海上風電大直徑單樁基礎水平載荷試驗研究

王 健，王 宇，周子文，王 康

(1.江蘇南京地質工程勘察院,江蘇 南京 210041; 2.北京中巖大地科技股份有限公司南京分公司,江蘇 南京 210000; 3.河海大學,江蘇 南京 211100; 4.渥太華大學,加拿大 渥太華 K1N6N5; 5.宿遷聯盛科技股份有限公司,江蘇 宿遷 223800)

0 引言

海上風電場的樁基礎所受水平荷載要比陸地上復雜得多,包括風、浪、流等荷載作用,且都屬于循環荷載,直接進行理論計算分析是很困難的,同時現在海上風機樁大都屬于大直徑單樁,而目前針對大直徑樁基的計算理論還不成熟,因此理論計算缺乏精確性[1]。工程現場的水平靜荷載試驗仍是目前我國最認可的樁基水平承載力計算方法,其主要通過現場進行試樁試驗,測量樁基在荷載下的每級位移,通過荷載-變形曲線圖得出水平承載力。因為其沒有破壞土體的原位狀態,所以比較貼合實際[2]。本文通過采用海上風電樁基工程常用的p-y曲線法對杭州灣某海上風電項目中樁基水平極限承載力進行計算,同時與現場樁基試驗結果進行對比,以評價p-y曲線法的適用性。最后對水平試樁試驗結果進行分析,以研究海上風電大直徑單樁基礎的水平承載特性,為本項目樁基優化設計及后續施工提供一定的借鑒。

1 工程地質概況

該海上風電場位置處于杭州灣海域附近,工程區域為濱海相沉積地貌,整體地形較緩,水下未見明顯隆起或凹陷。場區水下泥面高程為-9.60 m～-13.70 m,勘察期間水深9.10 m～12.90 m,試樁場地地層情況及相關參數見表1。由前期勘察結果,本場地天然地基條件差,不能滿足上部風機結構穩定性和抗傾覆要求,所以采用樁基礎,樁型選用高強度鋼管樁。綜合各方面因素,本工程風機基礎以⑤-3a層粉砂作為樁端持力層。

表1 試樁場地的地層分布及物理力學參數

2 水平極限承載力計算

為了保證水平試樁試驗過程中樁基不破壞或者發生大變形,影響后期工程使用。因此在試樁試驗之前需要結合樁基設計參數和前期勘察資料,對試樁水平極限承載力進行計算,并提出試樁水平靜載試驗最大加載值,保證試樁試驗安全性。

目前海上風電樁基的水平承載力主要通過API規范[3]中的p-y曲線法[4]進行計算,其他方法包括m法、NL法等經過實際應用發現并不適用于大直徑鋼管樁[5-6]。因此本次試驗選用p-y曲線法并結合API土層參數表以及地勘結果對試樁的水平承載力極限值進行計算。以泥面位移為判斷基準,利用軟黏土標準p-y曲線對于單樁的水平承載力進行預估。短期靜力荷載下的軟黏土p-y曲線可見圖1。

假設鋼管樁自身強度足夠,以樁周土破壞時的水平荷載為極限水平承載力。取泥面處樁身實際側向位移y為200 mm,y/yc=1.14。根據黏土的p-y標準曲線可以得到p/pu=0.53,于是對應的單位側向承載力標準值p′=82 kPa。最終得到水平極限承載力值為pu=2 059.84 kN,所以p=0.53×pu=1 091.7 kN。結合樁基設計和試樁試驗要求確定單樁水平靜載試驗水平荷載的最大加載值為1 000 kN。

3 水平試樁試驗

3.1 試驗方案

水平靜載試驗主要是測量各級水平荷載作用下單樁的樁頂水平位移、樁身應變和樁身撓度。預估試樁最大水平試驗荷載約為1 000 kN,水平荷載采用單向單循環維持法進行樁頂加載,荷載級持續時間20 min,泥面處樁身水平位移不得超過200 mm。樁頂水平位移觀測方面,通過在樁身安裝多個位移傳感器可以測得,同時根據測量的位移計算可得到樁頂轉角。樁身受力觀測方面,在每級荷載施加結束時,進行樁身遠離中性軸的最大受拉應變和最大受壓應變的兩束光纖傳感器數據采集。

試驗樁設計參數如表2所示,試樁光纜布設如圖2所示,試樁布置示意圖如圖3所示。

表2 單樁試樁設計參數表

3.2 試驗結果與分析

單樁水平靜載試驗中樁頂水平力加載至1 000 kN時,達到試驗預估最大加載值。具體結果整理如下:

1)樁頂水平位移。水平靜載試驗各級荷載下的樁頂水平位移值見表3。由表3可得水平力-樁頂位移關系曲線圖,見圖4。根據水平試驗的水平荷載和實測樁頂位移計算得到水平荷載對數與樁頂位移對數關系曲線見圖5。

表3 樁頂水平位移

由圖4可以看出隨著水平荷載的增加,樁頂水平位移不斷增加,最大水平位移為1 000.93 mm。同時從Q-S曲線和logH-logY曲線中可以看出二者均呈近線性遞增,變化相對較平緩,未出現拐點,以此判斷單樁仍處于線彈性變形階段,未出現較大的塑性變形或破壞。由此得出試樁實際的水平極限承載力值大于1 000 kN,其水平承載能力比預估值大,因此能夠看出API規范的理論計算方法預估的水平極限承載力相對保守。

2)樁身撓曲。通過試驗獲得的樁身撓度曲線見圖6。從圖6中可以看出樁身撓曲最大值都位于樁頂,且沿樁身逐漸減小,在接近樁端處撓曲變為0。泥面上樁身撓曲要遠遠大于泥面下樁身撓曲,且撓曲變化速率也更大,從這也能看出樁周土對于樁身撓曲的控制作用。同時隨著樁頂施加水平荷載的增加,樁身撓曲逐漸增大,尤其是泥面以上樁身部分。

3)泥面標高處位移。由各級荷載作用下結果位移值可以得到泥面處樁身位移曲線見圖7。從圖7中可以看出隨著水平荷載的增加,泥面處樁身位移也在不斷增加,最大值為146.2 mm,增加幅度也越來越大。這主要是因為泥面附近土體屬于強度較小的淤泥土,因此在樁體水平位移時,其會更快的到達塑性變形階段,從而逐漸喪失自身土體水平抗力,而泥面處樁身的水平位移增加速度也就會越來越快。

4)泥面以下彎矩。根據各斷面試驗測試得到的應變值,可計算出各斷面的彎矩,經平滑處理后的樁身彎矩分布曲線見圖8。從圖8中可以看出隨著樁頂水平荷載的增加,樁身整體的彎矩也是在逐漸增大的。彎矩最大值位于標高-15 m～-25 m間,第一彎矩零點位置位于標高-30 m左右,這兩點的位置都隨著水平荷載的增加逐漸下移。在標高-30 m至標高-45 m之間樁身彎矩變為反彎矩,同時達到反彎矩最大值,標高-45 m以下的樁身彎矩接近0。

5)樁側土抗力(p)與水平變位(y)的關系。由樁身變位,利用前面提到的API規范中的p-y曲線法可以進一步計算出泥面下部分斷面的樁側土抗力。根據實測樁身位移和計算出的樁側土抗力,可以得到不同荷載下試樁部分斷面的p-y曲線,見圖9。需要注意的是,由于試驗是在樁頂加載,泥面以下樁身受力,除了水平推力外,還有彎矩的影響包含在內。從圖9中可以看出隨著樁體水平變位的增加,對應位置的樁側土抗力也在逐漸增加,且增加幅度越來越小,直至樁側土抗力接近一個極值。除此之外也可以發現土深越大的位置,樁側土抗力普遍高些,最大土抗力也更大。

4 結論

通過對杭州灣海域某海上風電大直徑單樁基礎現場水平試樁試驗結果進行分析研究,可得到如下結論:

1)試樁在整個加載過程中基本處于彈性變形階段,水平承載力不小于1 000 kN,結合各項分析結果得出API規范中的p-y曲線法低估了海上大直徑單樁的水平承載性能。實際情況下,樁基的水平承載力還可適當提高。

2)通過分析水平靜載試驗結果,發現樁基水平抗力主要集中在上部土層,因此樁基水平承載力主要受上部土層物理力學性質控制,所以當地勘資料提供的土層參數偏保守時,也會導致低估樁基的實際水平承載性能。

3)樁基水平受荷的實質是樁土間相互作用,樁基在水平荷載作用下,樁身發生水平變位。隨著樁體變位不斷增加,水平位移進一步擴散到樁周土,直至達到樁周土的極限狀態。而在這一過程中泥面附近的樁周土最先發生變形,提供抗力,這也是泥面附近土體水平位移較大的原因。