趙業(yè)彬，褚洪民，張積樂，王 勇

（山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013）

0 引言

海上風力發(fā)電因具有海上風能資源豐富、湍流強度小、靠近能源負荷中心且不存在土地占用等優(yōu)勢，成為全球風電領域的新興戰(zhàn)略性產業(yè)。與陸上風電相比，海上風電場遠離陸地，海上施工環(huán)境較為復雜，且目前施工所需的關鍵設備如專業(yè)大型船機、海上樁基打樁設備較少，導致海上風電施工難度較大。大量工程實踐表明，在海上風電場鋼管樁沉樁過程中，常常會遇到問題，如樁基因超打導致貫入深度偏大而無法滿足設計承載力，因拒錘導致樁基不能打至設計入土深度，樁頭損壞等［1］。與傳統(tǒng)的小直徑鋼管樁相比，海上超大直徑鋼管樁沉樁施工要求更高。

以山東某擬建海上風電場工程所采用的超大直徑樁基為研究對象，通過GRLWEAP程序對樁基的沉樁過程進行模擬，分析不同錘型下超大直徑樁基沉樁的可行性及沉樁過程中可能遇到的問題，為工程的順利開展提供科學合理的指導。

1 打樁分析的基本原理

動力打樁公式最早應用于預測樁基可打性及其承載力計算，其中海利公式在工程中應用最為普遍［2］。 海利公式可表示為［3］

式中：Ru為樁基的極限承載力，t；ε為樁錘下落時能量折減系數(shù)；Wt為錘芯質量，t；H為樁錘的落距，mm；β為錘擊效率；s為終錘時最小貫入度，mm；c為錘擊時樁土體系總的瞬時彈性變形值，mm。

海利公式將樁基和樁錘視為2個絕對剛體，將沉樁過程則視為2個剛體的自由碰撞問題［4］。而在實際工程應用中，因樁錘性能未知，難以精確計算樁基貫入度和承載力，且該方法假定錘擊能量瞬時就傳遞到樁基底端，這與實際沉樁過程中能量以應力波的傳遞方式也是不相符的。特別是對于超大直徑的鋼管樁而言，傳統(tǒng)的動力打樁公式已不再適用。

波動方程的出現(xiàn)為樁基工程的設計和施工提供了合理的分析方法［5］。Smith建立了錘—樁—樁周土的離散力學模型來描述整個打樁系統(tǒng)，如圖1所示。將樁錘（W1）、樁帽（W2）及樁身（W3～Wm）的質量采用剛性重塊表示，將墊層（K1）及樁身（K2～Km-1）的彈性采用無質量的彈簧來模擬，樁周土的阻力（R3～Rm）則采用粘彈性模型來反映。在此基礎上，采用差分法求解波動方程，在計算過程中將沉樁歷程分割成若干時間間隔Δt，并假定每Δt時間內位移、力及速度等物理量均為一定值［6］。打樁過程可采用式（2）的基本方程表述。

圖1 打樁系統(tǒng)力學模型

式中：d為位移；c為彈簧壓縮量；F為彈簧作用力；K為彈簧剛度；v為速度；R為樁周土阻力；W為樁單元質量；Z為樁加速度力；上標n為時間間隔序號；下標m為重塊、樁單元等序號。

本文沉樁可行性分析所選用的GRLWEAP程序即基于上述Smith理論模型。該程序不僅可有效模擬大型樁基工程沉樁過程中樁身受力和運動情況，而且可以預估樁錘系統(tǒng)的打樁能力及總打入時間。

2 工程概況及計算參數(shù)選取

2.1 工程概況

擬建海上風電場工程地處山東渤海海域，海上風電機組單機裝機容量為3.3 MW。經技術比選后，擬采用樁徑達5.5～6.0 m的超大直徑鋼管單樁作為風電機組基礎結構。鋼管樁主體結構采用DH36型船用鋼板，樁長75 m，設計入土深度60 m，其物理參數(shù)見表1。樁2段為變截面過渡段，其頂部與樁1段連接處為5 500 mm，尾部與樁3段連接處為6 000 mm，故其為區(qū)間值。

表1 鋼管樁物理參數(shù)

2.2 計算參數(shù)選取

1）土層參數(shù)。根據(jù)海上風電場區(qū)勘測資料，可將樁基貫入深度內的地基土劃分為9層，土層參數(shù)見表2。

表2 土層參數(shù)

2）樁錘參數(shù)。現(xiàn)階段液壓式IHC系列打樁錘已廣泛應用于海上風電場工程，計算選用的樁錘有IHC S-900、IHC S-1200及 IHC S-1800 3 種型式，計算過程中不采用錘墊和樁墊，樁錘基本參數(shù)見表3。

表3 樁錘參數(shù)

3）樁周土的阻尼。樁側土的阻尼，砂土取0.164 s／m，黏性土取 0.65 s／m，樁端土取 0.5 s／m。

4）樁周土的彈性變形值。樁側土取2.5 mm，樁端土取2.54 mm。

5）土塞作用。根據(jù)現(xiàn)有施工經驗，大直徑開口鋼管樁在連續(xù)打樁過程中幾乎不形成土塞，因此，計算過程中不考慮土塞效應。

采用GRLWEAP程序分別模擬了不同型號樁錘下沉樁過程。樁錘設置完成后計算模型如圖2所示。GRLWEAP軟件中，鋼管樁只顯示壁厚變化，無法顯示樁徑變化。圖中外徑增大處為樁身4段，壁厚由65 mm變?yōu)?0 mm，故鋼管樁呈現(xiàn)明顯變化。

3 結果與分析

圖2 計算模型

圖3為IHC S-1200型樁錘沉樁計算結果。可以看出，隨著樁周土阻力的增加，沉樁所需錘擊次數(shù)相應增多，貫入度逐漸減少。值得注意的是，泥面以下18 m深度內沉樁錘擊次數(shù)為0，表明樁基在其自重作用下可下沉到一定深度。由于樁基位置存在粉質黏土夾粉土層，樁基自重下沉階段容易出現(xiàn)溜樁問題，建議沉樁施工過程中采取一定的應對措施。圖4為樁頂應力曲線，可以看出，樁頂端的力隨樁長L與樁徑C的比值呈波動變化，樁頂端應力曲線隨時間呈波動變化，且這兩個力的波動擬合程度高，表明錘擊能量在樁身中以波動形式傳播，驗證了波動理論在沉樁分析中有效性。

圖3 沉樁計算結果

圖4 樁頂應力曲線

不同錘型下將超大直徑樁基打入設計標高所需總錘擊數(shù)及沉樁過程中樁身最大應力見表4。通過對不同錘型沉樁全過程的分析，可知樁身最大應力隨樁錘額定功率的增加而增大。當采用IHC S-1800時，最大軸向壓應力為124.88 MPa，最大軸向拉應力為 101.19 MPa。根據(jù)美國 API RP2A—WSD 規(guī)范［7］，打樁過程中樁身的動應力不應超過其鋼材屈服強度的80%～90%，即樁身動應力不超過276 MPa，可見本文計算所采用的錘型均滿足規(guī)范要求。由計算結果可知，采用IHC S-1800所需錘擊總次數(shù)為2141擊，采用IHC S-1200所需錘擊總次數(shù)為2840擊，而采用IHC S-900所需錘擊總次數(shù)則多達4087擊。結合對國內同類海上風電工程沉樁的調查研究，施工中建議采用IHC S-1200及以上錘型。

表4 錘擊數(shù)及樁身最大應力

4 結語

以山東某擬建海上風電場所采用樁徑達6 m的超大超長單樁鋼管樁為研究對象，采用GRLWEAP程序模擬了不同錘型下沉樁過程，對沉樁的動力學過程進行了綜合分析評價。采用波動方程分析方法進行沉樁可行性分析對于樁錘的選型可提供準確有效的指導，結果表明，計算所選取的3種錘型均可滿足規(guī)范要求，建議實際工程中采用IHC S-1200及以上錘型；沉樁施工過程中在樁基自重作用下，應通過及時增加錘擊阻力等措施預防溜樁的發(fā)生。