潮間帶鋼管斜樁吊打?qū)蜓b置與沉樁參數(shù)研究

婁學(xué)謙桑登峰許偉群

(1.中交四航工程研究院有限公司 廣州 510230;2.中交交通基礎(chǔ)工程環(huán)保與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣州 510230;3.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(珠海) 珠海 519082;4.中交四航局第三工程有限公司 湛江 524009)

0 引言

風(fēng)能作為清潔的可再生能源,越來越受到世界各國的重視。由于發(fā)展海上風(fēng)電不占用陸上土地,且海上風(fēng)能資源豐富,適宜大規(guī)模開發(fā),海上風(fēng)電已成為未來風(fēng)電發(fā)展的必然趨勢[1]。海上風(fēng)電建設(shè)區(qū)域由近及遠(yuǎn)依次為潮間帶、潮下帶灘涂、近海和遠(yuǎn)海,其中潮間帶是指大潮期最高潮位和大潮期最低潮位之間的海域[2]。丹麥、英國和德國等海上風(fēng)電大國多采用超大直徑單樁(剛性單樁)基礎(chǔ)、重力式淺基礎(chǔ)和吸力式桶形基礎(chǔ)等,但這些基礎(chǔ)的施工須依靠目前我國所缺乏的大型打樁船舶、海上專用吊運(yùn)船舶及其他相關(guān)關(guān)鍵技術(shù),因此我國仍普遍采用群樁基礎(chǔ)[3]。潮間帶的平均水深較小,造成施工船航行困難和可通行時(shí)間短,通常無法利用常規(guī)船樁架導(dǎo)向沉樁,而僅能通過樁錘吊打。因此,研制適合潮間帶風(fēng)電場施工特點(diǎn)的專用吊打?qū)蜓b置以及分析吊打沉樁參數(shù)特點(diǎn),對(duì)于潮間帶風(fēng)電鋼管斜樁施工具有重要指導(dǎo)意義。

本研究設(shè)計(jì)專門用于潮間帶風(fēng)電鋼管斜樁吊打施工的導(dǎo)向裝置,采用GRLWEAP軟件確定沉樁動(dòng)荷載,采用有限元軟件進(jìn)行有限元分析,指導(dǎo)確定沉樁參數(shù),并成功將該裝置和方法應(yīng)用于越南朔莊一期海上風(fēng)電項(xiàng)目的大直徑鋼管樁吊打施工。

1 工程和工藝

1.1 工程與地質(zhì)概況

越南薄遼三期和朔莊一期海上風(fēng)電項(xiàng)目為中國企業(yè)在越南總承包的第一個(gè)海上風(fēng)電項(xiàng)目,工程位于越南東南部海域。

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式采用高樁混凝土承臺(tái),每個(gè)風(fēng)機(jī)設(shè)置1個(gè)基礎(chǔ),其中朔莊一期風(fēng)場共10個(gè)基礎(chǔ)。每個(gè)基礎(chǔ)設(shè)置6根直徑1.40 m的鋼管樁,采用6∶1的斜樁,設(shè)計(jì)樁長62～71 m,樁頂設(shè)計(jì)高程+7.7 m。6根樁在承臺(tái)底面沿以承臺(tái)中心為圓心、半徑為4.50 m的圓周均勻布置。鋼管樁管材為Q355B,上段管壁厚25 mm,下段管壁厚20 mm,樁端2 m壁厚25 mm?？看瑯?gòu)件距樁頂9 050 mm、非靠船構(gòu)件距樁頂6 000 mm的樁身內(nèi)填灌C45微膨脹混凝土。

朔莊風(fēng)場機(jī)位原泥面為-0.87～-2.75 m,水深較淺,有7個(gè)樁位無法滿足樁船吃水要求,擬采用吊打方式進(jìn)行沉樁施工。為確保施工精度和施工安全可靠,須根據(jù)本工程巖土和樁基特點(diǎn),設(shè)計(jì)專門的吊打?qū)蜓b置。根據(jù)巖土勘察報(bào)告,選取原泥面高程最低的鉆孔ZK10進(jìn)行導(dǎo)向裝置的受力驗(yàn)算,ZK10鉆孔巖土層的分布和物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

表1 ZK10鉆孔土層的分布和物理力學(xué)性質(zhì)

1.2 吊打施工工藝

根據(jù)施工方案,鋼管樁吊打施工的基本流程為:插打定位樁、吊裝定位架、安裝限位架、吊機(jī)駁取樁、立樁、樁自沉、測樁偏位、振動(dòng)錘初打、壓上沖擊錘和替打、校核樁位、錘擊沉樁、至設(shè)計(jì)樁底高程停止錘擊、測樁偏位、拆除定位架及限位架組合體、拔除定位樁、進(jìn)行下一機(jī)位沉樁。

其中,液壓振動(dòng)錘的型號(hào)為ICE44B(表2),液壓沖擊錘的型號(hào)為YC40(表3)。

表2 ICE44B液壓振動(dòng)錘的性能參數(shù)

表3 YC40液壓沖擊錘的性能參數(shù)

2 導(dǎo)向裝置開發(fā)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為滿足斜樁吊打工藝的實(shí)施需求,設(shè)計(jì)輔助打樁的導(dǎo)向裝置,主要包括定位樁、定位架和調(diào)向限位架,各部件按設(shè)計(jì)圖紙?jiān)诠S預(yù)制,現(xiàn)場采用吊機(jī)駁船進(jìn)行安拆,整個(gè)輔助導(dǎo)向裝置安裝定位后可同時(shí)滿足1個(gè)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)共6根鋼管樁的施工需求。導(dǎo)向裝置上部的三維示意如圖1所示。

圖1 導(dǎo)向裝置上部的三維示意

定位樁包括6根直徑1 000 mm、壁厚10 mm的鋼管樁,入土深度根據(jù)單樁承載力需求計(jì)算。定位架包括上、下2層操作平臺(tái),主體采用直徑426 mm、壁厚7 mm的鋼管制作,總高度為15 m,焊接安裝在定位樁上。限位架采用直徑426 mm,壁厚7 mm的鋼管加工成型,下平臺(tái)限位架分塊加工現(xiàn)場拼接安裝,上平臺(tái)限位架因空間小設(shè)置成可沿支撐架中心轉(zhuǎn)動(dòng)的單片架,利用電動(dòng)減速機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)限位架移位;為提高沉樁定位的精度和效率,在上、下限位架的內(nèi)側(cè)設(shè)置液壓千斤頂,根據(jù)鋼管樁定位需求和沉樁過程監(jiān)測數(shù)據(jù)調(diào)整樁的斜度。

2.2 受力驗(yàn)算

2.2.1 荷載工況

沉樁施工過程主要包括:①樁自沉至一定深度;②采用振動(dòng)錘振沉樁至一定深度;③取下振動(dòng)錘,換用沖擊錘準(zhǔn)備沖擊沉樁;④錘擊沉樁至設(shè)計(jì)高程。

根據(jù)該過程,為驗(yàn)算導(dǎo)向裝置在沉樁過程中的受力情況,列出荷載工況來模擬沉樁過程的受力變化。①工況1:樁剛接觸土,靜力作用下(樁重和振動(dòng)錘自重)自沉,為保守起見,假定自沉0 m;②工況2:樁剛接觸土,靜力作用下(樁重、振動(dòng)錘自重和振動(dòng)錘激振力)沉樁至入土深度為X1;③工況3:樁入土深度為X1(X1需試算,如20 m),靜力作用下(樁重和沖擊錘自重)自沉,為保守起見,假定自沉增加0 m;④工況4:樁入土深度為X1(X1需試算,如20 m),動(dòng)力作用下(樁重、沖擊錘跳高a(a需試算,如0.8 m)自重和沖擊力)沉樁至入土深度為X2;⑤工況5:樁入土深度為X2(X2需試算,如30 m),動(dòng)力作用下(樁重、沖擊錘跳高b(b需試算,如1.3 m)自重和沖擊力)沉樁至樁端設(shè)計(jì)高程。樁的入土深度可采用GRLWEAP軟件計(jì)算。

2.2.2 受力平衡分析

由于較難準(zhǔn)確估計(jì)入土深度范圍的樁周土作用力,本次分析過程不予考慮,這也是一種保守的處理方式。在工程斜樁沉樁過程中,靜力作用包括樁自身重力G樁、沖擊錘重力G錘、風(fēng)荷載F風(fēng)、上限位架支持力N和下限位架拉力F,動(dòng)力作用包括樁自身重力G樁、沖擊錘重力G錘、風(fēng)荷載F風(fēng)、上限位架支持力N、下限位架拉力F和振動(dòng)錘/沖擊錘動(dòng)力F沖。

按照《TCVN 2737:1995》[4]的附錄A,同時(shí)參考《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTS 167-2018)[5],對(duì)荷載進(jìn)行組合。永久荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.1,可變荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.4,碰撞沖擊力分項(xiàng)系數(shù)為1.4,其中永久荷載包括G樁和G錘,可變荷載為F風(fēng),碰撞沖擊力為F沖。

對(duì)工程斜樁進(jìn)行受力分析(圖2),其中H0表示振動(dòng)錘或沖擊錘的錘心到泥面的距離,H1表示斜樁中心到泥面的距離,H2表示上限位架到泥面的距離,H3表示下限位架到泥面的距離,H4表示定位樁深入泥面的距離,H5表示限位架到泥面的豎向距離,H6表示定位架高度,e表示沖擊錘動(dòng)力在樁上的偏心距離,θ表示斜樁傾斜度(1/6)。

圖2 工程樁的受力分析

以工程樁位為研究對(duì)象,以下限位架接觸點(diǎn)為原點(diǎn),列平衡方程:

假定工程樁在垂直樁的方向上沒有位移,在該方向上列平衡方程:

可推導(dǎo)出公式:

考慮荷載分項(xiàng)系數(shù)后的公式為:

2.2.3 數(shù)值分析

依據(jù)導(dǎo)向裝置的設(shè)計(jì)圖紙,建立導(dǎo)向裝置的有限元模型立面圖(圖3)。

圖3 導(dǎo)向裝置的有限元模型立面

根據(jù)《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTS 167-2018),承受水平力或力矩作用的單樁,其入土深度宜滿足彈性長樁條件,本次分析模型中的定位樁長按彈性長樁考慮。根據(jù)《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTS 167-2018)附錄B,計(jì)算樁的相對(duì)剛度系數(shù)T=2.94 m,本次計(jì)算預(yù)計(jì)定位支撐樁入土深度約25 m即大于4T,符合按彈性長樁設(shè)計(jì)的要求。

根據(jù)《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTS 167-2018),承受水平力或力矩作用的彈性長樁,其樁身內(nèi)力和變形的確定應(yīng)符合:①單樁在水平力作用下的樁身內(nèi)力和變形可采用M法計(jì)算,也可采用NL法或P-Y曲線法計(jì)算;②重要工程采用的計(jì)算參數(shù)應(yīng)根據(jù)水平靜載荷試驗(yàn)確定;③考慮波浪等荷載的往復(fù)作用時(shí),土抗力的有關(guān)參數(shù)宜通過試驗(yàn)等方法確定(本次打樁對(duì)定位樁而言尚存在往復(fù)荷載作用,且難以評(píng)估對(duì)土抗力參數(shù)的影響,因此須加強(qiáng)現(xiàn)場監(jiān)控);④有經(jīng)驗(yàn)時(shí)也可采用假想嵌固點(diǎn)法計(jì)算,假想嵌固點(diǎn)位置的計(jì)算公式為t=ηT(式中:t表示受彎嵌固點(diǎn)距泥面的深度;η表示系數(shù),取值為1.8～2.2,當(dāng)樁頂鉸接或樁的自由長度較大時(shí)取較小值,當(dāng)樁頂無轉(zhuǎn)動(dòng)或樁的自由長度較小時(shí)取較大值,本工程定位樁的自由長度較小,η取2.2;計(jì)算得t≈7.0 m);⑤當(dāng)采用假想嵌固點(diǎn)法計(jì)算排架時(shí),樁在泥面以下的內(nèi)力和變形可根據(jù)計(jì)算排架時(shí)求得的樁頂力矩和水平力,按附錄B中的M法計(jì)算。

綜上所述,假想嵌固點(diǎn)距泥面深度為7.0 m,泥面標(biāo)高為-2.75 m,樁頂標(biāo)高為1.5 m,模型中樁的長度為11.25 m。根據(jù)力的相互作用原理,將計(jì)算得出的N和F反向作用于導(dǎo)向裝置,同時(shí)計(jì)算導(dǎo)向裝置所受風(fēng)荷載,當(dāng)施加于有限元模型時(shí),風(fēng)荷載按照荷載組合可變荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.4對(duì)導(dǎo)向裝置進(jìn)行放大作用。

2.2.4 導(dǎo)向裝置結(jié)果

通過迭代計(jì)算,最終在X1=20 m、X2=30 m、a=0.8 m和b=1.3 m的情況下,導(dǎo)向裝置可滿足強(qiáng)度和變形要求。

2.2.4 .1 導(dǎo)向裝置強(qiáng)度和變形驗(yàn)算

提取數(shù)值計(jì)算導(dǎo)向裝置各部位的最大應(yīng)力(表4),導(dǎo)向裝置各部位在各工況作用下均滿足強(qiáng)度要求。

表4 導(dǎo)向裝置應(yīng)力結(jié)果

提取數(shù)值計(jì)算導(dǎo)向裝置各部位的位移(表5),導(dǎo)向裝置構(gòu)件撓度和層間位移角等項(xiàng)目在各工況作用下均滿足要求。水平位移存在一定偏差,建議在打樁過程中測量樁的位移時(shí),利用液壓千斤頂根據(jù)測量數(shù)據(jù)調(diào)整樁的斜度。

表5 導(dǎo)向裝置變形結(jié)果

2.2.4.2 支撐架構(gòu)件長細(xì)比驗(yàn)算

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50017-2003)[7],對(duì)支撐架上2種鋼材型號(hào)構(gòu)件進(jìn)行長細(xì)比驗(yàn)算,計(jì)算長度按最大值取值,經(jīng)驗(yàn)算符合規(guī)范要求(表6)。

表6 支撐架構(gòu)件長細(xì)比

2.2.4 .3 定位樁軸向承載力驗(yàn)算

通過有限元分析可知,工況4為最不利工況,基樁最大上拔荷載和最大受壓荷載分別為-891.70 k N和965.26 k N。

根據(jù)《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTS 167-2018),凡允許不作靜載荷試樁的工程,打入樁的單樁抗拔承載力設(shè)計(jì)值的計(jì)算公式為:

式中:γR表示單樁抗拔承載力分項(xiàng)系數(shù),可取1.45～1.55,鑒于為臨時(shí)樁基,取1.45;U表示樁身截面周長;ξi表示折減系數(shù),取值于勘察資料;q fi表示樁周第i層土的單位面積極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值,取值于勘察資料;l i表示樁身穿過第i層土的長度;G表示樁重力,水下部分按浮重力計(jì);α表示樁軸線與垂線的夾角。

單樁抗壓承載力設(shè)計(jì)值的計(jì)算公式為:

式中:ηqRA表示樁端承載力標(biāo)準(zhǔn)值,為安全起見,本次計(jì)算不予考慮。

根據(jù)本項(xiàng)目吊打施工的機(jī)位,現(xiàn)有勘察資料只有鉆孔ZK10可供參考,定位柱為壁厚10 mm、直徑1 000 mm的鋼管樁,樁浮重60.0 k N。根據(jù)勘察報(bào)告,當(dāng)單樁入土深度為24 m時(shí),T d=933.7 k N,大于打樁過程中的最大上拔荷載(891.70 k N);當(dāng)單樁入土深度為24 m時(shí),Q d=1 244.3 k N,大于打樁過程中的最大樁身壓力(965.26 k N)。

2.2.5 工程樁結(jié)果

同上所述,首先在X1=20 m、X2=30 m、a=0.8 m和b=1.3 m的情況下,對(duì)工程樁沉樁過程中受力情況下的強(qiáng)度和變形進(jìn)行驗(yàn)算,結(jié)果顯示無法滿足。在反復(fù)試算后,按X1=20 m、X2=48 m、a=0.4 m和b=1.4 m進(jìn)行驗(yàn)算。

在5種工況下對(duì)工程樁建立有限元模型。在有限元模型中,工程樁和定位架的接觸點(diǎn)設(shè)置為彈簧支撐。由于在打樁過程中,工程樁的受力平衡為瞬時(shí)狀態(tài),假設(shè)工程樁和土的接觸也為鉸支座。提取數(shù)值計(jì)算工程樁的最大應(yīng)力和最大撓度(表7)。

表7 5種工況下工程樁的應(yīng)力和變形驗(yàn)算

由表7可以看出:盡管滿足強(qiáng)度要求,但在個(gè)別工況下工程樁的受力存在應(yīng)力集中的情況即應(yīng)力值偏大,建議盡量做大工程樁與導(dǎo)向架的接觸滾輪面積,并采取多排的方式,在打樁過程中對(duì)工程樁施加輔助外力,減小工程樁受到的向下的合力;在各工況下工程樁的樁頂撓度偏大,建議控制好樁的位移,防止入土的工程樁偏位,可在打樁過程中對(duì)工程樁施加輔助外力,減小工程樁受到的向下的合力,以減少工程樁的位移。

3 沉樁施工

3.1 安全控制

在同時(shí)滿足導(dǎo)向裝置和工程樁受力和變形要求的情況下,為保證沉樁過程的安全,主要控制各工況下的樁入土深度和錘擊跳高(錘擊能量),制定控制參數(shù)。①工況1:樁在自重和振動(dòng)錘自重作用下下沉,控制參數(shù)為吊繩帶力;②工況2:開啟振動(dòng)錘沉樁,控制參數(shù)為吊繩帶力、樁入土深度不低于X1=20 m;③工況3:取下振動(dòng)錘并換上沖擊錘,控制參數(shù)為吊繩帶力;④工況4:開啟沖擊錘沉樁,控制參數(shù)為吊繩帶力、錘擊跳高a=0.4 m、樁入土深度不低于X2=48 m;⑤工況5:沖擊錘繼續(xù)沉樁,控制參數(shù)為吊繩帶力、錘擊跳高b=1.4 m、樁入土深度至設(shè)計(jì)高程。

3.2 施工質(zhì)量

根據(jù)設(shè)計(jì)要求,鋼管樁沉樁后,樁頂平面位置偏差小于±150 mm,樁身傾斜度偏差不超過1%,高程的允許偏差為0～50 mm,施工時(shí)應(yīng)避免損壞鋼管樁外側(cè)聚氨酯玻璃鱗片漆防腐涂層。

為保證施工質(zhì)量,主要采取4個(gè)方面的措施[8]。①通過全站儀控制導(dǎo)向裝置的安裝精度,其中定位柱頂水平位置的允許偏差為±150 mm,定位柱頂高程的允許偏差為±20 mm,定位架水平位置的允許偏差為±50 mm。②控制工程樁沉樁平面位置和傾斜度:在定位架安裝完畢后,對(duì)定位架上、下層平臺(tái)每個(gè)樁位的樁心坐標(biāo)進(jìn)行放樣,并計(jì)算設(shè)計(jì)樁外邊緣與限位孔4個(gè)邊的距離;在鋼管樁進(jìn)入樁架后,通過樁架上、下限位架導(dǎo)輪微調(diào)裝置,調(diào)整樁邊緣至限位孔邊緣距離與計(jì)算值一致;考慮到定位架移除后傾斜鋼管樁會(huì)在自重作用下產(chǎn)生一定下?lián)?對(duì)上定位架內(nèi)側(cè)導(dǎo)輪比設(shè)計(jì)位置預(yù)留一定偏位,根據(jù)現(xiàn)場施工驗(yàn)證,預(yù)留偏位按向外側(cè)偏移150 mm可滿足平面位置和傾斜度的要求。③開展定位架和工程樁偏位監(jiān)測:選擇定位架底座六角位置中的3個(gè)點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn),監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)在沉樁過程中是否發(fā)生沉降和偏位,當(dāng)發(fā)生較大位移時(shí)應(yīng)立即停止作業(yè)并查明原因;工程樁入土深度每增加5 m,復(fù)核其位置和傾斜度偏差,如果偏差超出規(guī)范允許要求應(yīng)及時(shí)停止沉樁并糾偏。④工程樁沉樁按照對(duì)稱順序進(jìn)行間隔跳打,以減少定位架在沉樁過程中產(chǎn)生累積偏差。

4 結(jié)語

采用輔助導(dǎo)向裝置的吊打工藝可有效解決打樁船無法在潮間帶開展沉樁作業(yè)的問題,本研究的導(dǎo)向裝置研發(fā)過程可為類似項(xiàng)目提供借鑒。沉樁過程中液壓振動(dòng)錘和液壓沖擊錘的沉樁施工動(dòng)荷載可通過GRLWEAP軟件計(jì)算沉樁可打性得出,是簡單可行的方法;通過分析得出錘擊跳高和樁入土深度等沉樁控制參數(shù),對(duì)保障施工安全起到極為有利的作用;當(dāng)樁土深度較淺時(shí),應(yīng)嚴(yán)格控制沉樁施工偏差并及時(shí)糾偏,避免沉樁偏差過大造成導(dǎo)向裝置與工程樁之間產(chǎn)生額外的憋樁力;在斜樁吊打過程初期始終保持鉤頭具有一定的帶力,能夠有效避免溜樁和降低樁身撓度,對(duì)保障施工精度和安全頗為重要。