各土層側(cè)摩阻力的發(fā)揮情況見圖3。由該圖可知，試驗(yàn)初期，由于荷載較低，底部土層，盂4中粗砂、榆3中粗砂、愚2強(qiáng)風(fēng)化砂巖并未發(fā)揮，隨著荷載等級(jí)的增加，上部土層的側(cè)摩阻力增長(zhǎng)至極限，下部土層逐步發(fā)揮主要作用。

表2是靜載荷試驗(yàn)實(shí)測(cè)各土層單位側(cè)摩阻力與勘察報(bào)告推薦值的對(duì)比。實(shí)測(cè)各土層單位側(cè)摩阻力比勘察報(bào)告推薦值偏高，這是因?yàn)殚_口鋼管樁存在內(nèi)外側(cè)摩阻力，但測(cè)試時(shí)無(wú)法區(qū)分內(nèi)外摩阻力的發(fā)揮程度，計(jì)算時(shí)按單側(cè)面積考慮，所以單位面積側(cè)摩阻力值偏大。

圖3 加載過(guò)程中各土層側(cè)摩阻力發(fā)揮情況Fig.3 Side friction of each soil layer during loading

表2 勘察報(bào)告與靜載荷試驗(yàn)實(shí)測(cè)的土層抗壓側(cè)摩阻力對(duì)比Table 2 Comparison of lateral friction resistance of soil layer between survey report and static load test

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)海上風(fēng)電大直徑超長(zhǎng)鋼管樁的內(nèi)力測(cè)試方法開展了研究，主要得出以下結(jié)論：

1） 基于布里淵散射光頻域分析的分布式光纖感測(cè)技術(shù)——BOFDA法測(cè)試數(shù)據(jù)連續(xù)、測(cè)試數(shù)據(jù)規(guī)律性較好，便于進(jìn)行靜載試驗(yàn)的樁身內(nèi)力分析。同時(shí)，該方法抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)試方法簡(jiǎn)便高效，適用于較復(fù)雜的海上風(fēng)電大直徑超長(zhǎng)鋼管樁的內(nèi)力測(cè)試。

2）試驗(yàn)得到的極限承載力超過(guò)設(shè)計(jì)加載值約30%，本試驗(yàn)由BOFDA法分析得到了各土層的抗壓側(cè)摩阻力，該數(shù)據(jù)可作為設(shè)計(jì)優(yōu)化樁長(zhǎng)的重要依據(jù)。

3）本研究為BOFDA法在海上風(fēng)電大直徑超長(zhǎng)鋼管樁的內(nèi)力測(cè)試中為數(shù)不多的嘗試，可為海上風(fēng)電領(lǐng)域建設(shè)提供一定的經(jīng)驗(yàn)參考，具有一定的借鑒意義。