海上風(fēng)電超大直徑單樁可打性與沉樁疲勞損傷分析

馬駿，孫肖菲，孫立強(qiáng)，吳伙桂，陳幫

(明陽智慧能源集團(tuán)股份公司，廣東 中山 528400)

在海上風(fēng)電領(lǐng)域，單樁基礎(chǔ)具有承載力大、沉降量小、穩(wěn)定性好、適應(yīng)性強(qiáng)、貫入深度大，以及制作安裝方便等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用。按樁徑大小，單樁基礎(chǔ)可分為小樁(≤2 500 mm)；中等直徑樁(2 500 mm<<8 000 mm)及大直徑樁(≥8 000 mm)。在工程上，單樁基礎(chǔ)的沉樁過程存在單樁基礎(chǔ)能否順利打入土體中的問題，即需要保證單樁被打入指定深度的持力層并且打樁過程中樁身應(yīng)力變化在許用應(yīng)力范圍內(nèi)。對(duì)于沉樁過程的研究，采用GRLWEAP軟件進(jìn)行可打性分析，計(jì)算沉樁總錘擊數(shù)與錘擊時(shí)間，已成為主流方法。根據(jù)GRLWEAP軟件可打性分析結(jié)果對(duì)單樁基礎(chǔ)進(jìn)行疲勞損傷分析，主要關(guān)注兩方面：①運(yùn)輸過程與沉樁過程引發(fā)的樁身累積疲勞損傷；②服役期間的在位累積疲勞損傷，即樁基礎(chǔ)承受風(fēng)浪流及風(fēng)機(jī)荷載等疊加的累積疲勞損傷。目前，對(duì)于服役期的在位疲勞相關(guān)研究已較為深入，運(yùn)輸過程與沉樁過程引發(fā)疲勞損傷相關(guān)研究較少但卻逐漸受到行業(yè)關(guān)注。 對(duì)于單樁基礎(chǔ)研究，特別是大直徑單樁，沉樁可打性和疲勞損傷集中在土壤參數(shù)上，沉樁施工中樁錘及土壤關(guān)鍵參數(shù)是研究單樁可打性的重要條件，對(duì)確保樁體順利打入至關(guān)重要。隨著大兆瓦海上風(fēng)機(jī)離岸越來越遠(yuǎn)的應(yīng)用趨勢，大直徑乃至超大直徑單樁基礎(chǔ)成為海上風(fēng)電場的可選方案，而單樁尺寸對(duì)超大直徑單樁的可打性與累積疲勞損傷的影響研究較少。為此，分析超大直徑單樁尺寸對(duì)其可打性與沉樁疲勞的影響，為單樁優(yōu)化設(shè)計(jì)及沉樁施工提供參考。

1 可打性分析

1.1 可打性理論

沉樁是錘-樁-土三者相互作用過程，樁體由樁錘驅(qū)動(dòng)一步步被打入土體中。Smith波動(dòng)方程(1)是樁基工程設(shè)計(jì)與施工中的主要控制方程。

(1)

式中:為樁內(nèi)某截面沿軸向的位移；為波在樁內(nèi)的傳播速度，=()12；為樁密度。

為了計(jì)算打樁時(shí)應(yīng)力波在樁中的傳播，采用離散力學(xué)模型建立錘-樁-土系統(tǒng)，樁錘、樁帽及樁身的質(zhì)量由剛體表示，樁墊及樁身的彈性特征采用無質(zhì)量彈簧來代替，樁周土的阻力采用黏彈性模型描述，最后使用差分法求解波動(dòng)方程。計(jì)算中將沉樁歷程分成若干時(shí)間間隔Δ，并假定每個(gè)Δ內(nèi)位移、力及速度等物理量均為定值。

針對(duì)沉樁過程，Smith推導(dǎo)出了5個(gè)基本方程：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：為位移；為速度；為彈簧的壓縮量；為彈簧作用力；為土阻力；為重力加速度；上標(biāo)表示時(shí)間間隔的序號(hào)；下標(biāo)表示重塊、彈簧和作用在樁單元上土阻力的序號(hào)。

本文采用的樁錘模型為是MHU-3500S型錘，基本參數(shù)見表1。

表1 樁錘(MHU-3500S)基本參數(shù)

1.2 可打性結(jié)果對(duì)比分析

通過GRLWEAP軟件建立沉樁模型并得到錘擊數(shù)-貫入深度曲線，將計(jì)算結(jié)果與工程沉樁實(shí)測值對(duì)比，依據(jù)地勘資料土，最后建立沉樁的土壤參數(shù)模型，土壤參數(shù)見表2。

表2 土壤參數(shù)

在模型中，樁側(cè)土與樁端土的彈性變形值取2.54 mm；阻尼系數(shù)，樁側(cè)土中砂土取0.164 m/s，黏土取0.65 m/s，樁端土阻尼系數(shù)取0.5 m/s。

大直徑單樁基礎(chǔ)長度為103.18 m，設(shè)計(jì)深度為53 m，由上段同徑變壁厚段、中段圓錐過渡段與下段同徑變壁厚段這3段組成，每段尺寸信息見表3。工程實(shí)際沉樁記錄列于表4。

表3 單樁參數(shù)

表4 沉樁記錄信息

沉樁過程中未發(fā)生溜樁現(xiàn)象。

圖1a)是單樁基礎(chǔ)每米錘擊數(shù)隨貫入度變化實(shí)測值與模擬值對(duì)比，發(fā)現(xiàn)不同深度對(duì)應(yīng)的每米錘擊數(shù)與相應(yīng)的土層性質(zhì)密切相關(guān)，在28 m深度處結(jié)果達(dá)到最大值，這是由于該處為砂質(zhì)土層。對(duì)于沉樁后半段通過的黏土及粉砂混黏土層，每米錘擊數(shù)都較小，易于沉樁。綜合各層土壤參數(shù)，該單樁主要為樁側(cè)承受荷載，屬于摩擦型樁。

圖1b)是單樁基礎(chǔ)總錘擊數(shù)隨貫入度變化的實(shí)測值與模擬值對(duì)比，在37 m處實(shí)測值為2 484，模擬值為2 016，最大誤差為12.6%，但沉樁最終的模擬為3 522與實(shí)測值3 533基本一致。說明采用GRLWEAP軟件計(jì)算結(jié)果與實(shí)測整體吻合度較好，基于GRLWEAP軟件能夠有效預(yù)測沉樁動(dòng)態(tài)過程。

圖1 每米錘擊數(shù)及總錘擊數(shù)與貫入度曲線的實(shí)測值與模擬值的比較

1.3 不同單樁尺寸對(duì)沉樁可打性的影響

建立不同直徑與壁厚單樁模型，尺寸見表5。

表5 單樁尺寸參數(shù)

為了便于研究，對(duì)單樁尺寸進(jìn)行簡化，僅考慮其壁厚和外徑。通過建立同徑不同壁厚單樁模型，分析壁厚對(duì)可打性影響。圖2a)是外徑8.8 m

條件下不同壁厚對(duì)應(yīng)的每米錘擊數(shù)隨貫入度變化。在距泥面26 m處，每米錘擊數(shù)達(dá)到最大，壁厚95 mm的每米錘擊數(shù)最大值為282次。4根單樁模型的整體變化趨勢一致，當(dāng)壁厚增加5 mm時(shí)，在距泥面26 m處，其每米錘擊數(shù)增加約4%，其余各處每米錘擊數(shù)變化則較小，這是由于壁厚增加對(duì)樁側(cè)摩阻力影響較小，所以沉樁的土阻力增加較少。圖2b)是外徑10 m條件下的不同壁厚計(jì)算結(jié)果，進(jìn)一步證實(shí)了每米錘擊數(shù)隨壁厚增加而增加。

圖2 每米錘擊數(shù)與貫入度關(guān)系

圖3是總錘擊數(shù)隨貫入度的變化，在距泥面20～30 m深度段，其總錘擊數(shù)增加較多，表明該段土阻力較大，這是因?yàn)槊軐?shí)砂土層對(duì)樁的側(cè)摩阻力影響更大。

圖3 總錘擊數(shù)與貫入度關(guān)系

下面研究同壁厚不同外徑單樁模型，分析單樁外徑對(duì)可打性的影響。圖4a)是壁厚85 mm時(shí)的每米錘擊數(shù)隨沉樁貫入度的變化，同樣在距泥面26 m處，每米錘擊數(shù)達(dá)到最大；外徑10m單樁模型每米錘擊數(shù)最大值為330次；當(dāng)外徑增加5%～10%時(shí)，其每米錘擊數(shù)增加約10%，說明外徑增加導(dǎo)致樁側(cè)阻力增加，沉樁難度加大。圖4b)是壁厚95 mm時(shí)，不同外徑單樁模型的計(jì)算結(jié)果，其更進(jìn)一步證明每米錘擊數(shù)隨外徑增加而增加。

圖4 每米錘擊數(shù)與貫入度關(guān)系

圖5是總錘擊數(shù)隨貫入度的變化，發(fā)現(xiàn)在相同壁厚條件下，總錘擊數(shù)隨外徑增加而增加，只是因?yàn)閱螛锻鈴皆黾訉?dǎo)致側(cè)表面積增加，導(dǎo)致總的沉樁阻力增加。

圖5 總錘擊數(shù)與貫入度關(guān)系

2 沉樁疲勞分析

2.1 疲勞計(jì)算理論與方法

為探究超大直徑單樁在沉樁過程中的疲勞損傷分布特點(diǎn)，采用基于Miner線性累積損傷理論的-曲線法進(jìn)行計(jì)算分析，根據(jù)某項(xiàng)目風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)疲勞系數(shù)取值10。-曲線選擇規(guī)范DNV-RP-C203中曲線，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(7)

式中：為疲勞壽命；Δ為應(yīng)力范圍；為在(lg-lg關(guān)系圖)中的反斜率；lg為(lg-lg關(guān)系圖)中l(wèi)g軸截距；為參考厚度，取25 mm，為可能發(fā)生裂紋的厚度；為疲勞強(qiáng)度的厚度指數(shù)。

根據(jù)Miner線性累積損傷理論，構(gòu)件在應(yīng)力水平下，經(jīng)受次循環(huán)時(shí)的損傷為=。若在個(gè)應(yīng)力水平下，各經(jīng)受次循環(huán)，則可定義其累計(jì)疲勞損傷為

(8)

式中:為累計(jì)疲勞損傷；為設(shè)計(jì)疲勞系數(shù)；()為應(yīng)力幅的實(shí)際循環(huán)次數(shù)；()為應(yīng)力幅的疲勞破壞循環(huán)次數(shù)。

采用GRLWEAP軟件進(jìn)行沉樁疲勞損傷分析，通過輸出應(yīng)力幅值與次數(shù)關(guān)系，計(jì)算累積疲勞損傷。對(duì)沉樁引起的疲勞損傷進(jìn)行評(píng)估，首先計(jì)算1次錘擊過程中橫向焊縫處疲勞損傷，包括以下4個(gè)步驟。

1)采用Smith波動(dòng)方程進(jìn)行分析，得出1次錘擊作用下樁身橫向焊縫處的應(yīng)力-時(shí)間歷程；

2)對(duì)上一步求得的一次錘擊作用下應(yīng)力時(shí)間歷程進(jìn)行應(yīng)力幅循環(huán)計(jì)數(shù)；

3)計(jì)算一次錘擊作用下的疲勞損傷；

4)將每次錘擊疲勞損傷進(jìn)行累加，得到單樁在打樁全過程中累積疲勞損傷。

圖6是分別采用空氣中的-曲線與海水中自由腐蝕的-曲線計(jì)算得到的樁累積疲勞損傷隨截面高程變化。在海上沉樁施工過程中，樁是一段在泥土中、一段位于海水中，一段處于空氣中。計(jì)算結(jié)果表明，采用海水中自由腐蝕-曲線比采用空氣計(jì)算偏保守。采用海水中自由腐蝕-曲線，其最大累積疲勞損傷為0.022，在允許的安全值以下。

圖6 累積疲勞損傷與樁截面高程的關(guān)系

圖7為樁承受應(yīng)力隨(樁長與應(yīng)力波波速的比值)的變化，圖7中Top為樁頂應(yīng)力變化曲線，Seg為樁身應(yīng)力相應(yīng)變化曲線，發(fā)現(xiàn)樁身最大的累積疲勞損傷值與應(yīng)力波的峰值傳遞到相應(yīng)的位置有關(guān)。

圖7 樁應(yīng)力變化

2.2 不同單樁尺寸對(duì)沉樁疲勞損傷的影響

圖8a)是外徑8.8 m條件下不同壁厚單樁模型累積疲勞損傷隨樁截面高程的變化。在相同外徑條件下，單樁沉樁過程的累積疲勞損傷值隨壁厚增加而降低。結(jié)果表明：在距樁頂約0.12的高程內(nèi)，樁身累積疲勞損傷值隨樁截面高程逐漸增加，由于距樁頂較近，樁身受到樁錘錘擊作用明顯，累積疲勞損傷則持續(xù)增加。在距樁底約013高程內(nèi)，樁身累積疲勞損傷值隨著樁截面高程逐漸降低，隨著樁入土深度的進(jìn)一步增加，沉樁的總摩阻力增加，樁錘錘擊引起的累積疲勞損傷則進(jìn)一步降低。在中間段約075內(nèi)樁身累積疲勞損傷平緩，整體疲勞損傷均較大，該段土體強(qiáng)度較高，樁身聚集的能量傳至土體就較少，樁錘錘擊的作用的能量留在樁身的能量就較多，導(dǎo)致該段累積疲勞損傷較大。同樣，在圖8b)中可以發(fā)現(xiàn)，外徑10 m對(duì)應(yīng)的不同壁厚單樁模型疲勞損傷也有相似的表現(xiàn)。

圖8 累積疲勞損傷與樁截面高程的關(guān)系

圖9a)與b)分別是壁厚85 mm與95 mm條件下，不同外徑單樁模型沉樁累積疲勞損傷與貫入度的關(guān)系曲線，發(fā)現(xiàn)在相同單樁壁厚條件下單樁沉樁過程累積疲勞損傷值隨外徑增加而降低，因?yàn)樵谕鈴皆黾雍螅瑯渡斫孛娴慕孛娣e隨之增大，也增加了樁與土體的接觸面積，進(jìn)一步釋放了樁身向土體傳遞的能量，降低了樁身自身聚集的能量，進(jìn)而降低了樁身的累積疲勞損傷。

圖9 累積疲勞損傷與樁截面高程的關(guān)系

3 結(jié)論

采用離散力學(xué)模型可用于單樁的可打性分析，通過輸出應(yīng)力幅值與次數(shù)關(guān)系，可計(jì)算沉樁的累積疲勞損傷。

1)采用GRLWEAP軟件計(jì)算得到的每米錘擊數(shù)及總錘擊數(shù)-貫入度曲線與實(shí)測值基本吻合，證明了模型應(yīng)用于單樁可打性分析的可行性。

2)相同外徑下，每米錘擊數(shù)隨壁厚增大而增加，但總錘擊數(shù)變化較小；相同壁厚下，每米錘擊數(shù)與總錘擊數(shù)均隨外徑增大而增加。

3)不同單樁尺寸對(duì)沉樁疲勞損傷的影響是一致的，壁厚與外徑的增大均有利于降低沉樁累積疲勞損傷。