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        海上風(fēng)電大直徑單樁嵌巖施工的溜樁分析及對(duì)策

        2020-09-10 04:01:22張曦謝錦波時(shí)蓓玲王喆王孝健
        中國港灣建設(shè) 2020年9期
        關(guān)鍵詞:板巖孔壁風(fēng)化

        張曦,謝錦波,時(shí)蓓玲,王喆,王孝健

        (中交第三航務(wù)工程局有限公司,上海 200032)

        0 引言

        近年海上風(fēng)電工程在國內(nèi)沿海得到大規(guī)模建設(shè),因受鹽霧腐蝕、波浪荷載、水流荷載及臺(tái)風(fēng)荷載等諸多制約因素影響,施工技術(shù)遠(yuǎn)比陸地風(fēng)電要復(fù)雜[1-2]。目前國內(nèi)外已建及在建海上風(fēng)電場(chǎng)的基礎(chǔ)類型主要有:單樁基礎(chǔ)(打入式、嵌巖式)、高樁承臺(tái)群樁基礎(chǔ)、重力式基礎(chǔ)、三腳架基礎(chǔ)、四樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)、五腳架基礎(chǔ)等[3]。由于單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式簡單,施工速度快,方便快捷,單樁基礎(chǔ)成為一種主流的風(fēng)電基礎(chǔ)形式[4]。海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)的直徑從6 m逐漸發(fā)展到7.8 m,地質(zhì)條件從軟黏土擴(kuò)展到巖基。在海上風(fēng)電單樁嵌巖施工中面臨著樁內(nèi)土體及樁端巖土體掏空而樁體還沒最終形成的臨時(shí)階段,這也是樁體受力最不利的階段,此時(shí)存在較大的溜樁風(fēng)險(xiǎn),一旦產(chǎn)生溜樁將會(huì)對(duì)工期造成較大的影響,使施工成本大幅上升,帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失。

        本文將結(jié)合某海上風(fēng)電工程項(xiàng)目中的嵌巖施工中出現(xiàn)的溜樁問題,開展分析研究,并提出嵌巖施工溜樁問題的應(yīng)對(duì)方法,為今后海上風(fēng)電大直徑單樁嵌巖施工提供技術(shù)支撐。

        1 地質(zhì)情況

        風(fēng)機(jī)所處位置海床面較平緩,海床泥面高程為-18.00~-18.50 m。根據(jù)地質(zhì)時(shí)代、成因、巖性、沉積相變組合、工程特性差異等因素,鉆孔揭露上部覆蓋層自上而下綜合劃分為①、②、⑤、⑥4個(gè)工程地質(zhì)大層,其中⑤層又劃分為2個(gè)亞層。鉆孔揭露基巖巖性為板巖,根據(jù)風(fēng)化程度又劃分為強(qiáng)風(fēng)化與中風(fēng)化。地層分布見圖1。

        圖1 地層分布及風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)示意圖(m)Fig.1 Schematic diagram of stratum distribution and wind turbine foundation(m)

        2 沉樁情況

        風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)示意圖見圖1。樁型為嵌巖鋼管樁,樁長62.5 m,樁徑φ5.5~6.1 m,壁厚為60~70 mm。采用液壓錘進(jìn)行沉樁,沉樁時(shí)打擊能量由小到大,待樁入土一定深度且樁身穩(wěn)定后再適當(dāng)加大打樁能量,遇上較硬的土層時(shí),加大功率進(jìn)行打樁。鋼管樁沉樁至預(yù)設(shè)標(biāo)高-50.5 m后,進(jìn)行嵌巖鉆孔施工。采用DDC PBA1450鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔施工,該鉆機(jī)為鉆機(jī)平臺(tái)一體化,不需要輔助樁,直接通過夾持器套在樁頂上,刀頭采用43 cm(13寸)碟形刀頭。當(dāng)鉆入標(biāo)高-59 m時(shí)發(fā)現(xiàn)塌孔,大量石塊掉落,最大石塊尺寸20 cm,鉆機(jī)無法繼續(xù)鉆進(jìn)。為避免卡鉆,停止鉆進(jìn),提升鉆頭,暫停施工。暫停施工后發(fā)現(xiàn)鋼管樁向下沉入鉆孔內(nèi),溜樁深度約為4.7 m。

        3 溜樁原因分析

        根據(jù)設(shè)計(jì)及實(shí)際施工情況,鋼管樁樁端位于強(qiáng)風(fēng)化板巖上,其下距離中風(fēng)化板巖頂面1.1 m;鋼管樁的樁徑為6.1 m,其內(nèi)的鉆孔灌注樁樁徑為5.4 m,在鉆孔灌注樁成孔后,鋼管樁樁端有厚約35 cm的巖坎,如圖1所示。

        根據(jù)JTS 167-4—2012《港口工程樁基規(guī)范》[5]計(jì)算得出各土層樁外側(cè)阻力值見表1所示,樁外側(cè)總阻力為34 538 kN,樁體系重量為9 735 kN(其中樁體自重613.5 t,鉆機(jī)總重360 t),若樁外側(cè)土體無擾動(dòng)則樁體系重量小于樁外側(cè)阻力,此時(shí)并不會(huì)產(chǎn)生溜樁??鄢?和⑥2側(cè)阻力后的樁外側(cè)阻力為8 740 kN,可見⑤2和⑥2層土體的側(cè)阻力部分或完全消失最終產(chǎn)生的溜樁。根據(jù)鉆孔揭露情況,板巖板理面傾角較陡,在基巖面附近傾角近直立,向下傾角略緩。從鉆孔揭露情況看,巖石裂隙比較發(fā)育。強(qiáng)風(fēng)化板巖呈碎塊、碎板、片狀,按照GB 50287—2016《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》[6]分類圍巖類別為Ⅴ類。中風(fēng)化板巖上部巖芯較破碎,以碎塊、半柱、短柱狀為主,圍巖類別為Ⅳ類,鉆孔埋深49.5 m以下巖芯較完整,巖芯呈10~30 cm柱狀。Ⅴ類圍巖極不穩(wěn)定,圍巖不能自穩(wěn);Ⅳ類圍巖不穩(wěn)定,圍巖自穩(wěn)時(shí)間短。由于樁端位于強(qiáng)風(fēng)化巖石,樁端巖坎巖石條件較差,在鉆孔過程中由于掉塊,巖坎逐漸破壞使樁端脫空失去支撐。同時(shí)強(qiáng)風(fēng)化板巖強(qiáng)度比較低、破碎,成孔后由于卸荷應(yīng)力釋放、機(jī)械破碎及動(dòng)水壓力下,板理面容易張開,加速了巖石的變形破壞。由此可以看出,本工程的溜樁主要原因在于塌孔后產(chǎn)生了一系列的連鎖反應(yīng),灌注樁段鉆孔過程中出現(xiàn)掉塊后塌孔范圍逐漸增大,使樁端脫空,樁側(cè)壁強(qiáng)風(fēng)化巖石也逐步脫落,上部的松散狀的砂卵礫石層和中砂層失去支撐出現(xiàn)塌落擾動(dòng),同時(shí)上部砂卵礫石、中砂層的塌落過程中可能對(duì)樁產(chǎn)生了一定的負(fù)摩阻力,最終發(fā)生了溜樁。

        表1 各土層樁外側(cè)阻力值Table 1 Outside resistance value of pile in each soil layer

        在嵌巖施工中溜樁根本原因是樁側(cè)阻力與端阻力之和小于樁錘體系重量,造成工程溜樁的主要因素是塌孔后產(chǎn)生的連鎖反應(yīng),即塌孔后使樁端上部的巖土體失去支撐出現(xiàn)塌落擾動(dòng),使樁外側(cè)阻力降低或喪失,由此可以看出溜樁的主要原因是塌孔,而造成塌孔(孔壁失穩(wěn))的原因主要包括天然因素和工程因素。

        1)天然因素方面有:原地應(yīng)力、巖石類型及其力學(xué)性質(zhì)、地層的構(gòu)造形態(tài)、黏土礦物的種類和數(shù)量、地層孔隙流體的類型和孔隙壓力等。

        2)工程因素包括:臨空面高度、裸露的時(shí)間、鉆頭對(duì)井壁的刮拉及碰撞、巖體經(jīng)反復(fù)擾動(dòng)后強(qiáng)度降低等。

        孔壁巖石的失穩(wěn)是一個(gè)力學(xué)過程,其實(shí)質(zhì)是孔壁巖石所受應(yīng)力超過了其強(qiáng)度而誘發(fā)失穩(wěn)破壞??妆诜€(wěn)定問題最常發(fā)生的情況包括鉆進(jìn)過程中的孔壁坍塌和地層破裂兩種基本類型[7]。

        處于地層深處的巖石受上覆地層壓力、水平方向地應(yīng)力及地層孔隙壓力的作用,在鉆孔鉆開前,地下巖層處于應(yīng)力平衡狀態(tài),鉆孔鉆開后,破壞了地層的原有應(yīng)力平衡,引起鉆孔周圍應(yīng)力重新分布。從力學(xué)的角度來看,造成孔壁坍塌的原因主要是孔壁周圍巖石所受應(yīng)力超過巖石本身的強(qiáng)度而產(chǎn)生剪切破壞造成的,此時(shí),對(duì)于脆性地層會(huì)產(chǎn)生坍塌掉塊,井徑擴(kuò)大;而對(duì)塑性地層,則向鉆孔內(nèi)產(chǎn)生塑性變形,造成縮徑。

        此外,一些特殊構(gòu)造的巖石也需特別引起注意,如層理狀巖石(板巖)。層理狀巖石在平行于層理面方向和垂直于層理面方向的物理、力學(xué)等性質(zhì)表現(xiàn)出明顯的差異性,這種現(xiàn)象稱為巖石的橫觀各向同性[8]。自然界中橫觀各向同性巖石普遍存在,例如板巖、云母、片麻巖、綠泥石、千枚巖等具有明顯的橫觀各向同性,層理狀的沉積巖和片理狀的變質(zhì)巖均具有明顯的橫觀各向同性。橫觀各向同性是巖石的重要性質(zhì),特別是在鉆孔的穩(wěn)定性方面,相對(duì)于各向同性,橫觀各向同性使得巖石的力學(xué)問題更加復(fù)雜,如果將橫觀各向同性巖石當(dāng)作各向同性處理,則工程設(shè)計(jì)和計(jì)算將會(huì)出現(xiàn)較大的誤差。

        4 溜樁后處理

        本工程溜樁的主要原因在于塌孔后產(chǎn)生了一系列的連鎖反應(yīng),上部的松散狀砂卵礫石層和中砂層失去支撐出現(xiàn)塌落擾動(dòng),造成樁外側(cè)阻力降低,同時(shí)上部砂卵礫石、中砂層在塌落的過程中可能對(duì)樁產(chǎn)生了一定的負(fù)摩阻力,最終發(fā)生了溜樁。經(jīng)計(jì)算分析,采用擠密砂樁對(duì)樁側(cè)土體進(jìn)行加固,以提高樁外側(cè)阻力,保證樁基能夠符合使用期承載力的要求。水下擠密砂樁平面布置示意圖見圖2。

        圖2 水下擠密砂樁平面布置示意圖Fig.2 Plan layout of underwater sand compaction pile

        根據(jù)土層分布及地質(zhì)情況,水下擠密砂樁加固深度為-35.1 m,加固的土體主要為①1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土混砂層和②黏土層,樁長約為14.8 m。水下擠密砂樁采用正方形布置,樁間距為1.8 m,樁徑為1.6 m,置換率為62%,水平范圍為距樁中心約20 m。樁體材料采用中砂、粗砂,最大粒徑不大于50 mm,含泥量不大于5%。

        樁周附近水下擠密砂樁施工采用間隔跳打的方式,防止對(duì)樁周土體的集中擾動(dòng),同時(shí)防止擠土對(duì)樁身影響。水下擠密砂樁打設(shè)完成后清除隆起土,并鋪設(shè)墊層。樁身內(nèi)部先填砂土,在-19.50~-22.50 m高程范圍內(nèi)填充C35微膨脹混凝土。水下擠密砂樁打設(shè)完成后進(jìn)行了標(biāo)貫檢測(cè),經(jīng)測(cè)試標(biāo)貫擊數(shù)大部分處于20~35擊范圍,滿足加固土層內(nèi)摩擦角不小于28°的設(shè)計(jì)要求。

        5 結(jié)語

        本文對(duì)海上風(fēng)電嵌巖樁施工工程中的溜樁問題進(jìn)行了分析研究,為避免海上大直徑嵌巖單樁施工中出現(xiàn)溜樁現(xiàn)象,建議采用“一樁一議”的方式,即對(duì)每根樁分別進(jìn)行打設(shè)前分析評(píng)估、施工過程控制、施工完成后總結(jié),主要為:

        1)打設(shè)前分析評(píng)估:在施工前,根據(jù)場(chǎng)地地質(zhì)條件對(duì)打樁各種工況進(jìn)行驗(yàn)算分析,評(píng)估其穩(wěn)定性,確定其關(guān)鍵參數(shù)(如臨空面高度、裸露時(shí)間等),為施工方案的制定提供依據(jù)。

        2)施工過程控制:施工中會(huì)出現(xiàn)巖土層與勘查時(shí)的土層不一致的現(xiàn)象,因此還需確定土層的變化,重新進(jìn)行評(píng)估,修正相關(guān)參數(shù),以保證施工安全。另外,海上風(fēng)電施工受天氣、海況影響較大,施工作業(yè)窗口期較短,在鉆孔完成后,臨空面不宜長時(shí)間裸露,否則會(huì)造成失穩(wěn)坍塌,因此施工中可考慮在同一窗口期內(nèi)鉆孔完成后及時(shí)完成復(fù)打,以避免塌孔、溜樁。由于V級(jí)圍巖不能自穩(wěn),在V級(jí)圍巖段鉆孔后應(yīng)立即復(fù)打或采用臨時(shí)護(hù)壁措施,以避免塌孔。

        3)針對(duì)成樁垂直度的問題,建議進(jìn)一步研究嵌巖鉆孔垂直度控制的施工措施,并結(jié)合水下成孔垂直度及形狀方面的檢測(cè)技術(shù),進(jìn)一步驗(yàn)證成樁偏斜產(chǎn)生的原因。

        4)施工完成后總結(jié):施工完成后及時(shí)將地質(zhì)資料、設(shè)計(jì)資料、施工過程資料歸納總結(jié),以形成嵌巖樁數(shù)據(jù)庫,積累相關(guān)經(jīng)驗(yàn),為今后的類比分析提供參考。

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