GRLWEAP 程序在海上風(fēng)電樁基工程中的應(yīng)用

賀正興

（福建省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 福建福州 350001）

1 方法的選擇

隨著能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，清潔能源所占的比重逐年增長(zhǎng)。而在清潔能源中，風(fēng)能以其含量大、分布廣、無污染等優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的發(fā)展前景［1］。海上風(fēng)電因其占用土地面積小、遠(yuǎn)離人們生活區(qū)、風(fēng)資源豐富、距高用電負(fù)荷區(qū)近、棄電限電少等優(yōu)勢(shì)得到人們的廣泛關(guān)注［2］。海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)按其基礎(chǔ)形式不同，主要包括重力式基礎(chǔ)、高樁承臺(tái)基礎(chǔ)、單樁基礎(chǔ)、單柱復(fù)合筒基礎(chǔ)、樁式導(dǎo)管架基礎(chǔ)、吸力式導(dǎo)管架基礎(chǔ)和漂浮式基礎(chǔ)。其中高樁承載基礎(chǔ)、單樁基礎(chǔ)和樁式導(dǎo)管架基礎(chǔ)均為通過端部樁基基礎(chǔ)承載的基礎(chǔ)型式。最早的打樁分析通過打樁公式進(jìn)行，Isaacs 提出了將古典波動(dòng)方程引入樁周土阻力的參數(shù)項(xiàng)R 的方法。Smith 提出了錘-樁-土離散化單元計(jì)算模型，用差分法將整個(gè)系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問題分析，求得較精確的數(shù)值解［3-4］。

隨著科技的進(jìn)度與發(fā)展，海上風(fēng)電樁基基礎(chǔ)鋼管樁也向大直徑、超深入泥方向變化，施工過程中會(huì)發(fā)生拒錘等現(xiàn)象［5］。同時(shí)考慮到海上風(fēng)電導(dǎo)管架基礎(chǔ)沉樁要求精度高及水下送樁工藝等方面因素，因此，在沉樁施工前選用哪種錘型以及采用多大能量進(jìn)行沉樁施工在保證鋼管樁順利到達(dá)設(shè)計(jì)高程方面具有現(xiàn)實(shí)意義。本文以波動(dòng)理論方程為基礎(chǔ)，結(jié)合工程實(shí)例，采用GRLWEAP 程序進(jìn)行樁基承載力分析和可打入性分析，并深入分析水上打樁水下送樁工藝對(duì)沉樁效果的影響，建立了一套適用于海上風(fēng)電深水厚粘砂土條件樁基工程中選用打樁錘型號(hào)及施工錘擊能量的方法。

2 計(jì)算實(shí)例

以福建某風(fēng)電場(chǎng)四樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)鋼管樁沉樁為例，應(yīng)用波動(dòng)方程的方法進(jìn)行樁基承載力分析，從而選擇適合場(chǎng)區(qū)地質(zhì)的樁錘型號(hào)。然后依據(jù)選定的樁錘型號(hào)開展可打入性分析，最后再根據(jù)實(shí)際沉樁數(shù)據(jù)及高應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行可打入性反演分析，建立了一套適用于海上風(fēng)電深水厚粘砂土條件樁基工程中選用打樁錘型號(hào)及施工錘擊能量的方法。

2.1 工程概況

福建某海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目平均水深40 m，共布置有四樁內(nèi)插式導(dǎo)管架基礎(chǔ)和吸力式導(dǎo)管架基礎(chǔ)，另外布置有海上升壓站一臺(tái)。其中四樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)和海上升壓站導(dǎo)管架基礎(chǔ)均采用先通過輔助樁架和送樁器沉樁至設(shè)計(jì)高程然后安裝上部導(dǎo)管架再進(jìn)行水下灌漿的施工工藝。

選取場(chǎng)區(qū)內(nèi)四樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)典型機(jī)位進(jìn)行研究分析。該典型機(jī)位設(shè)計(jì)鋼管樁長(zhǎng)度為94 m，入泥深度為86.7 m，設(shè)計(jì)樁徑為3.2 m～3.8 m，壁厚45 mm～50 mm；水下送樁器長(zhǎng)度為50 m，直徑為3.2 m，壁厚50 mm。具體設(shè)計(jì)鋼管樁及送樁器參數(shù)如表1所示。場(chǎng)區(qū)內(nèi)地質(zhì)以粘性土和砂土為主，自泥面至下共分為10層土，具體場(chǎng)區(qū)地質(zhì)情況如表2 所示。

表1 設(shè)計(jì)鋼管樁和送樁器幾何參數(shù)

表2 土層主要物理力學(xué)指標(biāo)

2.2 工程特點(diǎn)

由于海上風(fēng)電四樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)采用先通過輔助樁架和送樁器沉樁至設(shè)計(jì)高程然后安裝上部導(dǎo)管架再進(jìn)行水下灌漿的施工工藝。為保證上部導(dǎo)管架基礎(chǔ)順利下放及灌漿作業(yè)的順利進(jìn)行，須要求沉樁結(jié)束后四根鋼管樁的樁頂高程偏差不能太大，須滿足小于0.05 m 的高精度要求。同時(shí)，海上風(fēng)電四樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)鋼管樁樁頂高程位于水下，而打樁錘大多采用水上打樁工藝，因此需采用水下送樁工藝。送樁器一般為鋼質(zhì)管樁，管樁上部通過樁帽連接打樁錘，下部通過插樁導(dǎo)向連接基礎(chǔ)鋼樁。打樁過程中，打樁錘錘擊能量通過送樁器傳遞到基礎(chǔ)鋼樁頂部。由于基礎(chǔ)沉樁多了送樁器這一傳遞能量的介質(zhì)，因此采用水下送樁工藝必然導(dǎo)致傳遞到基礎(chǔ)鋼管樁頂打擊能量的衰減，打樁錘的錘擊能量轉(zhuǎn)化效率降低。因此，海上風(fēng)電多樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)鋼管樁沉樁具有以下特點(diǎn)：

（1）實(shí)際沉貫樁頂高程與設(shè)計(jì)樁頂高程偏差要求小，沉樁精度要求高；

（2）采用水下送樁工藝，錘擊能量損耗大。

因此，在沉樁施工前選用哪種錘型以及采用多大能量進(jìn)行沉樁施工在保證鋼管樁順利到達(dá)設(shè)計(jì)高程具有現(xiàn)實(shí)意義。

2.3 承載力分析及樁錘選取

（1）備選錘型。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，鋼管樁擬打入深度為86.7 m，土層單樁承載力為70 000 kN，初步考慮從永安機(jī)械YC110、YC120、YC130、YC150、YC180 這5 種打樁錘選取擬采用的打樁錘型號(hào)，樁帽采用ZM3600 型號(hào)。這5 種打樁錘的樁錘參數(shù)和樁帽參數(shù)如表3 和表4 所示。

表3 打樁錘參數(shù)

表4 樁帽參數(shù)

（2）選取標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)波動(dòng)方程理論，通過如下標(biāo)準(zhǔn)來確定擬采用的樁錘型號(hào)：①根據(jù)承載力-錘擊數(shù)曲線，同等條件下選取曲線斜率較大的錘型，即選取錘擊數(shù)增大而承載力增加較快的錘型；②根據(jù)初打地基承載力，選取終錘貫入度較大的錘型。出于對(duì)打樁錘及鋼管樁的保護(hù)，一般情況下，控制終錘的貫入不小于8 mm/擊；③根據(jù)樁身最大壓應(yīng)力-錘擊數(shù)、樁身最大拉應(yīng)力-錘擊數(shù)曲線，選取不超過鋼管樁材質(zhì)設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度允許值的錘型。按照鋼管樁設(shè)計(jì)最大壁厚50 mm 考慮，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50017—2017）現(xiàn)行規(guī)范的要求，鋼管樁壁厚50 mm 情況下抗拉抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為290 MPa。

（3）不考慮送樁器影響計(jì)算結(jié)果分析。這5 種打樁錘的沉樁最大壓應(yīng)力-錘擊數(shù)曲線如圖1 所示。由圖1 可知，最大壓應(yīng)力-錘擊數(shù)曲線呈現(xiàn)“先不變后增大再不變”的趨勢(shì)，即當(dāng)?shù)鼗休d力較小時(shí)，錘擊數(shù)增大，樁身壓應(yīng)力基本不變；當(dāng)?shù)鼗休d力較小增加到一定值，曲線出現(xiàn)“拐點(diǎn)”，曲線斜率突然增大，樁身壓應(yīng)力隨著錘擊數(shù)增加而增加；當(dāng)?shù)鼗休d力較小進(jìn)一步增大時(shí)，曲線斜率減小，樁身壓應(yīng)力隨著錘擊數(shù)增加變化較小，趨于穩(wěn)定。從圖1 中各曲線對(duì)比還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)單樁地基承載力一定時(shí)，選取樁錘越大，傳遞到樁身的壓應(yīng)力越大，出現(xiàn)出現(xiàn)貫入度“拐點(diǎn)”時(shí)的時(shí)間越早。當(dāng)錘擊數(shù)一定時(shí)，選取樁錘越大，傳遞到樁身的壓應(yīng)力越大。因此，選取樁錘型號(hào)不能一味只追求選用大能量錘，選取樁錘時(shí)除了盡可能選用大能量錘外還需要同時(shí)滿足樁身材質(zhì)抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度的要求。

圖1 樁身最大壓應(yīng)力-錘擊數(shù)曲線

這5 種打樁錘的沉樁最大拉應(yīng)力-錘擊數(shù)曲線如圖2 所示。由圖2 可知，最大拉應(yīng)力-錘擊數(shù)曲線呈現(xiàn)“先降低后增大再逐步穩(wěn)定”的趨勢(shì)，即當(dāng)?shù)鼗休d力較小時(shí)，樁身拉應(yīng)力隨著錘擊數(shù)增加而急劇減??；當(dāng)?shù)鼗休d力達(dá)到一定值后，曲線斜率突然增大，樁身拉應(yīng)力隨著錘擊數(shù)增加而急劇增加；當(dāng)?shù)鼗休d力進(jìn)一步增大時(shí)，樁身拉應(yīng)力趨于穩(wěn)定，隨著貫入度增大略微減小。由于傳遞到樁身上的拉應(yīng)力主要由于沉樁過程中錘擊偏心導(dǎo)致的，且傳遞到樁身的拉應(yīng)力較小，因此可以不考慮鋼管樁身拉應(yīng)力的影響。

圖2 樁身最大拉應(yīng)力-錘擊數(shù)曲線

當(dāng)?shù)鼗鶈螛冻休d力為70 000 kN 時(shí)，YC110、YC120、YC130、YC150、YC180 打樁錘對(duì)應(yīng)的樁身最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力如表5 所示。由表5 可知，這5 中打樁錘均滿足工程需求。

表5 承載力分析計(jì)算結(jié)果

YC110、YC120、YC130、YC150、YC180 這5 種打樁錘的單樁承載力-錘擊數(shù)曲線如圖3 所示。各曲線隨著承載力增加，錘擊數(shù)增加。當(dāng)承載力較小時(shí)，錘擊數(shù)和承載力近似線性增長(zhǎng)，曲線斜率較大；當(dāng)承載力較大時(shí)，錘擊數(shù)增加較快，曲線斜率降低，說明當(dāng)承載力增加到一定數(shù)值后土層變得難以打入，錘擊效率降低。由圖1 可知，YC180 錘型的曲線斜率最大，YC150 次之，YC110 曲線斜率最小，因此在施工裝備條件允許情況下應(yīng)盡可能選取大能量錘。按照土層單樁承載力70 000 kN計(jì)算，得到Y(jié)C110、YC120、YC130、YC150、YC180 這5 種打樁錘終錘錘擊數(shù)和貫入度如表6 所示。由表6 可知，按照終錘貫入度不小于8 mm/擊考慮，選取YC150 和YC180 打樁錘滿足較為合適。

圖3 單樁承載力-錘擊數(shù)曲線

表6 承載力分析計(jì)算結(jié)果

綜合以上分析，在不考慮送樁器的影響時(shí)，地基承載為70 000 kN 時(shí)，選用YC150 和YC180 打樁錘較為合適。

（2）考慮送樁器對(duì)樁錘選擇的影響?？紤]送樁器的情況下YC150、YC180 這2 種打樁錘的單樁承載力-錘擊數(shù)曲線如圖4 所示。由圖4 可知，同等承載力條件下，選用送樁器所需要的錘擊數(shù)更大。當(dāng)承載力為70 000 kN 時(shí)，YC150、YC180 打樁錘不含送樁器和含有送樁器情況下的錘擊數(shù)和貫入度計(jì)算結(jié)果如表7 所示。

圖4 單樁承載力-錘擊數(shù)曲線

表7 承載力分析計(jì)算結(jié)果

由表7 可知，當(dāng)考慮送樁器的影響時(shí)，YC150 打樁錘的終錘貫入度小于8 mm，不滿足要求。考慮本工程采用水下送樁沉樁的施工工藝，選用YC180 打樁錘較為適宜。

2.4 送樁器對(duì)錘擊能量的影響分析

考慮送樁器后，由于多了送樁器這一傳遞能量介質(zhì)，相當(dāng)于樁身長(zhǎng)度加長(zhǎng)。為了使鋼管樁達(dá)到設(shè)計(jì)高程，在同等貫入度條件下，需要施加更大的錘擊能量。考慮送樁器情況，錘擊能量相對(duì)于不設(shè)置送樁器情況下錘擊能量的變化率η 計(jì)算公式如式（1）所示。

式中：W1表示設(shè)置送樁器情況下樁錘錘擊能量；W2表示不設(shè)置送樁器情況下樁錘錘擊能量。

以YC180 打樁錘為例，計(jì)算得到設(shè)置送樁器情況下不同地基承載力與有效錘擊能量變化率關(guān)系如圖5 所示。由圖5可知，地基承載力從50 000 kN 增大到80 000 kN 時(shí)，錘擊能量增量從4.3%變化為7%，說明設(shè)置送樁器后，地基承載力越大，錘擊能量的變化率越大，且隨著承載力增大，錘擊能量變量變化率的斜率越來越大的趨勢(shì)。

圖5 設(shè)置送樁器后承載力與錘擊能量變化率曲線

2.5 可打入性分析及實(shí)際沉樁后反演分析

根據(jù)2.4 節(jié)分析，本工程考慮擬采用YC180 打樁錘施工。未沉樁施工前，選用YC180 液壓錘進(jìn)行沉樁可打入性分析，設(shè)定打樁錘沖程為1.7 m，錘擊效率為0.7，不考慮沉樁過程打樁錘錘擊效率的折減及沖程的變化，采用GRLWEAP 程序進(jìn)行可打入性分析。實(shí)際沉樁完成后，根據(jù)得到的實(shí)際沉貫數(shù)據(jù)（實(shí)際貫入度、錘擊能量等數(shù)據(jù)）再次采用GRLWEAP 程序進(jìn)行進(jìn)行可打入性驗(yàn)證性分析，得到鋼管樁沉樁的入泥深度與錘擊數(shù)的關(guān)系曲線如圖6（a）和（b）所示，入泥深度與壓應(yīng)力的關(guān)系曲線如圖6（c）所示，入泥深度與拉應(yīng)力的關(guān)系曲線如圖6（d）所示，入泥深度與錘擊能量的關(guān)系曲線如圖6（e）所示。

運(yùn)用GRLWEAP 程序計(jì)算得到沉樁完成后考慮實(shí)際錘擊能量變化的可打入性反分析計(jì)算結(jié)果與實(shí)際沉貫終錘的數(shù)據(jù)對(duì)比如表8 所示。由表8 可見，采用GRLWEAP 程序計(jì)算得到的終錘結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為接近。

表8 GRLWEAP 計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

由圖6（b）和（e）可知，實(shí)際沉貫自重入泥深度為12 m，最大錘擊數(shù)為400 擊/m，發(fā)生在入泥深度50 m 附近，主要是由于實(shí)際錘擊能量較小導(dǎo)致的。同時(shí)，采用GRLWEAP 程序計(jì)算得到錘擊數(shù)（貫入度）曲線和實(shí)測(cè)錘擊數(shù)（貫入度）曲線擬合基本一致，說明采用GRLWEAP 程序在該打樁錘錘擊效率、厚軟粘砂土層條件下的進(jìn)行沉樁可打入性分析是可行的。

由圖6（d）和（e）可知，在鋼管樁自重結(jié)束后的沉貫階段，采用大能量沉樁且不考慮沉樁能量變化時(shí)，鋼管樁樁身最大拉應(yīng)力為120 MPa；采用小能量沉樁且考慮沉樁能量變化時(shí)，鋼管樁樁身最大拉應(yīng)力為25 MPa。因此，當(dāng)沉樁的初始階段，地基承載力較小，尤其是在鋼管樁自重沉貫剛結(jié)束階段，應(yīng)控制打樁錘小能量沉樁，否則易導(dǎo)致鋼管樁樁身拉應(yīng)力急劇增大的現(xiàn)象。

由圖6（a）（c）（d）（e）可知，沉樁過程中錘擊能量的變化對(duì)沉貫過程中貫入度、壓應(yīng)力及總錘擊數(shù)影響較大，對(duì)沉樁結(jié)束階段的貫入度和傳遞樁身最大拉、壓應(yīng)力影響不大。

圖6 GRLWEAP 沉樁可打入性計(jì)算結(jié)果

通過以上沉貫施工前可打入性分析及實(shí)際沉樁后反分析及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證可知，沉樁施工前采用GRLWEAP 程序進(jìn)行沉樁可打入性分析是有效的。

3 結(jié)論

（1）在沉樁前，依據(jù)已有地質(zhì)資料采用GRLWEAP 程序模擬不同錘型對(duì)地基承載力的影響是必要的，通過這種方法可以初步預(yù)估沉樁的難易程度，從而選定所需要的錘型，然后依據(jù)初步選定打樁錘系統(tǒng)進(jìn)行可打入性分析的方法通過工程實(shí)例證明是行之有效的。

（2）當(dāng)承載力較小時(shí)，錘擊數(shù)和承載力近似線性增長(zhǎng)，曲線斜率較大；當(dāng)承載力較大時(shí)，錘擊數(shù)增加較快，曲線斜率降低，說明當(dāng)承載力增加到一定數(shù)值后土層變得難以打入，錘擊效率降低。

（3）當(dāng)?shù)鼗休d力一定時(shí)，選取樁錘越大，傳遞到樁身的壓應(yīng)力越大。因此選取樁錘型號(hào)不能一味只追求選用大能量錘，選取樁錘時(shí)除了盡可能選用大能量錘外，還需要同時(shí)滿足樁身材質(zhì)抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度的要求。

（4）當(dāng)沉樁的初始階段，地基承載力較小，尤其是在鋼管樁自重沉貫剛結(jié)束階段，應(yīng)控制打樁錘小能量沉樁，否則易導(dǎo)致鋼管樁樁身拉應(yīng)力急劇增大。

（5）采用水下送樁工藝對(duì)沉樁能量的損耗因樁基承載力不同而不同，承載承載力越大，送樁器段損耗的能量越大。以本文為例，樁基承載力由50 000 kN 變化為80 000 kN，錘擊能量損耗率從4.3%增大到7%。

（6）沉樁過程中，錘擊能量的變化對(duì)沉貫過程中貫入度、壓應(yīng)力及總錘擊數(shù)影響較大，但對(duì)終錘貫入度和傳遞樁身最大拉、壓應(yīng)力影響不大。