海上風(fēng)電場風(fēng)機鋼管樁樁基可打入性分析

中交第三航務(wù)工程局有限公司廈門分公司，福建 廈門 361000

1 工程概況

三峽廣東汕頭市南澳洋東海上風(fēng)電項目位于廣東省汕頭市南澳縣東部海域，場址水深28.3～36.6m，臨近周邊的南澳島，間距約15km。樁基是風(fēng)機施工的關(guān)鍵內(nèi)容，采用D1800試驗直樁1根、D800基準(zhǔn)樁2根、D1500基準(zhǔn)樁套筒2根以及D2400錨樁4根。文章以海上風(fēng)電場風(fēng)機作為應(yīng)用實例，利用GRLWEAP打樁分析軟件對樁基是否可打入進行了分析，同時，與實測數(shù)據(jù)進行了對比研究。

2 方案部署

該項目施工范圍包括導(dǎo)管架基礎(chǔ)鋼管樁沉樁工藝，以及承載力試驗和重力式基礎(chǔ)水下擠密砂樁復(fù)合地基試驗等。該項目是通過試樁來確定風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式的，試樁試驗選用兩種結(jié)構(gòu)形式，分別為鋼管樁形式和砂樁基礎(chǔ)。

3 鋼管樁沉樁控制依據(jù)及主要工況

海上風(fēng)機建設(shè)環(huán)境復(fù)雜，通常采取樁基的形式，但打設(shè)過程中易受到地質(zhì)條件的影響，隨之出現(xiàn)難以達到設(shè)計貫入深度的情況。對此，有必要充分考慮樁基的可打入性問題，需對其展開全面的分析，從而為樁基施工提供可靠的指導(dǎo)。

3.1 沉樁控制依據(jù)

勘察結(jié)果顯示，樁尖持力層多為全風(fēng)化花崗巖層，依據(jù)其自身的特征，可選用錘擊法施工，同時，指標(biāo)需要以標(biāo)高為基準(zhǔn)來控制，通過貫入度加以檢驗。

（1）打樁應(yīng)力。以屈服強度為準(zhǔn)，取該值的80%～90%作為允許應(yīng)力，具體控制標(biāo)準(zhǔn)如下：

式中：fa為打樁應(yīng)力，kPa；Fa為允許應(yīng)力，kPa；Fy為屈服強度，MPa。

（2）錘擊控制。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)特點，嚴(yán)格控制每0.3m的錘擊數(shù)，即需要大于300錘。

3.2 主要工況

海上施工伴有諸多不可預(yù)見因素，施工期間易發(fā)生停錘現(xiàn)象。若因特殊條件而停錘，此時孔隙水壓力將在短時間內(nèi)快速消失，土體強度發(fā)生逐步提高的變化趨勢，且土體的側(cè)摩阻力加大，在此條件下若繼續(xù)復(fù)打，將明顯提高打樁難度。對此，在樁端土阻力逐步提升的條件下，若該值超過鋼管樁內(nèi)側(cè)摩阻力，此時需重點考慮增加的樁端面積，根據(jù)此參數(shù)分析土塞情況。具體至此次分析中，僅考慮無土塞和50%土塞的條件，具體內(nèi)容如表1所示。

表1 工況組合表

3.3 風(fēng)機樁基可打入性分析

在風(fēng)場建筑的初期，需要利用海上風(fēng)電場風(fēng)機來觀測海上風(fēng)場的資源，其建設(shè)的成功與否直接影響到風(fēng)場后期的投資情況。文章針對某海上石油平臺，估計并測算了鋼管樁的沉樁阻力，并針對實際情況對錘型的選擇和作業(yè)流水提出建議；通過GRIWEAP打樁分析應(yīng)用程序，模擬了指定樁錘環(huán)境中的打樁過程；通過CAPWAP打樁分析應(yīng)用程序以及改進過后的波動方程，對近海樁基的可打入性和承載能力進行了對比分析。

（1）數(shù)值計算結(jié)果。結(jié)合地質(zhì)勘察資料，在此基礎(chǔ)上通過GRLWEAP軟件展開分析，由此明確樁基的可打入情況。具體內(nèi)容如表2所示。①工況1。在入土深度增加的條件下，錘擊數(shù)隨之表現(xiàn)出同步加大的變化趨勢。若入土深度為58m，此時所對應(yīng)的錘擊數(shù)為1908擊，達到此狀態(tài)后繼續(xù)朝下打樁，直到貫入度達標(biāo)后才可停錘。當(dāng)樁身的應(yīng)力在屈服應(yīng)力的80%以下時，樁尖均能穿過中粗砂礫層，隨后再向下延伸，進入全風(fēng)化巖層。②工況2。在入土深度增加的條件下，錘擊數(shù)隨之表現(xiàn)出同步加大的變化趨勢。若入土深度為58m，此時所對應(yīng)的錘擊數(shù)為2854擊，達到此狀態(tài)后繼續(xù)向下打樁，貫入度依然未達到要求，樁身應(yīng)力≤屈服應(yīng)力的80%。相較于工況1，貫入度相對更小，對應(yīng)的錘擊數(shù)增加，壓應(yīng)力有所加大，不利于后續(xù)的打樁作業(yè)，具有費時、費力的特點?？紤]到海上施工條件的復(fù)雜性，應(yīng)盡可能消除內(nèi)外部因素的干擾，以免停錘復(fù)打。③工況3。入土深度增加的條件下，錘擊數(shù)隨之表現(xiàn)出同步加大的變化趨勢。若入土深度為58m，此時所對應(yīng)的錘擊數(shù)為1891擊，達到此狀態(tài)后繼續(xù)向下打樁，貫入度依然未達到要求，樁身應(yīng)力≤屈服應(yīng)力的80%，此條件下樁尖可穿過中粗砂礫層。相較于工況1，無論是最大拉應(yīng)力還是壓應(yīng)力都表現(xiàn)出略有增加的變化趨勢，未出現(xiàn)明顯的土塞效應(yīng)。

表2 打樁分析結(jié)果

（2）理論計算結(jié)果與實測記錄對比。打樁船的型號需要參照實際的作業(yè)環(huán)境來確定，該項目選用“浙樁＃8”型打樁船，配套使用D138開口柴油錘，按照起樁→立樁→插樁→錘擊→停錘→下一根樁起樁→……→搭設(shè)圍囹的方式有序施工。該工程使用開口鋼管樁，通過錘擊法有序?qū)⒏鳂妒┕さ轿?。正常施工條件下，每樁錘擊時間約35～40min。以入土深度為53.7m的樁為例，采集施工期間的各項數(shù)據(jù)，整理后繪制成圖。根據(jù)所給內(nèi)容可知，總錘擊數(shù)約1655擊，相較于實測記錄的1562擊而言略有提高，兩者產(chǎn)生的誤差在6%以下，此現(xiàn)象的成因在于土層的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值預(yù)估存在偏差。此外，貫入度也超過實測值。調(diào)節(jié)參數(shù)，在側(cè)摩阻系數(shù)和端阻系數(shù)維持不變的條件下，減小極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值（變化量為40kPa下降至30kPa），此時取得的各項數(shù)值分析結(jié)果無明顯差異。軟件分析的結(jié)果雖然與實測值之間存在差異，但相差幅度相對較小，數(shù)值分析的方式具有可行性。通過數(shù)值分析后，得知樁基具有可打入性，能夠達到設(shè)計深度要求，并且總錘擊數(shù)略有增大。多方面因素均會對分析結(jié)果帶來影響，但由于作用機制具有差異性，極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值和側(cè)摩擦系數(shù)兩項參數(shù)所帶來的影響更為明顯，需要適當(dāng)降低側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，以達到提高結(jié)果準(zhǔn)確性的效果。

（3）樁基加固工程施工。①樁基測量。沉樁期間加強檢測，以便掌握鋼管樁的實際情況，如樁頂標(biāo)高、平面位置、樁的傾斜度，并根據(jù)樁基的情況依次編號，完整記錄各項數(shù)據(jù)。按照如下方法測量：將導(dǎo)向架安裝到位即可進入沉樁環(huán)節(jié)，及時檢測樁頂與導(dǎo)向架頂面的位置關(guān)系，在兩者間距縮小至1m時，及時撤除液壓錘，通過GPS系統(tǒng)檢測，以便獲得樁頂?shù)钠矫嫖恢?，并完整記錄檢測所得的結(jié)果，由此求得設(shè)計標(biāo)高處的位置信息，即坐標(biāo)和傾斜度。②工作鋼平臺、預(yù)埋件等相關(guān)構(gòu)件都提前預(yù)制成型，再轉(zhuǎn)入現(xiàn)場拼裝成整體。配置1000t平板駁設(shè)備，在其作用下將樁基加固結(jié)構(gòu)導(dǎo)管等相關(guān)裝置轉(zhuǎn)運至現(xiàn)場，利用1000t起重船有序安裝到位。樁基加固導(dǎo)管架施工后，該處與錨樁將形成環(huán)形空間，對其采取灌漿處理措施，以便構(gòu)成穩(wěn)定的整體結(jié)構(gòu)。

4 砂樁沉樁施工

該工程中，水下擠密砂樁采用正方形布置，樁徑為1.6m，間距為1.8m，樁長為8m，數(shù)量為100根，面積置換率為62%，總用砂量為1609m3。施工內(nèi)容包含水下擠密砂樁施工，錨樁及基準(zhǔn)樁施工，試驗平臺及荷載板的建造、安裝，試樁試驗等。作業(yè)過程中要嚴(yán)格按照以下要求進行。

（1）在進行拔管排砂時，要利用砂面監(jiān)控器，對剩余砂量的高度進行實時監(jiān)控，保障剩余的高度至少在3～5m，當(dāng)剩余量在該數(shù)值之下時，為了避免管外軟土在排氣加砂時因水（土）壓的作用而出現(xiàn)回灌，要立刻停止上拔，開始加砂。

（2）因為水下局部地區(qū)存在擠密砂樁的上部入土較淺、周圍土壓小的現(xiàn)象，所以為了避免管內(nèi)砂在高壓作用下被完全沖出而使水下擠密砂樁斷折，在回打時，要盡量降低管內(nèi)壓力。當(dāng)在距離樁頂1～2m作業(yè)時，要盡可能減小成樁高度，確保頂部的密實度達到標(biāo)準(zhǔn)。

（3）在沉管至該土層時，要減小管內(nèi)壓力，同時減緩沉管速度，以便順利穿透土層。若首次難以穿透，則加壓拔管，離開該土層2～3m，然后再減壓沉管，如此重復(fù)，直至穿透該土層為止。若在該土層沉管時，振動錘電流接近額定電流且噸位計數(shù)值小于15t，則暫停沉管，以防設(shè)備損壞。同時，在該土層回打擴徑時，若連續(xù)1min回打速率小于0.2m/min，可停止擴徑。

（4）移船定位的平面偏差最多為±250mm，當(dāng)樁管入泥面之后，若發(fā)現(xiàn)該平面偏差在允許誤差之外，尤其是在急漲、落潮時期，要立即對其進行調(diào)整。此外，為了更好地把控平面偏差，還需要根據(jù)船舶的實際定位情況，定期對其進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

5 結(jié)束語

綜上所述，文章根據(jù)現(xiàn)場施工條件確定了多種工況組合，分別對樁基的可打入性展開分析。從所得結(jié)果來看，海上施工期間的干擾因素較多，應(yīng)盡可能避免停錘復(fù)打現(xiàn)象。同時，要通過與實測值對比，根據(jù)所得結(jié)果合理優(yōu)化參數(shù)，從而為樁基的可打入性分析提供可靠的依據(jù)。