桶式基礎(chǔ)吸力沉貫試驗(yàn)研究

收稿日期：2022-02-21

通信作者：李 森（1991—），男，博士、高級(jí)工程師，主要從事海上風(fēng)電基礎(chǔ)工程方面的研究。lisen11@ccccltd.cn

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0182 文章編號(hào)：0254-0096（2023）06-0406-07

摘 要：針對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)單桶多隔艙基礎(chǔ)開展沉貫試驗(yàn)研究，并通過土壓計(jì)、應(yīng)力計(jì)等科研傳感器數(shù)據(jù)對(duì)基礎(chǔ)沉貫阻力和側(cè)壁變形進(jìn)行分析。自重下沉階段基礎(chǔ)最大傾角約為1.2°，吸力下沉階段初期將基礎(chǔ)調(diào)平后，不再發(fā)生顯著傾斜。對(duì)淤泥質(zhì)土層中的鋼制桶式基礎(chǔ)，采用靜力觸探數(shù)據(jù)結(jié)合上限阻力系數(shù)獲得的理論壓差結(jié)果與實(shí)測(cè)值最為接近，并基于實(shí)測(cè)土壓力獲得了側(cè)壁摩擦系數(shù)為0.23。施工期結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，最大應(yīng)力發(fā)生于桶頂，側(cè)壁在壓差作用下發(fā)生顯著撓曲?；趩瓮岸喔襞摶A(chǔ)吸力沉貫過程中隔艙內(nèi)壓力基本保持一致的現(xiàn)象，提出一種將應(yīng)力計(jì)布設(shè)于隔艙板，從而避免內(nèi)外壓差影響的傳感器布設(shè)方案。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電；基礎(chǔ)；應(yīng)力監(jiān)測(cè)；土阻力；吸力沉貫

中圖分類號(hào)：TK513.5"""""""""""" """ """"""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

在碳達(dá)峰、碳中和的大背景下，中國(guó)海上風(fēng)電建設(shè)發(fā)展迅猛。桶式基礎(chǔ)是底部敞開、頂部封閉的圓桶結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)安裝通過抽水形成內(nèi)外壓差，無(wú)需打樁和相應(yīng)工藝措施，對(duì)大型設(shè)備要求低，在海上風(fēng)電領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。桶式基礎(chǔ)在海油平臺(tái)［1-2］領(lǐng)域的應(yīng)用已較為成熟，但由于海油平臺(tái)和海上風(fēng)電基礎(chǔ)所承受荷載之間存在顯著差異，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)海上風(fēng)電桶式基礎(chǔ)承載特性開展了大量研究［3-5］。歐洲首先在海上風(fēng)電領(lǐng)域應(yīng)用桶式基礎(chǔ)［6-7］，并采用多桶導(dǎo)管架基礎(chǔ)形式增強(qiáng)基礎(chǔ)抵抗水平荷載的能力。中國(guó)風(fēng)電從業(yè)者，結(jié)合現(xiàn)階段風(fēng)電開發(fā)的實(shí)際水深、地質(zhì)條件和工程需求，研制了單桶多隔艙基礎(chǔ)［8-9］，其特點(diǎn)是基礎(chǔ)平面尺度較大，直徑一般在25 m以上，基礎(chǔ)深徑比小于0.3，通過引入分倉(cāng)板提高桶體剛度，便于調(diào)平。

上述桶式基礎(chǔ)在安裝前，均需進(jìn)行沉貫可行性分析，其核心是沉貫阻力計(jì)算，但目前桶式基礎(chǔ)在中國(guó)海上風(fēng)電領(lǐng)域應(yīng)用非常有限，亟待結(jié)合工程數(shù)據(jù)總結(jié)適合中國(guó)地質(zhì)的阻力計(jì)算參數(shù)。此外，桶式基礎(chǔ)作為薄壁結(jié)構(gòu)，在沉貫過程中要控制合理壓差，以避免基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)變形過大甚至發(fā)生屈曲。為此，本研究依托海上風(fēng)電項(xiàng)目，針對(duì)上述問題開展桶式基礎(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)施工期結(jié)構(gòu)應(yīng)力、側(cè)壁土壓力等進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，以期為桶式基礎(chǔ)沉貫機(jī)理和壓差作用下桶壁變形的研究提供支撐。

1 桶式基礎(chǔ)及地質(zhì)條件

福建省某海上風(fēng)電場(chǎng)一機(jī)位原采用單樁基礎(chǔ)型式，現(xiàn)場(chǎng)沉樁過程中樁端觸碰孤石，無(wú)法繼續(xù)沉樁至設(shè)計(jì)高程，最終采用樁-桶組合方案。該機(jī)位單樁基礎(chǔ)直徑為6～7 m，桶式基礎(chǔ)采用單桶六隔艙結(jié)構(gòu)型式，內(nèi)桶直徑8 m，上部2 m壁厚25 mm，下部5 m壁厚16 mm；外桶直徑25 m，上部5 m壁厚30 mm，下部2 m壁厚25 mm，結(jié)構(gòu)如圖1所示。桶式基礎(chǔ)所在海域平均高潮位2.64 m，平均低潮位[-2.07 m]，泥面高程[-17.00 m]。桶式基礎(chǔ)深度范圍內(nèi)均為黏性土，上部為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，下部為粉質(zhì)黏土，圖2為靜力觸探（cone penetration test，CPT）錐尖貫入阻力及不排水強(qiáng)度隨入土深度變化的規(guī)律。

2 沉貫施工與控制壓差計(jì)算

桶式基礎(chǔ)沉貫可分為2個(gè)階段：第1階段是自重沉貫，通過控制吊機(jī)逐步減輕吊重，使桶式基礎(chǔ)在自重作用下沉貫，并在桶底觸泥后，桶內(nèi)形成密封環(huán)境；第2階段是吸力沉貫，通過抽水使桶內(nèi)外形成壓差，從而實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)沉貫。自重沉貫又包括基礎(chǔ)沒水和基礎(chǔ)觸泥2個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，一般在基礎(chǔ)沒水后進(jìn)行水泵調(diào)試，在基礎(chǔ)觸泥前需控制下沉速度，以減少對(duì)海床面土層（特別是砂性土）的擾動(dòng)。后文以“自重沉貫”指代基礎(chǔ)觸泥后的自重下沉階段。

桶式基礎(chǔ)沉貫阻力，可根據(jù)靜力觸探錐尖貫入阻力[qc]估算［10］，如式（1）所示。參數(shù)[kf]和[kp]可基于北海工程經(jīng)驗(yàn)［10-11］按表1取值。

[Q=Ain+Aoutkf0Lqczdz+AtipkpqcL] （1）

式中：[Ain]——內(nèi)側(cè)壁面積，m2；[Aout]——外側(cè)壁面積，m2；[kf]——側(cè)壁阻力系數(shù)；[L]——桶高，m；[z]——入土深度，m；[Atip]——端面積，m2；[kp]——端阻力系數(shù)。

對(duì)黏性土中的桶式基礎(chǔ)，其沉貫阻力也可采用不排水抗剪強(qiáng)度su計(jì)算［12］：

[Q=（Ain+Aout）αsavu，D+（Ncsavu，tip+γ′z）Atip]"" （2）

式中：[α]——黏聚力因子，DNV規(guī)范［12］推薦取[α=1/St]，其中[St]為靈敏度；[savu，D]——沉貫深度范圍內(nèi)的直剪強(qiáng)度平均值，kPa；[Nc]——黏性土中深埋條形地基的承載力系數(shù)，取[Nc=9.0]［13-14］；[savu，tip]——桶端處的直剪、三軸壓縮及三軸拉伸強(qiáng)度平均值，kPa；[γ′]——土體浮重度，kN/m3。

吸力沉貫階段，使基礎(chǔ)下沉需要的最小壓差即為所需壓差，以基礎(chǔ)為研究對(duì)象可得：

[sreq=Q-WAc]""" （3）

式中：[W]——桶體浮重力，kN；[Ac]——桶內(nèi)平面面積，m2。

施工壓差過大會(huì)使桶內(nèi)土塞整體破壞，以土塞為研究對(duì)象，基于地基承載力破壞模式可得黏性土中桶式基礎(chǔ)臨界壓差為：

[scrit=23N*csavu，tip+FinAc] （4）

式中：[N*c]——黏土中圓形基礎(chǔ)承載力系數(shù)，當(dāng)[z/Dlt;4.5]時(shí)，[N*c=6.21+0.34×arctanzD]［15］；[Fin]——內(nèi)側(cè)壁阻力，kN。

桶式基礎(chǔ)頂為薄壁結(jié)構(gòu)，除基礎(chǔ)頂板及桶壁應(yīng)力校核外，需驗(yàn)算壓差引起的桶壁屈曲，可采用解析［16］或數(shù)值［17］的方法來(lái)確定屈曲壓差?？芍獕翰钣墒┕^(qū)水深決定，為充分利用環(huán)境水深條件，對(duì)潛水泵抽水能力提出要求。綜上所述，桶式基礎(chǔ)施工壓差下限值即所需壓差，允許上限值為臨界壓差、屈曲壓差和可獲得壓差三者之中的最小值。

3 施工過程監(jiān)測(cè)與分析

桶式基礎(chǔ)沉貫過程中，全程監(jiān)測(cè)桶壁外側(cè)土壓力、孔隙水壓力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力和基礎(chǔ)傾角等，傳感器布設(shè)如圖3所示，其中土壓計(jì)與孔隙水壓力計(jì)布設(shè)位置一致，以便于獲得有效應(yīng)力。傳感器相關(guān)信息如表2所列，傾角計(jì)采用MEMS（micro-electro-mechanical system）式，其余傳感器均為振弦式。需指出，盡管吸力式基礎(chǔ)施工設(shè)備中已集成了孔壓和傾角測(cè)量系統(tǒng)，通過布設(shè)傳感器對(duì)其結(jié)果進(jìn)行校核，可為工程決策提供更可靠的依據(jù)。

3.1 施工壓差

圖4為桶式基礎(chǔ)頂部和6個(gè)隔艙內(nèi)水壓監(jiān)測(cè)結(jié)果（其中4隔艙孔隙水壓力計(jì)損壞）。吸力沉貫初始階段，通過對(duì)6個(gè)隔艙獨(dú)立施加壓差進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)平，調(diào)平后對(duì)各隔艙同步施加壓差。

圖5為施工控制壓差計(jì)算結(jié)果，對(duì)不排水強(qiáng)度方法，本項(xiàng)目未提供土體靈敏度指標(biāo)，根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)取[α=0.5]［15，18］。理論分析結(jié)果表明，基礎(chǔ)自重入泥深度在2.0～3.4 m之間，實(shí)測(cè)自重入泥深度約為2.8 m。理論上，當(dāng)施工壓差達(dá)到所需壓差時(shí)，基礎(chǔ)即發(fā)生沉貫，因此可將所需壓差與實(shí)測(cè)壓差進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)CPT法采用上限阻力系數(shù)獲得的所需壓差與實(shí)測(cè)結(jié)果較為接近，而CPT法采用可能阻力系數(shù)獲得的所需壓差與不排水強(qiáng)度法結(jié)果一致。

3.2 基礎(chǔ)傾角

桶式基礎(chǔ)在水中下沉過程中，在吊機(jī)、船舶、水流等綜合影響因素下，基礎(chǔ)姿態(tài)有少許波動(dòng)；由于海底泥面傾斜，桶體在入泥階段基礎(chǔ)傾角變化較大；入泥后自重沉貫過程中較平穩(wěn)。自重下沉結(jié)束，測(cè)量的基礎(chǔ)傾角最大為1.233°，最小為0.005°。自重下沉階段基礎(chǔ)傾斜與海床面斜率及地質(zhì)不均勻性相關(guān)，在該階段僅能通過調(diào)整吊重，控制下沉速率，抑制傾斜發(fā)展，但無(wú)法進(jìn)行主動(dòng)調(diào)平。需指出，本工程桶式基礎(chǔ)傾斜還受到桶內(nèi)樁基礎(chǔ)的約束，如傾斜過大將導(dǎo)致卡樁、無(wú)法下沉。

鑒于自重下沉階段桶體傾斜，為避免桶體傾斜加劇，或深度過大基礎(chǔ)姿態(tài)調(diào)整困難，本工程吸力沉貫階段采取先調(diào)平后沉貫、嚴(yán)格控制施工壓差的施工策略。對(duì)此，首先打開深度較淺一側(cè)隔艙抽水泵，壓差控制在約10 kPa，并結(jié)合傾角實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果，打開或關(guān)閉相應(yīng)閥門進(jìn)行桶體姿態(tài)調(diào)整，調(diào)平過程在圖4中也有所體現(xiàn)。待基礎(chǔ)姿態(tài)回正后，6個(gè)隔艙開始同步抽水。隨著入泥深度的增大，桶式基礎(chǔ)沉貫姿態(tài)逐漸平穩(wěn)，此后增大各隔艙抽水速度，提高桶壓差[（30～40 kPa）]，保證桶體下沉速度。桶式基礎(chǔ)基本下沉至設(shè)計(jì)深度后，經(jīng)加大抽水速度、反復(fù)抽水等措施，基礎(chǔ)深度仍無(wú)明顯變化則施工結(jié)束。吸力沉貫完成后，桶式基礎(chǔ)各測(cè)點(diǎn)最大傾角為0.275°，滿足中國(guó)相關(guān)規(guī)范要求［19］。

3.3 孔隙水壓力

如圖6所示，考慮潮位修正后的孔隙水壓力實(shí)測(cè)值，與基于入土深度的計(jì)算值基本吻合；二者差異由孔壓修正過程中，采用桶頂入水時(shí)刻作為控制點(diǎn)引起。由于吸力桶基礎(chǔ)沉貫過程中桶頂沒于水下，其沉貫深度難以直接測(cè)量，孔壓監(jiān)測(cè)可反映桶體下沉過程，可作為沉貫深度輔助測(cè)量手段，為施工控制提供依據(jù)。

3.4 結(jié)構(gòu)應(yīng)力

圖7分別顯示了桶式基礎(chǔ)頂板和桶頂下肋板的應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果。自重沉貫階段結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化不大，吸力沉貫階段，在壓差作用下，桶頂上部受壓，下部加勁肋受拉。結(jié)構(gòu)應(yīng)力隨施工壓差增大而增大，且應(yīng)力增量均小于60 MPa，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

由于桶式基礎(chǔ)頂蓋始終位于泥面以上，忽略土體的影響，將頂蓋及肋板簡(jiǎn)化為結(jié)構(gòu)問題進(jìn)行有限元分析。桶式基礎(chǔ)采用一階減縮積分殼單元（13503個(gè)）、理想彈塑性本構(gòu)彈性模量為209 GPa、泊松比為0.27，屈服強(qiáng)度為355 MPa，網(wǎng)格如圖1所示，荷載如圖8所示，在桶壁和頂蓋外側(cè)施加壓力模擬壓差（60 kPa），并約束桶底豎向位移，分析結(jié)果表明最大Mises應(yīng)力發(fā)生在桶頂肋板處。桶頂應(yīng)力實(shí)測(cè)值與有限元計(jì)算結(jié)果趨勢(shì)一致、實(shí)測(cè)值偏?。▓D9），該現(xiàn)象是由傳感器保護(hù)槽鋼導(dǎo)致局部剛度變大、實(shí)際平均壓差略小于抽水口傳感器測(cè)得壓差等因素引起的。

側(cè)壁應(yīng)力增量由沉貫阻力和施工壓差共同決定。如需根據(jù)實(shí)測(cè)側(cè)壁應(yīng)力計(jì)算桶側(cè)土阻力，則需避免壓差引起的撓曲變形影響。對(duì)單桶多隔艙基礎(chǔ)，一種思路是將應(yīng)力計(jì)布置在隔艙板上，如圖3c中箭頭所指標(biāo)識(shí)所示。本工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明對(duì)該類基礎(chǔ)的基礎(chǔ)傾角較小，大部分基礎(chǔ)沉貫量在各分隔艙內(nèi)壓力一致的條件下發(fā)生，如圖4所示。雖然，在桶式基礎(chǔ)吸力沉貫過程中，桶式基礎(chǔ)內(nèi)、外部仍存在壓差，由于隔艙板兩側(cè)均為艙室內(nèi)壓力，保持相鄰艙室壓力一致，即可避免壓差對(duì)布設(shè)于隔艙板上傳感器的影響。

按本工程桶式基礎(chǔ)尺寸，單位深度對(duì)應(yīng)的內(nèi)外側(cè)面積增量約為210 m2/m，桶壁截面積約為2.7 m2。按式（5）估算不同位置處的應(yīng)力計(jì)差值為：

[Δσ=ΔFAtip=（ΔAin+ΔAout）fspAtip]""" （5）

式中：[fsp]——沉貫過程中的單位側(cè)壁阻力值，kPa。

對(duì)粉質(zhì)黏土層，采用[α·su]確定的[fsp]值為22.5 kPa；由[kf·qc]確定的[fsp]值為21～35 kPa。應(yīng)力計(jì)布設(shè)間距1 m對(duì)應(yīng)的應(yīng)力差在1.7～2.9 MPa范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)力計(jì)精度要求較高。

圖10為桶式基礎(chǔ)側(cè)壁應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果，其在基礎(chǔ)沉貫過程的變化小于20 MPa?；A(chǔ)側(cè)壁下部與上部應(yīng)力結(jié)果變化趨勢(shì)相反，特別在壓差改變處，側(cè)壁上、下部應(yīng)力結(jié)果突變尖點(diǎn)反向，說明壓差引起的撓曲變形為本次側(cè)壁應(yīng)力變化的主控因素。注意到，桶壁下部應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果變化幅度顯著小于上部結(jié)果，二者差異由入土深度引起，表明壓差的影響隨入土深度的增大而衰減。各艙室側(cè)壁應(yīng)力趨勢(shì)差異由基礎(chǔ)整體傾斜導(dǎo)致的彎曲引起。桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)有限元模型如前所述，進(jìn)一步考慮土體影響，土體平面尺度為桶式基礎(chǔ)直徑的20倍，深度為桶長(zhǎng)的2倍，以消除尺寸效應(yīng)。約束土體側(cè)邊界的側(cè)向位移、及底部邊界的豎向位移。將土體簡(jiǎn)化為彈性介質(zhì)，采用一階減縮積分三維實(shí)體單元，不排水壓縮模量[Es，u]按[200su]取值，桶-土接觸采用embed接觸。圖11為基礎(chǔ)

完全入土、壓差為60 kPa條件下的分析結(jié)果，側(cè)壁應(yīng)力從頂部到端部由拉轉(zhuǎn)壓，與實(shí)測(cè)結(jié)果一致。

3.5 土壓力

沉貫過程中基礎(chǔ)最大整體傾角不足1.3°，近似認(rèn)為土壓力符合靜止土壓力，對(duì)黏性土，有效土壓力可按式（6）計(jì)算。

[σ′=K0γ′ihi]""" （6）

式中：[γ′i]——第[i]層土體的有效重度，kN/m；[hi]——第[i]層土體厚度，m；[K0]——側(cè)壓力系數(shù)，對(duì)黏性土可取1.0。

圖12表明靜止土壓力理論值與實(shí)測(cè)值基本吻合。需指出，盡管桶周土體為黏性土，可忽略豎向滲流影響，外側(cè)壁處實(shí)測(cè)土壓力仍受到壓差的影響，該現(xiàn)象由桶壁撓曲引起。圖13為由實(shí)測(cè)土壓力計(jì)算的側(cè)壁摩阻力（摩擦系數(shù)取0.23，界面摩擦角13°）和基于地勘估算的側(cè)壁摩阻力結(jié)果。

4 結(jié) 論

基于海上風(fēng)電桶式基礎(chǔ)開展現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)，總結(jié)基礎(chǔ)傾角發(fā)展規(guī)律，并基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)沉貫阻力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力開展分析研究，得出以下主要結(jié)論：

1）本工程桶式基礎(chǔ)最大傾角約為1.3°，發(fā)生在自重沉貫結(jié)束時(shí)；在吸力沉貫初期將基礎(chǔ)完全調(diào)平后，可在整個(gè)吸力下沉階段保持傾角在0.5°以內(nèi)。

2）外孔壓不受壓差影響，經(jīng)潮位修正后，可輔助判斷基礎(chǔ)沉貫深度。

3）基于靜力觸探錐尖貫入阻力結(jié)合上限沉貫阻力系數(shù)確定的所需壓差與實(shí)際施工壓差較為接近；基于實(shí)測(cè)土壓力計(jì)算了側(cè)壁沉貫阻力，獲得的側(cè)壁摩擦系數(shù)為0.23。

4）施工期結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)表明最大應(yīng)力發(fā)生在頂板，最大值未超過60 MPa，初步有限元分析結(jié)果表明側(cè)壁豎向應(yīng)力拉壓反向現(xiàn)象是由壓差引起的側(cè)壁撓曲導(dǎo)致；并提出一種可避免壓差影響的側(cè)阻力監(jiān)測(cè)方案。

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RESEARCH ON SUCTION PENETRATION TEST OF

BUCKET FOUNDATION

Guo Wei1，2，Li Sen1，3，F(xiàn)u Kun1，3，Qiu Song1，3

（1. CCCC Third Harbor Engineering Co.， Ltd.， Shanghai 200032， China；

2. Shanghai Harbor Engineering Quality Control amp; Testing Co.， Ltd.， Shanghai 201315， China；

3. CCCC Key Laboratory of Structural Engineering， Shanghai 200032， China）

Keywords：offshore wind power； foundations； stress monitoring； soil resistance； suction penetration