海上導(dǎo)管架沉樁施工送樁器能量消散分析

劉 捷，龍正如，蘇長(zhǎng)南

(廣東粵電陽(yáng)江海上風(fēng)電有限公司，廣東 陽(yáng)江 529500)

因定位導(dǎo)向架和部分液壓沖擊錘不具備水下沉樁能力，海上風(fēng)電先樁法導(dǎo)管架沉樁施工往往不能通過(guò)打樁錘直接錘擊工程樁，需在工程樁樁頂插接送樁器，打樁錘通過(guò)錘擊送樁器，將能量傳遞至工程樁，從而將樁打入。但送樁器上能量消散比例目前無(wú)準(zhǔn)確的參考數(shù)據(jù)，為打入性分析和打樁錘的選擇帶來(lái)一定的困難。為查明送樁器上能量消散比例，在送樁器和工程樁上都安裝傳感器，通過(guò)高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)分別測(cè)得打樁過(guò)程中送樁器和工程樁上的能量和樁身應(yīng)力，從而推斷出送樁器能量消散比例，為打樁錘的選擇提供參考依據(jù)，為海上沉樁施工積累經(jīng)驗(yàn)。

1 高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)基本原理

錘擊沉樁是一個(gè)沖擊的過(guò)程，通過(guò)應(yīng)力波的形式來(lái)傳遞能量。對(duì)沖擊機(jī)械不能采用靜力學(xué)、剛體動(dòng)力學(xué)或是運(yùn)動(dòng)學(xué)分析其工作機(jī)理[1]。送樁器與工程樁之間的連接并非剛性連接，而是通過(guò)插接的方式進(jìn)行連接，應(yīng)力波在連接部分產(chǎn)生復(fù)雜的透射和反射，通過(guò)理論計(jì)算很難得出送樁器的能量消散值，必須通過(guò)工程試驗(yàn)進(jìn)行實(shí)測(cè)。

高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)是用重錘沖擊樁頂，使樁土產(chǎn)生足夠的相對(duì)位移，以充分激發(fā)樁周土阻力和樁端支承力，通過(guò)安裝在樁頂以下樁身兩側(cè)的力和加速度傳感器接收樁的應(yīng)力波信號(hào)，應(yīng)用應(yīng)力波理論分析處理力和速度時(shí)程曲線，從而判定樁的承載力和評(píng)價(jià)樁身完整性[2]。

2 高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)實(shí)施方案

2.1 檢測(cè)方法

樁的截面積、樁身材料質(zhì)量密度和彈性模量應(yīng)在測(cè)點(diǎn)處取值。樁長(zhǎng)應(yīng)取傳感器安裝位置至樁底間的距離。鋼樁樁身應(yīng)力波波速應(yīng)設(shè)定為5 120 m/s，樁身材料質(zhì)量密度應(yīng)設(shè)定為7.85 t/m3。樁身材料彈性模量設(shè)定值應(yīng)按下式計(jì)算：

E=ρ·c2

(1)

式中E為樁身材料彈性模量，kPa；c為樁身應(yīng)力波傳播速度，m/s；ρ為樁身材料質(zhì)量密度，t/m3[3]。

樁頂應(yīng)設(shè)置樁墊，樁墊宜采用膠合板、木板或纖維板等材質(zhì)均勻的材料。傳感器安裝應(yīng)滿(mǎn)足下列要求[3-4]：

1) 應(yīng)在樁身兩側(cè)沿樁軸線對(duì)稱(chēng)安裝2只應(yīng)變傳感器和加速度傳感器，傳感器的中心應(yīng)處于同一橫截面上；傳感器與樁頂間的垂直距離，對(duì)一般樁型不宜小于2倍樁徑或邊長(zhǎng)；

2) 安裝傳感器的樁身表面應(yīng)平整，且其周?chē)鸁o(wú)缺陷或截面突變；

3) 傳感器的安裝宜采用膨脹螺栓固定，螺栓孔應(yīng)與樁側(cè)面垂直，安裝后傳感器緊貼樁身；

4) 對(duì)于水上傳感器，應(yīng)采用措施預(yù)防傳感器或?qū)Ь€接頭進(jìn)水；

5) 錘擊時(shí)，應(yīng)將傳感器電纜線固定在樁身，預(yù)防震動(dòng)受損。

2.2 具體實(shí)施方案

1) 液壓沖擊錘

采用MHU 1200S液壓沖擊錘，總重約為210 t，最大輸出能量為1 200 kJ，最大輸出能量工況下錘擊頻率最高能達(dá)到38錘/min。

2) 工程樁與送樁器

工程樁：長(zhǎng)為61 m，外徑為2 400 mm，壁厚為30～55 mm，入土為57.6 m，材質(zhì)為DH36。

送樁器：上部采用外徑為2 400 mm的鋼管，長(zhǎng)為32 m，壁厚為40～55 mm；與工程樁接觸部分采用高110 mm的加厚段，壁厚為170 mm；下部導(dǎo)向部分分為2段，1段長(zhǎng)為1 m，該部分外徑為2 270 mm，壁厚為30 mm，另一段長(zhǎng)為0.6 m，外徑從2 270 mm縮小至1 573 mm，壁厚為20 mm，中間焊接10塊豎向加勁板；除加厚段材質(zhì)為Q345C外，其余材質(zhì)均為Q345B。

3) 錘效對(duì)比測(cè)試

本次沉樁由于定位導(dǎo)向架的影響，沉樁到一定標(biāo)高后需要使用送樁器才能繼續(xù)沉樁?，F(xiàn)場(chǎng)擬在沉樁方式受定位導(dǎo)向架影響前采用試驗(yàn)對(duì)比的方式分析送樁器的影響，同一根測(cè)試樁，安裝送樁器前，由打樁錘直接錘擊樁頂打樁，樁身安裝傳感器測(cè)試50錘左右。安裝送樁器后，以同樣的打擊能量、同樣的方式測(cè)試50錘左右。圖1為安裝送樁器前對(duì)工程樁進(jìn)行高應(yīng)變檢測(cè)示意。

圖1 高應(yīng)變檢測(cè)試驗(yàn)

4) 打樁過(guò)程高應(yīng)變檢測(cè)

在打樁過(guò)程中，通過(guò)在工程樁上安裝水下傳感器，在送樁器上安裝水上傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)打樁過(guò)程中的數(shù)據(jù)，傳感器安裝位置距離樁頂以下5.05 m，安裝示意見(jiàn)圖2。

圖2 傳感器安裝示意(單位：mm)

3 高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)結(jié)果及分析

3.1 高應(yīng)變檢測(cè)試驗(yàn)

為分析送樁器能量消散的影響，進(jìn)行了2次高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)，借助送樁器沉樁1次，直接錘擊沉樁1次，錘擊系統(tǒng)設(shè)定打擊能量均為500 kJ，測(cè)試結(jié)果如下。

1) 借助送樁器沉樁檢測(cè)

沉樁過(guò)程正常，未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，共連續(xù)錘擊50擊，選取中間連續(xù)的20擊進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)得到的錘擊能量平均值為453.07 kJ，樁錘系統(tǒng)設(shè)定的錘擊能量為500 kJ，實(shí)測(cè)錘效為90.61%。

2) 直接錘擊檢測(cè)

沉樁過(guò)程正常，未發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象，共連續(xù)錘擊50擊，選取中間連續(xù)的20擊進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)得到的錘擊能量平均值為465.89 kJ，樁錘系統(tǒng)設(shè)定的錘擊能量為500 kJ，實(shí)測(cè)錘效為93.18%。

3.2 沉樁過(guò)程高應(yīng)變檢測(cè)

沉樁過(guò)程中，在送樁器和工程樁上分別測(cè)得的數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 送樁器、工程樁沉樁監(jiān)測(cè)結(jié)果

1) 送樁器監(jiān)測(cè)

送樁器監(jiān)測(cè)過(guò)程正常，未發(fā)生明顯異常現(xiàn)象。根據(jù)選取的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(樁尖標(biāo)高為-52.09～-65.69 m)，送樁器實(shí)測(cè)能量約占錘擊系統(tǒng)輸出能量的97.0%。

送樁器材質(zhì)為Q345B，材料屈服強(qiáng)度為345 MPa。根據(jù)API規(guī)范，動(dòng)應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)屈服強(qiáng)度的80%～90%，按照85%取值的最大允許動(dòng)應(yīng)力為293 MPa。

根據(jù)選取的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，送樁器傳感器安裝位置實(shí)測(cè)的壓應(yīng)力最大值為249.9 MPa，未超過(guò)送樁器的最大允許動(dòng)應(yīng)力為293 MPa。

2) 工程樁監(jiān)測(cè)

因定位導(dǎo)向架原因，對(duì)樁身進(jìn)行了部分監(jiān)測(cè)。樁身監(jiān)測(cè)過(guò)程正常，未發(fā)生明顯異?，F(xiàn)象。根據(jù)選取的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(樁尖標(biāo)高從-52.09～-62.09 m)，樁身實(shí)測(cè)能量約占錘擊系統(tǒng)輸出能量的88.9%。從數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析，工程樁入土越深，從樁錘傳入工程樁的能量比例呈下降趨勢(shì)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋，樁錘的樁芯反彈現(xiàn)象也趨于明顯。

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，樁身材質(zhì)為DH36，材料屈服強(qiáng)度為355 MPa。根據(jù)API規(guī)范，動(dòng)應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)屈服強(qiáng)度的80%～90%，按照85%取值的最大允許樁身動(dòng)應(yīng)力為302 MPa。

打樁過(guò)程中，樁身傳感器安裝位置監(jiān)測(cè)到的最大壓應(yīng)力為190.9 MPa，未超過(guò)樁身允許最大動(dòng)應(yīng)力302 MPa。

3) 樁身應(yīng)力和承載力檢測(cè)結(jié)果

為輔助分析樁身應(yīng)力和承載力情況，對(duì)樁在樁尖標(biāo)高為-62.09 m的實(shí)測(cè)曲線進(jìn)行了擬合計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示樁尖標(biāo)高為-62.09 m時(shí)對(duì)應(yīng)的初打承載力為24 899 kN，樁身最大壓應(yīng)力計(jì)算值為251.8 MPa，未超過(guò)樁身允許最大動(dòng)應(yīng)力302 MPa。但由于現(xiàn)場(chǎng)條件所限，該樁未監(jiān)測(cè)到最終標(biāo)高，未能獲取到拒錘時(shí)的實(shí)際數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析，預(yù)計(jì)拒錘時(shí)樁身實(shí)測(cè)能量/錘擊系統(tǒng)輸出能量比值會(huì)相應(yīng)降低，送樁器帶來(lái)的能量消散比例會(huì)相應(yīng)增大。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)和工程應(yīng)用驗(yàn)證，在海洋工程領(lǐng)域，使用MHU 1200S液壓沖擊錘施打長(zhǎng)為61 m、外徑為2 400 mm、壁厚為30～55 mm、材質(zhì)為DH36的敞口鋼管樁，當(dāng)采用長(zhǎng)為32 m、外徑為2 400 mm、壁厚為40～55 mm、材質(zhì)為Q345的送樁器時(shí)，帶來(lái)的能量消散比例約為3.3%～13.3%，工程樁入土越深，能量消散比例越大。該數(shù)據(jù)可為海上沉樁施工方案設(shè)計(jì)、錘型選擇、打入性分析提供一定程度的參考。