海上風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，吳伙桂，陳幫

(明陽智慧能源集團股份公司，廣東 中山 528400)

在海上風電領域，單樁基礎具有承載力大、沉降量小、穩定性好、適應性強、貫入深度大，以及制作安裝方便等特點，廣泛應用。按樁徑大小，單樁基礎可分為小樁(≤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，單樁基礎的沉樁過程存在單樁基礎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力變化在許用應力范圍內。對于沉樁過程的研究，采用GRLWEAP軟件進行可打性分析，計算沉樁總錘擊數與錘擊時間，已成為主流方法。根據GRLWEAP軟件可打性分析結果對單樁基礎進行疲勞損傷分析，主要關注兩方面：①運輸過程與沉樁過程引發的樁身累積疲勞損傷；②服役期間的在位累積疲勞損傷，即樁基礎承受風浪流及風機荷載等疊加的累積疲勞損傷。目前，對于服役期的在位疲勞相關研究已較為深入，運輸過程與沉樁過程引發疲勞損傷相關研究較少但卻逐漸受到行業關注。 對于單樁基礎研究，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上，沉樁施工中樁錘及土壤關鍵參數是研究單樁可打性的重要條件，對確保樁體順利打入至關重要。隨著大兆瓦海上風機離岸越來越遠的應用趨勢，大直徑乃至超大直徑單樁基礎成為海上風電場的可選方案，而單樁尺寸對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其可打性與沉樁疲勞的影響，為單樁優化設計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，樁體由樁錘驅動一步步被打入土體中。Smith波動方程(1)是樁基工程設計與施工中的主要控制方程。

(1)

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

為了計算打樁時應力波在樁中的傳播，采用離散力學模型建立錘-樁-土系統，樁錘、樁帽及樁身的質量由剛體表示，樁墊及樁身的彈性特征采用無質量彈簧來代替，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方程。計算中將沉樁歷程分成若干時間間隔Δ，并假定每個Δ內位移、力及速度等物理量均為定值。

針對沉樁過程，Smith推導出了5個基本方程：

(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；上標表示時間間隔的序號；下標表示重塊、彈簧和作用在樁單元上土阻力的序號。

本文采用的樁錘模型為是MHU-3500S型錘，基本參數見表1。

表1 樁錘(MHU-3500S)基本參數

1.2 可打性結果對比分析

通過GRLWEAP軟件建立沉樁模型并得到錘擊數-貫入深度曲線，將計算結果與工程沉樁實測值對比，依據地勘資料土，最后建立沉樁的土壤參數模型，土壤參數見表2。

表2 土壤參數

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

大直徑單樁基礎長度為103.18 m，設計深度為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。工程實際沉樁記錄列于表4。

表3 單樁參數

表4 沉樁記錄信息

沉樁過程中未發生溜樁現象。

圖1a)是單樁基礎每米錘擊數隨貫入度變化實測值與模擬值對比，發現不同深度對應的每米錘擊數與相應的土層性質密切相關，在28 m深度處結果達到最大值，這是由于該處為砂質土層。對于沉樁后半段通過的黏土及粉砂混黏土層，每米錘擊數都較小，易于沉樁。綜合各層土壤參數，該單樁主要為樁側承受荷載，屬于摩擦型樁。

圖1b)是單樁基礎總錘擊數隨貫入度變化的實測值與模擬值對比，在37 m處實測值為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與實測值3 533基本一致。說明采用GRLWEAP軟件計算結果與實測整體吻合度較好，基于GRLWEAP軟件能夠有效預測沉樁動態過程。

圖1 每米錘擊數及總錘擊數與貫入度曲線的實測值與模擬值的比較

1.3 不同單樁尺寸對沉樁可打性的影響

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

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

條件下不同壁厚對應的每米錘擊數隨貫入度變化。在距泥面26 m處，每米錘擊數達到最大，壁厚95 mm的每米錘擊數最大值為282次。4根單樁模型的整體變化趨勢一致，當壁厚增加5 mm時，在距泥面26 m處，其每米錘擊數增加約4%，其余各處每米錘擊數變化則較小，這是由于壁厚增加對樁側摩阻力影響較小，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算結果，進一步證實了每米錘擊數隨壁厚增加而增加。

圖2 每米錘擊數與貫入度關系

圖3是總錘擊數隨貫入度的變化，在距泥面20～30 m深度段，其總錘擊數增加較多，表明該段土阻力較大，這是因為密實砂土層對樁的側摩阻力影響更大。

圖3 總錘擊數與貫入度關系

下面研究同壁厚不同外徑單樁模型，分析單樁外徑對可打性的影響。圖4a)是壁厚85 mm時的每米錘擊數隨沉樁貫入度的變化，同樣在距泥面26 m處，每米錘擊數達到最大；外徑10m單樁模型每米錘擊數最大值為330次；當外徑增加5%～10%時，其每米錘擊數增加約10%，說明外徑增加導致樁側阻力增加，沉樁難度加大。圖4b)是壁厚95 mm時，不同外徑單樁模型的計算結果，其更進一步證明每米錘擊數隨外徑增加而增加。

圖4 每米錘擊數與貫入度關系

圖5是總錘擊數隨貫入度的變化，發現在相同壁厚條件下，總錘擊數隨外徑增加而增加，只是因為單樁外徑增加導致側表面積增加，導致總的沉樁阻力增加。

圖5 總錘擊數與貫入度關系

2 沉樁疲勞分析

2.1 疲勞計算理論與方法

為探究超大直徑單樁在沉樁過程中的疲勞損傷分布特點，采用基于Miner線性累積損傷理論的-曲線法進行計算分析，根據某項目風機基礎設計報告設計疲勞系數取值10。-曲線選擇規范DNV-RP-C203中曲線，數學表達式為

(7)

式中：為疲勞壽命；Δ為應力范圍；為在(lg-lg關系圖)中的反斜率；lg為(lg-lg關系圖)中lg軸截距；為參考厚度，取25 mm，為可能發生裂紋的厚度；為疲勞強度的厚度指數。

根據Miner線性累積損傷理論，構件在應力水平下，經受次循環時的損傷為=。若在個應力水平下，各經受次循環，則可定義其累計疲勞損傷為

(8)

式中:為累計疲勞損傷；為設計疲勞系數；()為應力幅的實際循環次數；()為應力幅的疲勞破壞循環次數。

采用GRLWEAP軟件進行沉樁疲勞損傷分析，通過輸出應力幅值與次數關系，計算累積疲勞損傷。對沉樁引起的疲勞損傷進行評估，首先計算1次錘擊過程中橫向焊縫處疲勞損傷，包括以下4個步驟。

1)采用Smith波動方程進行分析，得出1次錘擊作用下樁身橫向焊縫處的應力-時間歷程；

2)對上一步求得的一次錘擊作用下應力時間歷程進行應力幅循環計數；

3)計算一次錘擊作用下的疲勞損傷；

4)將每次錘擊疲勞損傷進行累加，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。計算結果表明，采用海水中自由腐蝕-曲線比采用空氣計算偏保守。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系

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

圖7 樁應力變化

2.2 不同單樁尺寸對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。結果表明：在距樁頂約0.12的高程內，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增加。在距樁底約013高程內，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一步降低。在中間段約075內樁身累積疲勞損傷平緩，整體疲勞損傷均較大，該段土體強度較高，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，導致該段累積疲勞損傷較大。同樣，在圖8b)中可以發現，外徑10 m對應的不同壁厚單樁模型疲勞損傷也有相似的表現。

圖8 累積疲勞損傷與樁截面高程的關系

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系曲線，發現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，因為在外徑增加后，樁身截面的截面積隨之增大，也增加了樁與土體的接觸面積，進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系

3 結論

采用離散力學模型可用于單樁的可打性分析，通過輸出應力幅值與次數關系，可計算沉樁的累積疲勞損傷。

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

2)相同外徑下，每米錘擊數隨壁厚增大而增加，但總錘擊數變化較??；相同壁厚下，每米錘擊數與總錘擊數均隨外徑增大而增加。

3)不同單樁尺寸對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。