潮間帶鋼管斜樁吊打導向裝置與沉樁參數研究

婁學謙桑登峰許偉群

(1.中交四航工程研究院有限公司 廣州 510230;2.中交交通基礎工程環保與安全重點實驗室 廣州 510230;3.南方海洋科學與工程廣東省實驗室(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。由于發展海上風電不占用陸上土地,且海上風能資源豐富,適宜大規模開發,海上風電已成為未來風電發展的必然趨勢[1]。海上風電建設區域由近及遠依次為潮間帶、潮下帶灘涂、近海和遠海,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電大國多采用超大直徑單樁(剛性單樁)基礎、重力式淺基礎和吸力式桶形基礎等,但這些基礎的施工須依靠目前我國所缺乏的大型打樁船舶、海上專用吊運船舶及其他相關關鍵技術,因此我國仍普遍采用群樁基礎[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間短,通常無法利用常規船樁架導向沉樁,而僅能通過樁錘吊打。因此,研制適合潮間帶風電場施工特點的專用吊打導向裝置以及分析吊打沉樁參數特點,對于潮間帶風電鋼管斜樁施工具有重要指導意義。

本研究設計專門用于潮間帶風電鋼管斜樁吊打施工的導向裝置,采用GRLWEAP軟件確定沉樁動荷載,采用有限元軟件進行有限元分析,指導確定沉樁參數,并成功將該裝置和方法應用于越南朔莊一期海上風電項目的大直徑鋼管樁吊打施工。

1 工程和工藝

1.1 工程與地質概況

越南薄遼三期和朔莊一期海上風電項目為中國企業在越南總承包的第一個海上風電項目,工程位于越南東南部海域。

風機基礎形式采用高樁混凝土承臺,每個風機設置1個基礎,其中朔莊一期風場共10個基礎。每個基礎設置6根直徑1.40 m的鋼管樁,采用6∶1的斜樁,設計樁長62～71 m,樁頂設計高程+7.7 m。6根樁在承臺底面沿以承臺中心為圓心、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?？看瑯嫾鄻俄? 050 mm、非靠船構件距樁頂6 000 mm的樁身內填灌C45微膨脹混凝土。

朔莊風場機位原泥面為-0.87～-2.75 m,水深較淺,有7個樁位無法滿足樁船吃水要求,擬采用吊打方式進行沉樁施工。為確保施工精度和施工安全可靠,須根據本工程巖土和樁基特點,設計專門的吊打導向裝置。根據巖土勘察報告,選取原泥面高程最低的鉆孔ZK10進行導向裝置的受力驗算,ZK10鉆孔巖土層的分布和物理力學性質如表1所示。

表1 ZK10鉆孔土層的分布和物理力學性質

1.2 吊打施工工藝

根據施工方案,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、吊機駁取樁、立樁、樁自沉、測樁偏位、振動錘初打、壓上沖擊錘和替打、校核樁位、錘擊沉樁、至設計樁底高程停止錘擊、測樁偏位、拆除定位架及限位架組合體、拔除定位樁、進行下一機位沉樁。

其中,液壓振動錘的型號為ICE44B(表2),液壓沖擊錘的型號為YC40(表3)。

表2 ICE44B液壓振動錘的性能參數

表3 YC40液壓沖擊錘的性能參數

2 導向裝置開發

2.1 結構設計

為滿足斜樁吊打工藝的實施需求,設計輔助打樁的導向裝置,主要包括定位樁、定位架和調向限位架,各部件按設計圖紙在工廠預制,現場采用吊機駁船進行安拆,整個輔助導向裝置安裝定位后可同時滿足1個風機基礎共6根鋼管樁的施工需求。導向裝置上部的三維示意如圖1所示。

圖1 導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,入土深度根據單樁承載力需求計算。定位架包括上、下2層操作平臺,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,下平臺限位架分塊加工現場拼接安裝,上平臺限位架因空間小設置成可沿支撐架中心轉動的單片架,利用電動減速機轉動限位架移位;為提高沉樁定位的精度和效率,在上、下限位架的內側設置液壓千斤頂,根據鋼管樁定位需求和沉樁過程監測數據調整樁的斜度。

2.2 受力驗算

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采用振動錘振沉樁至一定深度;③取下振動錘,換用沖擊錘準備沖擊沉樁;④錘擊沉樁至設計高程。

根據該過程,為驗算導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、振動錘自重和振動錘激振力)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)沉樁至樁端設計高程。樁的入土深度可采用GRLWEAP軟件計算。

2.2.2 受力平衡分析

由于較難準確估計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、風荷載F風、上限位架支持力N和下限位架拉力F,動力作用包括樁自身重力G樁、沖擊錘重力G錘、風荷載F風、上限位架支持力N、下限位架拉力F和振動錘/沖擊錘動力F沖。

按照《TCVN 2737:1995》[4]的附錄A,同時參考《碼頭結構設計規范》(JTS 167-2018)[5],對荷載進行組合。永久荷載分項系數為1.1,可變荷載分項系數為1.4,碰撞沖擊力分項系數為1.4,其中永久荷載包括G樁和G錘,可變荷載為F風,碰撞沖擊力為F沖。

對工程斜樁進行受力分析(圖2),其中H0表示振動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象,以下限位架接觸點為原點,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:

可推導出公式:

考慮荷載分項系數后的公式為:

2.2.3 數值分析

依據導向裝置的設計圖紙,建立導向裝置的有限元模型立面圖(圖3)。

圖3 導向裝置的有限元模型立面

根據《碼頭結構設計規范》(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《碼頭結構設計規范》(JTS 167-2018)附錄B,計算樁的相對剛度系數T=2.94 m,本次計算預計定位支撐樁入土深度約25 m即大于4T,符合按彈性長樁設計的要求。

根據《碼頭結構設計規范》(JTS 167-2018),承受水平力或力矩作用的彈性長樁,其樁身內力和變形的確定應符合:①單樁在水平力作用下的樁身內力和變形可采用M法計算,也可采用NL法或P-Y曲線法計算;②重要工程采用的計算參數應根據水平靜載荷試驗確定;③考慮波浪等荷載的往復作用時,土抗力的有關參數宜通過試驗等方法確定(本次打樁對定位樁而言尚存在往復荷載作用,且難以評估對土抗力參數的影響,因此須加強現場監控);④有經驗時也可采用假想嵌固點法計算,假想嵌固點位置的計算公式為t=ηT(式中:t表示受彎嵌固點距泥面的深度;η表示系數,取值為1.8～2.2,當樁頂鉸接或樁的自由長度較大時取較小值,當樁頂無轉動或樁的自由長度較小時取較大值,本工程定位樁的自由長度較小,η取2.2;計算得t≈7.0 m);⑤當采用假想嵌固點法計算排架時,樁在泥面以下的內力和變形可根據計算排架時求得的樁頂力矩和水平力,按附錄B中的M法計算。

綜上所述,假想嵌固點距泥面深度為7.0 m,泥面標高為-2.75 m,樁頂標高為1.5 m,模型中樁的長度為11.25 m。根據力的相互作用原理,將計算得出的N和F反向作用于導向裝置,同時計算導向裝置所受風荷載,當施加于有限元模型時,風荷載按照荷載組合可變荷載分項系數為1.4對導向裝置進行放大作用。

2.2.4 導向裝置結果

通過迭代計算,最終在X1=20 m、X2=30 m、a=0.8 m和b=1.3 m的情況下,導向裝置可滿足強度和變形要求。

2.2.4 .1 導向裝置強度和變形驗算

提取數值計算導向裝置各部位的最大應力(表4),導向裝置各部位在各工況作用下均滿足強度要求。

表4 導向裝置應力結果

提取數值計算導向裝置各部位的位移(表5),導向裝置構件撓度和層間位移角等項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,利用液壓千斤頂根據測量數據調整樁的斜度。

表5 導向裝置變形結果

2.2.4.2 支撐架構件長細比驗算

根據《鋼結構設計規范》(GB 50017-2003)[7],對支撐架上2種鋼材型號構件進行長細比驗算,計算長度按最大值取值,經驗算符合規范要求(表6)。

表6 支撐架構件長細比

2.2.4 .3 定位樁軸向承載力驗算

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《碼頭結構設計規范》(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計值的計算公式為:

式中:γR表示單樁抗拔承載力分項系數,可取1.45～1.55,鑒于為臨時樁基,取1.45;U表示樁身截面周長;ξi表示折減系數,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阻力標準值,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;α表示樁軸線與垂線的夾角。

單樁抗壓承載力設計值的計算公式為:

式中:ηqRA表示樁端承載力標準值,為安全起見,本次計算不予考慮。

根據本項目吊打施工的機位,現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。根據勘察報告,當單樁入土深度為24 m時,T d=933.7 k N,大于打樁過程中的最大上拔荷載(891.70 k N);當單樁入土深度為24 m時,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,對工程樁沉樁過程中受力情況下的強度和變形進行驗算,結果顯示無法滿足。在反復試算后,按X1=20 m、X2=48 m、a=0.4 m和b=1.4 m進行驗算。

在5種工況下對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設置為彈簧支撐。由于在打樁過程中,工程樁的受力平衡為瞬時狀態,假設工程樁和土的接觸也為鉸支座。提取數值計算工程樁的最大應力和最大撓度(表7)。

表7 5種工況下工程樁的應力和變形驗算

由表7可以看出:盡管滿足強度要求,但在個別工況下工程樁的受力存在應力集中的情況即應力值偏大,建議盡量做大工程樁與導向架的接觸滾輪面積,并采取多排的方式,在打樁過程中對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

在同時滿足導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。①工況1:樁在自重和振動錘自重作用下下沉,控制參數為吊繩帶力;②工況2:開啟振動錘沉樁,控制參數為吊繩帶力、樁入土深度不低于X1=20 m;③工況3:取下振動錘并換上沖擊錘,控制參數為吊繩帶力;④工況4:開啟沖擊錘沉樁,控制參數為吊繩帶力、錘擊跳高a=0.4 m、樁入土深度不低于X2=48 m;⑤工況5:沖擊錘繼續沉樁,控制參數為吊繩帶力、錘擊跳高b=1.4 m、樁入土深度至設計高程。

3.2 施工質量

根據設計要求,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,施工時應避免損壞鋼管樁外側聚氨酯玻璃鱗片漆防腐涂層。

為保證施工質量,主要采取4個方面的措施[8]。①通過全站儀控制導向裝置的安裝精度,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,對定位架上、下層平臺每個樁位的樁心坐標進行放樣,并計算設計樁外邊緣與限位孔4個邊的距離;在鋼管樁進入樁架后,通過樁架上、下限位架導輪微調裝置,調整樁邊緣至限位孔邊緣距離與計算值一致;考慮到定位架移除后傾斜鋼管樁會在自重作用下產生一定下撓,對上定位架內側導輪比設計位置預留一定偏位,根據現場施工驗證,預留偏位按向外側偏移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測:選擇定位架底座六角位置中的3個點作為基準點,監測基準點在沉樁過程中是否發生沉降和偏位,當發生較大位移時應立即停止作業并查明原因;工程樁入土深度每增加5 m,復核其位置和傾斜度偏差,如果偏差超出規范允許要求應及時停止沉樁并糾偏。④工程樁沉樁按照對稱順序進行間隔跳打,以減少定位架在沉樁過程中產生累積偏差。

4 結語

采用輔助導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的問題,本研究的導向裝置研發過程可為類似項目提供借鑒。沉樁過程中液壓振動錘和液壓沖擊錘的沉樁施工動荷載可通過GRLWEAP軟件計算沉樁可打性得出,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,對保障施工安全起到極為有利的作用;當樁土深度較淺時,應嚴格控制沉樁施工偏差并及時糾偏,避免沉樁偏差過大造成導向裝置與工程樁之間產生額外的憋樁力;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,對保障施工精度和安全頗為重要。