官明開，周莉莉，江 波

（上?？睖y設計研究院有限公司，上海 200335）

樁基礎是我國海上風電工程中使用最廣泛的基礎型式之一，鋼管樁沉樁是樁基施工過程中的關鍵作業(yè)。在福建沿海區(qū)域，覆蓋層起伏劇烈，常伴有淤泥及碎石夾層，強風化層深厚，為鋼管樁的沉樁帶來諸多的困難。在該地區(qū)海上風機樁基礎的沉樁過程中，鋼管樁沉樁不到位或樁底卷邊，是實際工程中棘手而又普遍存在的難題。沉樁施工前，相對準確的樁基可打性分析對沉樁具有重要的指導意義，并對樁長的設計具有積極的參考價值[1]。基于Smith 波動方程理論的GRLWEAP 軟件對打樁情況的模擬具有良好的效果，在海上風電工程中得到了廣泛的應用。GRLWEAP 軟件進行可打性分析時，土層承載力參數(shù)的取值對模擬結(jié)果具有較大影響[2]。GRLWEAP 提供了多種土層承載力分析方法，在我國海上風電工程領域普遍使用的是美國石油協(xié) 會 標 準（American Petroleum Institute，API）與標準貫入試驗N 值（Standard Penetration Test N-Values，SA）分析法。這兩種分析方法均以地勘試驗參考值為依據(jù)對鋼管樁的側(cè)阻及端阻阻力值進行給定。

在樁基可打性分析中，樁錘能量直接影響著計算錘擊數(shù)[3]，隨著鋼管樁的持續(xù)貫入，樁側(cè)摩阻系數(shù)不是一層不變的，而是隨著貫入深度的增加而變化[4]，通過對樁側(cè)摩阻系數(shù)及端阻系數(shù)的調(diào)節(jié)，可有效地優(yōu)化計算結(jié)果[2]。API 及SA 這兩種土層分析方法在樁基可打性分析中使用廣泛，兩者在計算結(jié)果上具有較大差別，尤其對于福建地區(qū)特殊的地質(zhì)條件，這兩種方法在該地區(qū)的適應性及計算準確度尚缺少相關的研究與驗證。

本文以福建某海上風電場實際沉樁情況為依據(jù)，基于GRLWEAP 對API 和SA 土層分析方法進行了模擬計算，與實際沉樁結(jié)果進行對比，分析兩種方法在該地區(qū)的適應性及計算準確度，通過對計算結(jié)果進行分析比較，進一步對模型參數(shù)進行優(yōu)化，相應地引入折減與擴大系數(shù)，以更加適應該地區(qū)獨特的地質(zhì)條件。同時，對優(yōu)化后的模型進行了驗證。驗證結(jié)果表明，參數(shù)優(yōu)化后的計算模型對于福建地區(qū)獨特的地質(zhì)條件具有更好的計算效果，與實際沉樁情況相對更加接近，為該地區(qū)沉樁可打性分析提供較好的參考意義。

1 研究方法

本文采用GRLWEAP 軟件根據(jù)福建地區(qū)某海上風電場地質(zhì)勘查結(jié)果，設置不同工況，進行樁基可打性分析，以驗證API 和SA 分析方法在該地區(qū)的適用情況。GRLWEAP 基于Smith 一維波動方程理論，具有良好的計算效果。

1. 1 波動方程理論

1865 年Saint Venant[5]首次提出了一維波動方程，在工程領域得到了廣泛的應用，Isaacs 于1931 年通過一維波動方程對樁錘與樁身的碰撞問題進行了描述，指出沉樁過程可視為應力波在樁身內(nèi)的傳播過程，并在Saint Venant 一維波動方程的基礎上引入樁周土阻力參數(shù)R[6]，得到：

式中：式中：x為樁截面的坐標；u為截面X處質(zhì)點的豎向位移；t為時間；c為應力波在樁身內(nèi)的傳播速度；R為樁身土阻力參數(shù)。其中；E，ρ分別為樁體的彈性模量和密度；R為樁身土阻力參數(shù)。

1960 年，Smith E A L[7]提出了使用差分法對波動方程進行求解，基于土阻力模型以及各種假設，推導出了5 個基本差分方程，如下：

式中：d為錘芯位移；v為錘芯速度；c為彈簧的壓縮量；F為彈簧的作用力；R為土體阻力；g為重力加速度；W為樁單元質(zhì)量；上標n表示時間間隔的序號；下標m表示錘芯、彈簧和作用在樁單元上土體阻力的序號。

通過對差分方程的迭代計算，可計算出樁身應力波的傳播情況。

1. 2 模型設置

本文依據(jù)福建某海上風電場沉樁實際情況進行模型計算分析，以下為模型的基本參數(shù)情況：

1. 2. 1 鋼管樁模型 鋼管樁長63 m，樁徑1.9 m，壁厚28 mm，樁尖設有加強段，加強段壁厚40 mm，沉樁為斜度6:1 的斜樁，設計入泥深度42 m。

1. 2. 2 樁錘模型 根據(jù)實際施工情況，選用IHC S800液壓沖擊錘，錘型參數(shù)如表1 所示。

表1 IHC S800 錘型參數(shù)

1. 2. 3 土阻尼參數(shù)選取 本模型土阻尼參數(shù)值參照表2，并結(jié)合具體樁位情況進行選取。

表2 土阻尼參數(shù)參考值

1. 2. 4 土塞作用的考慮 在動力沉樁過程中，土塞效應對樁的貫入過程具有一定的影響，對于較大直徑鋼管樁，土塞的不完全閉塞效應計入沉樁分析過程[8-11]，本文模型樁端阻塞面積選取了10%～30%的樁端面積作為不完全閉塞效應參數(shù)進行考慮。

1. 2. 5 恢復系數(shù)的選取 針對打樁過程中土阻力恢復情況，模型根據(jù)GRLWEAP 給出的建議值進行選取，恢復系數(shù)（Setup Factor）取值參照表3。

表3 恢復系數(shù)參考值

1. 3 地質(zhì)概況

該場區(qū)覆蓋層主要為淤泥、粘土及中砂，覆蓋層起伏較大，部分地區(qū)存在淤泥夾層及碎石夾層，散體狀強風化層深厚，基礎樁持力層主要為散體狀強風化花崗巖。各土層基本信息如表4所示。

表4 土層基本參數(shù)

1. 4 工況設置

根據(jù)GRLWEAP 提供的土層參數(shù)分析方法，設置了API 分析工況與SA 分析工況，以驗證兩種分析方法在本地區(qū)的適用情況及準確度，土層參數(shù)通過地勘靜力學試驗推薦值給定。

兩種工況條件下，計算模型所采用的樁、錘、及土阻尼等參數(shù)情況一致；土層物理力學參數(shù)則根據(jù)實際地勘結(jié)果，分別對API 及SA 兩種分析方法給定相應的參數(shù)。

2 樁基可打性分析計算

2. 1 計算結(jié)果分析

現(xiàn)場沉樁施工過程中，樁身應力、沉樁貫入度及錘擊數(shù)是現(xiàn)場關注的關鍵參數(shù)。在國內(nèi)風電工程沉樁施工過程中，樁身應力、貫入度及錘擊數(shù)是判斷停錘結(jié)束沉樁的重要因素，因而計算結(jié)果的分析將重點關注這3 個關鍵參數(shù)。對API 工況和SA 工況分別進行計算，對沉樁過程中的應力及貫入度、錘擊數(shù)情況進行分析。

2. 1. 1 沉樁過程應力情況 兩種工況條件下沉樁應力及能量變化情況見圖1 和圖2。在API 與SA工況下，鋼管樁沉樁到設計標高時，樁身最大拉應力分別為92.7 MPa 和97.0 MPa，最大壓應力分別為225.4 MPa 和225.7 MPa。兩種工況下，最大拉應力均出現(xiàn)在沉樁初期階段，此時樁尖進入中粗砂層；隨著鋼管樁的持續(xù)貫入，拉應力逐漸減小；在覆蓋層，減小趨勢相較于樁尖進入強風化層后更加明顯。兩種工況下，最大壓應力均出現(xiàn)在沉樁末期階段，此時錘擊能量最大；壓應力變化趨勢與拉應力截然不同，鋼管樁壓應力在覆蓋層階段變化趨于平緩，在進入強風化層后，隨著沉樁能量的增加，壓應力增加明顯。在沉樁末期，樁尖進入散體狀強風化層底部，接近碎裂狀強風化層，沉樁能量達到了600 kJ，兩種工況條件下壓應力均達到了最大值。

圖1 API 工況下沉樁應力及能量變化

圖2 SA 工況下沉樁應力及能量變化

對兩種工況下計算結(jié)果進行比較，見圖3。從圖3 可看出，兩種分析方法對沉樁應力的模擬結(jié)果整體趨于一致。在拉應力方面，SA 工況計算結(jié)果相較API 工況偏大，但整體變化趨勢基本一致；在壓應力方面，兩種工況計算結(jié)果的數(shù)值大小與變化趨勢均趨于一致。

綜上，兩種工況條件下，分析方法的區(qū)別對于沉樁應力的計算影響相對較小，影響沉樁應力變化的主要因素是錘擊能量及土層條件。

圖3 API、SA 工況下沉樁應力及能量變化

2. 1. 2 沉樁過程貫入度、錘擊數(shù)情況 兩種工況條件下的終錘貫入度及錘擊數(shù)計算結(jié)果見表5。在API 工況下，鋼管樁沉樁到設計標高時，計算錘擊數(shù)為1 287，終錘貫入度為15.1 mm/擊；在SA 工況下，鋼管樁沉樁到設計標高時，計算錘擊數(shù)為876，終錘貫入度為19.3 mm/擊。實際沉樁情況，錘擊數(shù)為1 254，終錘貫入度為6 mm/擊。

表5 兩種工況下貫入度、錘擊數(shù)計算結(jié)果及實際情況

由此可見，在錘擊數(shù)方面，API 工況相較于SA 工況更接近實際情況，與實際值基本一致；但在終錘貫入度方面，兩種工況與實際情況相比均有一定偏差，但API 工況相對更加接近實際情況。具體沉樁過程中貫入度變化情況見圖4。

圖4 計算及實際貫入度變化

由圖4 可看出，在實際的沉樁過程中，當鋼管樁在覆蓋層時，貫入度較大，隨著樁身的持續(xù)貫入，貫入度下降迅速。在鋼管樁入泥約32 m 后，此時鋼管樁樁尖進入到全風化層與強風化層交界區(qū)，貫入度維持在18 mm/擊左右。在樁尖入泥38 m 后，此時樁尖進入強風化層約3 m，貫入度急速下降，并維持在7 mm/擊左右。從API 和SA 兩種工況計算結(jié)果看，在覆蓋層階段，API 工況計算貫入度相較于實際貫入度偏小，而SA 工況則偏大，但整體上SA 工況結(jié)果更接近實際情況；在進入基巖層后，API 工況與SA 工況相較于實際情況，貫入度均不同程度偏大，但前者更加接近實際情況。

從整體計算結(jié)果來看，對于樁尖進入強風化層一定深度后，與實際情況相比，兩種工況均未出現(xiàn)貫入度明顯的減小過程。原因主要有：首先，在給定模型土層參數(shù)信息時，整個強風化層的側(cè)阻值為一個特定建議值，實際隨著沉樁深度的增加，同一土層的側(cè)阻值并不是一個特定值，尤其對于福建沿海地區(qū)深厚的強風化基巖地質(zhì)條件而言，側(cè)阻值將隨著沉樁深度的增加而增大；其次，模型給定的側(cè)阻推薦值是單側(cè)側(cè)阻值，在樁身進入強風化層以后，樁尖的貫入對周圍土層的擾動影響相比覆蓋層要小，此時應當考慮樁身內(nèi)外兩側(cè)土體的共同影響。

在海上沉樁施工中，判斷是否停錘的依據(jù)更多的是終錘貫入度及錘擊數(shù)，從兩種工況計算結(jié)果來看，綜合貫入度（尤其是進入基巖后的貫入度）、錘擊數(shù)情況，API 工況相較于SA 工況準確度更接近實際情況，具有更好的模擬效果。

2. 2 模型參數(shù)優(yōu)化

選擇模擬效果更接近實際情況的API 工況，針對鋼管樁在覆蓋層貫入度偏小，而在強風化層貫入度偏大的情況，進行參數(shù)的調(diào)整優(yōu)化。本工程中，覆蓋層以中砂層為主，且砂層純凈度相比其它地區(qū)偏低，砂層常混雜有淤泥，這在實際沉樁過程中容易出現(xiàn)實際貫入度相比計算值要偏大的情況；基巖層以散體狀強風化層為主，強風化層深厚，地勘給定側(cè)阻值為固定的單側(cè)值，在實際沉樁過程中出現(xiàn)實際貫入度比計算值偏小情況。

針對以上偏差情況，對深厚強風化層側(cè)阻值進行分層插值，并對覆蓋層與強風化層的側(cè)阻值分別引入折減、擴大系數(shù)。通過多種組合系數(shù)的試算，當覆蓋層側(cè)阻值折減系數(shù)為0.8，強風化層側(cè)阻值擴大系數(shù)為1.5 時，計算結(jié)果與實際情況更為接近。優(yōu)化后的計算貫入度及變化情況如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后計算及實際貫入度變化

從圖中可看出，在覆蓋層階段，優(yōu)化后的計算貫入度更接近實際值。經(jīng)過對強風化基巖層側(cè)阻值的插值及擴大系數(shù)的引入，整體貫入度變化趨勢也更加接近實際情況。在實際沉樁過程中，對于停錘情況的判定，終錘貫入度是重要的度量因素。優(yōu)化后的計算終錘貫入度8.6 mm/擊相較優(yōu)化前的15.1 mm/擊有了明顯的改善，與實際的6 mm/擊更加接近。

2. 3 優(yōu)化結(jié)果驗證

進一步選取了場區(qū)另外2 個機位A、B 進行計算，計算結(jié)果分別如圖6 和圖7 所示：

圖6 A 機位計算及實際貫入度變化

圖7 B 機位計算及實際貫入度變化

從圖6 和圖7 中可以看出，模型進行參數(shù)優(yōu)化后，模擬結(jié)果良好。A 機位計算錘擊數(shù)為1 340，實際錘擊數(shù)為1 328，計算終錘貫入度為7 mm/擊，實際終錘貫入度為6 mm/擊；B 機位計算錘擊數(shù)為738，實際錘擊數(shù)為754，計算終錘貫入度為7 mm/擊，實際終錘貫入度為5 mm/擊。

表6 A、B 機位貫入度、錘擊數(shù)計算結(jié)果及實際情況

通過Allen J I 在2007 年提出的模型誤差分析方法及標準[12]來評估優(yōu)化后模型的計算精度，公式如下：

式中：SS 為模型精度參數(shù)；Xmol為模型計算值；Xobs為實測值；為實測值的平均值。模型精確度標準為：SS ＞0.65 為很好，0.5≤SS ≤0.65 為好，0.2≤ SS ＜0.5 為較好，SS ＜0.2 為差。

通過計算，優(yōu)化后的計算模型對A、B 機位的計算結(jié)果精度參數(shù)SS 分別為0.91 和0.88。因此，優(yōu)化后的計算模型具有良好的計算精度。

3 結(jié) 論

針對國內(nèi)海上風電工程樁基可打性分析計算過程中，缺少對主流分析方法的計算結(jié)果驗證情況，本文對國內(nèi)常用的API 及SA 土層分析方法進行了計算驗證，此外，對福建地區(qū)復雜地質(zhì)條件下可打性計算普遍存在的偏差情況進行了參數(shù)優(yōu)化，得到以下結(jié)論：

（1）API方法與SA方法在樁基可打性分析中，兩種方法在沉樁應力方面的模擬結(jié)果是趨于一致的，影響沉樁過程中樁身應力的主要因素為沉樁能量大小及土層條件。

（2）在錘擊數(shù)方面，API 方法相比SA 方法，具有更好的準確度，更加接近實際情況，SA 分析方法結(jié)果偏于理想。在貫入度方面，在覆蓋層階段，SA 分析方法模擬結(jié)果更接近實際值；而在基巖層，API 方法具有更好的模擬效果。但兩者對于樁尖進入強風化層一定深度后，貫入度均有不同程度的偏大。整體而言，API 分析方法在福建地區(qū)地質(zhì)條件下，更具適應性。

（3）對API 方法計算貫入度的偏差情況進行優(yōu)化，在覆蓋層引入側(cè)阻折減系數(shù)0.8，對強風化基巖層進行分層插值并引入擴大系數(shù)1.5，參數(shù)優(yōu)化后計算結(jié)果更加接近實際情況。進一步對該場區(qū)A、B 機位進行可打性計算，對優(yōu)化后的模型進行驗證。驗證結(jié)果表明，參數(shù)優(yōu)化后的模型在福建地區(qū)特殊地質(zhì)條件下，樁基可打性計算結(jié)果具有良好的計算精度，對實際沉樁更具參考意義。

對于福建地區(qū)的特殊地質(zhì)情況，本文進行了相應的方法驗證及參數(shù)優(yōu)化，而對于其它地質(zhì)條件下的計算情況，仍有待進一步的研究驗證。樁基貫入是一個動態(tài)變化過程，除土層分析方法、端阻與側(cè)阻外，存在著眾多影響因素。對各影響因數(shù)的敏感性分析，對可打性分析的計算優(yōu)化將具有積極的研究與實際意義。