海上風(fēng)電送樁器沉樁的高應(yīng)變動(dòng)力測(cè)試研究

李 森，胡曉明，張 謙

(中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司，武漢 430034)

1 概述

隨著我國(guó)海上風(fēng)電場(chǎng)向離岸化、深水化發(fā)展，30～50 m水深海域?qū)⑹悄壳昂徒窈蠛Ｉ巷L(fēng)電的主戰(zhàn)場(chǎng)。海洋工程條件尤其是風(fēng)電場(chǎng)，常年處于季風(fēng)環(huán)境影響，風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期受風(fēng)浪作用，對(duì)基礎(chǔ)穩(wěn)定性要求極高?；趪?guó)內(nèi)外海上的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)海洋與港口工程的施工能力，海上風(fēng)電基礎(chǔ)形式以單樁基礎(chǔ)和多樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)為主[1]。相比單樁基礎(chǔ)，坐底式導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)水平剛度大、穩(wěn)定性好、施工便利，適用于水深較深的海域[2]。海上風(fēng)電平臺(tái)的鋼管樁為上部導(dǎo)管架和風(fēng)機(jī)提供承載力和抗拔力，因此海上沉樁質(zhì)量是保證上部組塊安全運(yùn)行的重中之重，其樁基也較陸地工程直徑更大(一般在3～7 m)、樁長(zhǎng)更長(zhǎng)(一般40 m到100 m以上)。這種情況下，傳統(tǒng)工程的樁基研究數(shù)據(jù)的結(jié)果應(yīng)用于海上風(fēng)電項(xiàng)目有待進(jìn)一步商榷。

由于樁基處于海水以下，一般的檢測(cè)手段實(shí)施起來(lái)難度較大，高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)技術(shù)在海上沉樁工程中得到廣泛應(yīng)用[3-7]。對(duì)于大直徑超長(zhǎng)樁基沉樁樁錘和沉樁工藝選擇也是沉樁工程的重點(diǎn)問題，也有工程根據(jù)高應(yīng)變?cè)囼?yàn)確定樁錘和沉樁工藝的先例[8]?？梢愿鶕?jù)高應(yīng)變檢測(cè)信號(hào)，通過CAPWAP分析打樁過程中的樁身能量和樁身應(yīng)力，獲取能量和應(yīng)力的傳遞消耗情況，為設(shè)計(jì)沉樁方案時(shí)確定沉樁可打性和保證樁身質(zhì)量提供數(shù)據(jù)支撐。

采用導(dǎo)管架的海上風(fēng)電工程，其樁頂標(biāo)高一般都設(shè)在海床面上。隨著風(fēng)電場(chǎng)的離岸化，海域水深也越來(lái)越深，對(duì)于沉樁工藝的要求也越來(lái)越高。因部分液壓沖擊錘不具備水下沉樁能力，海上風(fēng)電導(dǎo)管架沉樁施工往往不能通過打樁錘直接錘擊工程樁，需在工程樁樁頂插接送樁器，打樁錘通過錘擊送樁器將樁打入。海上風(fēng)電的送樁器普遍比較長(zhǎng)，需要貫穿海平面最高潮位到海床面。目前有學(xué)者對(duì)海上風(fēng)電沉樁送樁器上的能量消散有研究[9-10]，其對(duì)樁錘選型有參考意義，但對(duì)送樁器和鋼管樁上的能量及應(yīng)力比例沒有給出研究結(jié)果，不能為送樁器設(shè)計(jì)提供參考意見。

目前國(guó)內(nèi)外海上風(fēng)電項(xiàng)目對(duì)樁錘選型是基于地勘參數(shù)進(jìn)行可打性分，進(jìn)而確定樁錘型號(hào)[11]，但這一方法需要有送樁器能量消散的影響。同時(shí)可打性分析要考慮樁身應(yīng)力不超過樁身設(shè)計(jì)應(yīng)力，因此也需要樁身應(yīng)力參數(shù)作為支撐。由于送樁器和鋼樁之間的連接是一個(gè)復(fù)雜的插尖結(jié)構(gòu)，其能量和應(yīng)力傳遞過程中有反復(fù)碰撞的影響，因此需要工程數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)支撐。

為探求打樁錘能量在送樁器上的消散情況以及送樁器和鋼管樁上的應(yīng)力比例，通過高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)對(duì)不同送樁器以及樁徑的沉樁過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，推斷影響能量消散的因素，綜合考慮送樁器和鋼管樁上的應(yīng)力比例，為海上沉樁作業(yè)的設(shè)計(jì)施工提供參考依據(jù)。

2 高應(yīng)變法的基本理論

高應(yīng)變實(shí)動(dòng)力檢測(cè)是利用重錘沖擊樁頂，產(chǎn)生沿樁身向下傳播的應(yīng)力波, 且樁、土產(chǎn)生相對(duì)位移, 通過離樁頂一定距離對(duì)稱安置的加速度計(jì)和應(yīng)變計(jì)采集檢測(cè)截面應(yīng)力波信號(hào)。用應(yīng)力波理論分析處理實(shí)測(cè)的力和速度時(shí)程曲線, 得到受檢樁的樁土參數(shù)以及單樁極限承載力[12]。根據(jù)一維波動(dòng)方程和胡克定律得到高應(yīng)變的重要公式[1]：

F=ZV

(1)

Z=ρcA

(2)

式中:

F、V——實(shí)測(cè)樁頂力和速度；

Z——樁身截面阻抗；

A——波傳播位置處樁身截面積；

ρ——樁身材料密度；

c——波在樁身上的傳播速度。

樁身彈性模量E、樁身材料密度ρ以及波在樁身上的傳播速度c有如下式的關(guān)系：

E=ρc2

(3)

同時(shí)，高應(yīng)變動(dòng)力測(cè)試可進(jìn)行樁身能量監(jiān)測(cè)和樁身應(yīng)力監(jiān)測(cè)，其中能量計(jì)算如下：

(4)

式中:

En——樁身能量；

F、V——實(shí)測(cè)樁頂力和速度；

te——采樣時(shí)間。

最大樁身錘擊壓應(yīng)力計(jì)算公式如下：

σp=Fmax/Am

(5)

式中:

Fmax——力傳感器測(cè)得的最大錘擊力；

Am——傳感器安裝位置處樁身截面積。

依據(jù)上述公式，樁身能量與樁身截面阻抗、樁端土體阻抗以及樁錘系統(tǒng)能量有關(guān)。這些因素受樁身參數(shù)和各層土性參數(shù)有關(guān)，因此，研究送樁器沉樁過程的能量與樁身應(yīng)力關(guān)系，需要考慮這些因素的影響作用。

3 高應(yīng)變打樁監(jiān)測(cè)過程

3.1 高應(yīng)變動(dòng)測(cè)設(shè)備

美國(guó)PDI打樁分析儀、PDI水下力傳感器、PDI水下PE加速度傳感器、卡口壓電式一分四連接電纜、信號(hào)傳輸線纜及數(shù)據(jù)分析軟件CAPWAP。 所用高應(yīng)變采集設(shè)備如圖1所示。

圖1 高應(yīng)變采集設(shè)備示意

在樁頂和送樁器頂附近按照規(guī)范要求安裝兩組傳感器，1個(gè)加速度傳感器和1個(gè)應(yīng)變傳感器為1組，兩組傳感器中心在同一標(biāo)高成180°對(duì)稱安裝(具體安裝位置見表1)。

3.2 具體實(shí)施方案

為分析借助送樁器沉樁全過程的錘擊能量及樁身應(yīng)力情況，分別對(duì)兩個(gè)風(fēng)電項(xiàng)目的6根鋼管樁在沉樁全過程中對(duì)送樁器和鋼管樁實(shí)施了高應(yīng)變同步檢測(cè)，高應(yīng)變同步檢測(cè)示意見圖2，6根鋼管樁及送樁器參數(shù)和傳感器安裝參數(shù)見表1。

圖2 高應(yīng)變同步檢測(cè)示意

表1 檢測(cè)樁參數(shù)信息 m

其中1～3#樁來(lái)自于福州某風(fēng)電項(xiàng)目，樁長(zhǎng)為76.6～94.35 m，樁徑為3～3.8 m，壁厚為38～60 mm，樁身采用Q355NC鋼材，入泥深度為67.57～86.7 m。鋼管樁以密實(shí)砂層作為持力層。

4～6#樁來(lái)自于廣東陽(yáng)江某風(fēng)電項(xiàng)目，平均樁長(zhǎng)為43.7 m，樁徑為3.5～4 m，壁厚為40～70 mm，樁身采用DH36鋼材，平均入泥深度為41 m。鋼管樁以風(fēng)化片麻巖為持力層。

4 檢測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析

通過對(duì)海上風(fēng)電四樁沉樁基礎(chǔ)項(xiàng)目的6根鋼管樁送樁器沉樁全過程的高應(yīng)變檢測(cè)，通過CAPWAP分析，得到6根鋼管樁沉樁過程中送樁器上的應(yīng)力和能量以及樁身上的應(yīng)力和能量，結(jié)合樁錘系統(tǒng)設(shè)定的錘擊能量，即可得到鋼管樁樁身能量傳遞效率。沉樁過程中1#樁和6#樁由于送樁器上傳感器松動(dòng)，發(fā)散數(shù)據(jù)較多。4#樁由于儀器故障，送樁器上沉樁前期數(shù)據(jù)丟失，只選取最后58錘數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1#樁樁身能量比、應(yīng)力比和能量傳遞效率如圖3所示。1#樁在950錘左右樁底由粘土層進(jìn)入到砂層，圖3a中在950錘以后樁身能量比有所增大，圖3b中在950錘后樁身應(yīng)力比值也有所增大，圖3c中在950錘前后能量傳遞效率有所波動(dòng)，1 100錘之后能量傳遞效率與400～950錘的能量傳遞效率基本一致，前400錘能量傳遞效率低于400錘之后的能量傳遞效率。

圖3 1#樁樁身能量比、應(yīng)力比和能量傳遞效率示意

2#樁樁身能量比、應(yīng)力比和能量傳遞效率如圖4所示。2#樁同步檢測(cè)全過程樁底都在砂土中，在900錘左右送樁器插尖被震斷，圖4a中在900錘左右樁身能量比發(fā)生突變減小，圖4b中在900錘左右樁身應(yīng)力比減小，圖4c中在900錘左右能量傳遞效率突然增大。

圖4 2#樁樁身能量比、應(yīng)力比和能量傳遞效率示意

3#樁樁身能量比、應(yīng)力比和能量傳遞效率見圖5。3#樁步檢測(cè)全過程樁底都在砂土中，插尖更換為1.52 m，由于土層未發(fā)生改變，圖5中樁身能量比、應(yīng)力比未發(fā)生改變，但能量傳遞效率在前200錘時(shí)略高于終錘能量傳遞效率。

圖5 3#樁樁身能量比、應(yīng)力比和能量傳遞效率示意

4#樁和5#樁樁身能量比、應(yīng)力比和能量傳遞效率見圖6和圖7。4#和5#樁同步檢測(cè)全過程樁底都在強(qiáng)風(fēng)化巖中。圖6和圖7中的樁身能量比值、樁身應(yīng)力比值和能量傳遞效率基本相近。圖7c中隨入土深度增加能量傳遞效率逐步減小，終錘階段的能量傳遞效率與圖6c基本一致。

圖6 4#樁樁身能量比、應(yīng)力比和能量傳遞效率示意

圖7 5#樁樁身能量比、應(yīng)力比和能量傳遞效率示意

6#樁樁身能量比、應(yīng)力比和能量傳遞效率見圖8。6#樁在300錘左右樁底由粘土層進(jìn)入全風(fēng)化巖中，850錘左右樁底由全風(fēng)化巖層進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖中。圖8a顯示樁底由粘土進(jìn)入全風(fēng)化巖時(shí)樁身能量比值突然減小，而由全風(fēng)化巖進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖時(shí)樁身能量比值基本保持不變。圖8b顯示樁身應(yīng)力比值沒有突變，但在300錘后應(yīng)力比值逐漸增大，在850錘后快速減小。圖8c顯示隨入土深度增加能量傳遞效率逐步減小，樁底土性變化時(shí)傳遞效率有突變。

圖8 6#樁樁身能量比、應(yīng)力比和能量傳遞效率示意

通過上述對(duì)同一根樁不同入土深度及樁底處于不同土層時(shí)的、能量傳遞效率對(duì)比圖可以直觀的看出，處于粘土中能量比和應(yīng)力比小于砂土和風(fēng)化巖中的比值；處于粘土和砂土中時(shí)，能量傳遞效率基本一致，而風(fēng)化巖中的能量傳遞效率更低。隨著入土深度增加，能量傳遞效率會(huì)發(fā)生變化，但終錘階段的能量傳遞效率基本一致。

依照上述沉樁情況，劃分階段，結(jié)合樁身參數(shù)，對(duì)比分析樁身能量比、樁身應(yīng)力比以及能量傳遞效率的影響因素。各階段送樁器與鋼管樁樁身能量比、應(yīng)力比和能量傳遞效率以及相應(yīng)工況說明見表2。

表2 高應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)及工況

對(duì)比1#樁2#樁和3#樁終錘數(shù)據(jù)，插尖長(zhǎng)度減少可以降低能量比和應(yīng)力比，降低能量傳遞效率。對(duì)比前3根樁和后3根樁終錘數(shù)據(jù)，送樁器長(zhǎng)度越短，樁身能量比和應(yīng)力比越大，同時(shí)能量傳遞效率越高。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)海上風(fēng)電四樁沉樁基礎(chǔ)項(xiàng)目的六根鋼管樁送樁器沉樁全過程的高應(yīng)變檢測(cè)，結(jié)合設(shè)計(jì)參數(shù)和地勘資料分析，得到了以下研究成果：

1) 借助送樁器對(duì)鋼樁管樁進(jìn)行錘擊下沉?xí)r，送樁器和鋼管樁上的能量比約為1.2～1.7，應(yīng)力比約為1.1～1.6；樁底處于粘土中能量比和應(yīng)力比小于砂土和風(fēng)化巖中的比值。相似工程的可打性分析、送樁器材料選擇可以參考此比例。

2) 入土深度會(huì)對(duì)能量傳遞效率有影響而對(duì)送樁器和鋼管樁上的能量比和應(yīng)力比沒有影響。在沉樁方案選擇和可打性分析階段，可以隨著入土深度增加適當(dāng)調(diào)整能量傳遞效率。

3) 送樁器越長(zhǎng)，能量比和應(yīng)力比越小，減小插尖長(zhǎng)度可以降低能量比和應(yīng)力比；送樁器材質(zhì)為Q345時(shí)，沉樁后期能量傳遞效率約為50%～70%，送樁器越長(zhǎng)能量傳遞效率越低，增加插尖長(zhǎng)度會(huì)降低能量傳遞效率。

該成果可以為日后海上鋼管樁沉樁作業(yè)送樁器設(shè)計(jì)、樁錘選型以及施工組織提供參考。