中交第三航務(wù)工程局有限公司廈門(mén)分公司,福建 廈門(mén) 361000
三峽廣東汕頭市南澳洋東海上風(fēng)電項(xiàng)目位于廣東省汕頭市南澳縣東部海域,場(chǎng)址水深28.3~36.6m,臨近周邊的南澳島,間距約15km。樁基是風(fēng)機(jī)施工的關(guān)鍵內(nèi)容,采用D1800試驗(yàn)直樁1根、D800基準(zhǔn)樁2根、D1500基準(zhǔn)樁套筒2根以及D2400錨樁4根。文章以海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)作為應(yīng)用實(shí)例,利用GRLWEAP打樁分析軟件對(duì)樁基是否可打入進(jìn)行了分析,同時(shí),與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比研究。
該項(xiàng)目施工范圍包括導(dǎo)管架基礎(chǔ)鋼管樁沉樁工藝,以及承載力試驗(yàn)和重力式基礎(chǔ)水下擠密砂樁復(fù)合地基試驗(yàn)等。該項(xiàng)目是通過(guò)試樁來(lái)確定風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式的,試樁試驗(yàn)選用兩種結(jié)構(gòu)形式,分別為鋼管樁形式和砂樁基礎(chǔ)。
海上風(fēng)機(jī)建設(shè)環(huán)境復(fù)雜,通常采取樁基的形式,但打設(shè)過(guò)程中易受到地質(zhì)條件的影響,隨之出現(xiàn)難以達(dá)到設(shè)計(jì)貫入深度的情況。對(duì)此,有必要充分考慮樁基的可打入性問(wèn)題,需對(duì)其展開(kāi)全面的分析,從而為樁基施工提供可靠的指導(dǎo)。
勘察結(jié)果顯示,樁尖持力層多為全風(fēng)化花崗巖層,依據(jù)其自身的特征,可選用錘擊法施工,同時(shí),指標(biāo)需要以標(biāo)高為基準(zhǔn)來(lái)控制,通過(guò)貫入度加以檢驗(yàn)。
(1)打樁應(yīng)力。以屈服強(qiáng)度為準(zhǔn),取該值的80%~90%作為允許應(yīng)力,具體控制標(biāo)準(zhǔn)如下:
式中:fa為打樁應(yīng)力,kPa;Fa為允許應(yīng)力,kPa;Fy為屈服強(qiáng)度,MPa。
(2)錘擊控制。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)特點(diǎn),嚴(yán)格控制每0.3m的錘擊數(shù),即需要大于300錘。
海上施工伴有諸多不可預(yù)見(jiàn)因素,施工期間易發(fā)生停錘現(xiàn)象。若因特殊條件而停錘,此時(shí)孔隙水壓力將在短時(shí)間內(nèi)快速消失,土體強(qiáng)度發(fā)生逐步提高的變化趨勢(shì),且土體的側(cè)摩阻力加大,在此條件下若繼續(xù)復(fù)打,將明顯提高打樁難度。對(duì)此,在樁端土阻力逐步提升的條件下,若該值超過(guò)鋼管樁內(nèi)側(cè)摩阻力,此時(shí)需重點(diǎn)考慮增加的樁端面積,根據(jù)此參數(shù)分析土塞情況。具體至此次分析中,僅考慮無(wú)土塞和50%土塞的條件,具體內(nèi)容如表1所示。
表1 工況組合表
在風(fēng)場(chǎng)建筑的初期,需要利用海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)來(lái)觀測(cè)海上風(fēng)場(chǎng)的資源,其建設(shè)的成功與否直接影響到風(fēng)場(chǎng)后期的投資情況。文章針對(duì)某海上石油平臺(tái),估計(jì)并測(cè)算了鋼管樁的沉樁阻力,并針對(duì)實(shí)際情況對(duì)錘型的選擇和作業(yè)流水提出建議;通過(guò)GRIWEAP打樁分析應(yīng)用程序,模擬了指定樁錘環(huán)境中的打樁過(guò)程;通過(guò)CAPWAP打樁分析應(yīng)用程序以及改進(jìn)過(guò)后的波動(dòng)方程,對(duì)近海樁基的可打入性和承載能力進(jìn)行了對(duì)比分析。
(1)數(shù)值計(jì)算結(jié)果。結(jié)合地質(zhì)勘察資料,在此基礎(chǔ)上通過(guò)GRLWEAP軟件展開(kāi)分析,由此明確樁基的可打入情況。具體內(nèi)容如表2所示。①工況1。在入土深度增加的條件下,錘擊數(shù)隨之表現(xiàn)出同步加大的變化趨勢(shì)。若入土深度為58m,此時(shí)所對(duì)應(yīng)的錘擊數(shù)為1908擊,達(dá)到此狀態(tài)后繼續(xù)朝下打樁,直到貫入度達(dá)標(biāo)后才可停錘。當(dāng)樁身的應(yīng)力在屈服應(yīng)力的80%以下時(shí),樁尖均能穿過(guò)中粗砂礫層,隨后再向下延伸,進(jìn)入全風(fēng)化巖層。②工況2。在入土深度增加的條件下,錘擊數(shù)隨之表現(xiàn)出同步加大的變化趨勢(shì)。若入土深度為58m,此時(shí)所對(duì)應(yīng)的錘擊數(shù)為2854擊,達(dá)到此狀態(tài)后繼續(xù)向下打樁,貫入度依然未達(dá)到要求,樁身應(yīng)力≤屈服應(yīng)力的80%。相較于工況1,貫入度相對(duì)更小,對(duì)應(yīng)的錘擊數(shù)增加,壓應(yīng)力有所加大,不利于后續(xù)的打樁作業(yè),具有費(fèi)時(shí)、費(fèi)力的特點(diǎn)??紤]到海上施工條件的復(fù)雜性,應(yīng)盡可能消除內(nèi)外部因素的干擾,以免停錘復(fù)打。③工況3。入土深度增加的條件下,錘擊數(shù)隨之表現(xiàn)出同步加大的變化趨勢(shì)。若入土深度為58m,此時(shí)所對(duì)應(yīng)的錘擊數(shù)為1891擊,達(dá)到此狀態(tài)后繼續(xù)向下打樁,貫入度依然未達(dá)到要求,樁身應(yīng)力≤屈服應(yīng)力的80%,此條件下樁尖可穿過(guò)中粗砂礫層。相較于工況1,無(wú)論是最大拉應(yīng)力還是壓應(yīng)力都表現(xiàn)出略有增加的變化趨勢(shì),未出現(xiàn)明顯的土塞效應(yīng)。
表2 打樁分析結(jié)果
(2)理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)記錄對(duì)比。打樁船的型號(hào)需要參照實(shí)際的作業(yè)環(huán)境來(lái)確定,該項(xiàng)目選用“浙樁#8”型打樁船,配套使用D138開(kāi)口柴油錘,按照起樁→立樁→插樁→錘擊→停錘→下一根樁起樁→……→搭設(shè)圍囹的方式有序施工。該工程使用開(kāi)口鋼管樁,通過(guò)錘擊法有序?qū)⒏鳂妒┕さ轿?。正常施工條件下,每樁錘擊時(shí)間約35~40min。以入土深度為53.7m的樁為例,采集施工期間的各項(xiàng)數(shù)據(jù),整理后繪制成圖。根據(jù)所給內(nèi)容可知,總錘擊數(shù)約1655擊,相較于實(shí)測(cè)記錄的1562擊而言略有提高,兩者產(chǎn)生的誤差在6%以下,此現(xiàn)象的成因在于土層的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值預(yù)估存在偏差。此外,貫入度也超過(guò)實(shí)測(cè)值。調(diào)節(jié)參數(shù),在側(cè)摩阻系數(shù)和端阻系數(shù)維持不變的條件下,減小極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值(變化量為40kPa下降至30kPa),此時(shí)取得的各項(xiàng)數(shù)值分析結(jié)果無(wú)明顯差異。軟件分析的結(jié)果雖然與實(shí)測(cè)值之間存在差異,但相差幅度相對(duì)較小,數(shù)值分析的方式具有可行性。通過(guò)數(shù)值分析后,得知樁基具有可打入性,能夠達(dá)到設(shè)計(jì)深度要求,并且總錘擊數(shù)略有增大。多方面因素均會(huì)對(duì)分析結(jié)果帶來(lái)影響,但由于作用機(jī)制具有差異性,極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值和側(cè)摩擦系數(shù)兩項(xiàng)參數(shù)所帶來(lái)的影響更為明顯,需要適當(dāng)降低側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值,以達(dá)到提高結(jié)果準(zhǔn)確性的效果。
(3)樁基加固工程施工。①樁基測(cè)量。沉樁期間加強(qiáng)檢測(cè),以便掌握鋼管樁的實(shí)際情況,如樁頂標(biāo)高、平面位置、樁的傾斜度,并根據(jù)樁基的情況依次編號(hào),完整記錄各項(xiàng)數(shù)據(jù)。按照如下方法測(cè)量:將導(dǎo)向架安裝到位即可進(jìn)入沉樁環(huán)節(jié),及時(shí)檢測(cè)樁頂與導(dǎo)向架頂面的位置關(guān)系,在兩者間距縮小至1m時(shí),及時(shí)撤除液壓錘,通過(guò)GPS系統(tǒng)檢測(cè),以便獲得樁頂?shù)钠矫嫖恢?,并完整記錄檢測(cè)所得的結(jié)果,由此求得設(shè)計(jì)標(biāo)高處的位置信息,即坐標(biāo)和傾斜度。②工作鋼平臺(tái)、預(yù)埋件等相關(guān)構(gòu)件都提前預(yù)制成型,再轉(zhuǎn)入現(xiàn)場(chǎng)拼裝成整體。配置1000t平板駁設(shè)備,在其作用下將樁基加固結(jié)構(gòu)導(dǎo)管等相關(guān)裝置轉(zhuǎn)運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng),利用1000t起重船有序安裝到位。樁基加固導(dǎo)管架施工后,該處與錨樁將形成環(huán)形空間,對(duì)其采取灌漿處理措施,以便構(gòu)成穩(wěn)定的整體結(jié)構(gòu)。
該工程中,水下擠密砂樁采用正方形布置,樁徑為1.6m,間距為1.8m,樁長(zhǎng)為8m,數(shù)量為100根,面積置換率為62%,總用砂量為1609m3。施工內(nèi)容包含水下擠密砂樁施工,錨樁及基準(zhǔn)樁施工,試驗(yàn)平臺(tái)及荷載板的建造、安裝,試樁試驗(yàn)等。作業(yè)過(guò)程中要嚴(yán)格按照以下要求進(jìn)行。
(1)在進(jìn)行拔管排砂時(shí),要利用砂面監(jiān)控器,對(duì)剩余砂量的高度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,保障剩余的高度至少在3~5m,當(dāng)剩余量在該數(shù)值之下時(shí),為了避免管外軟土在排氣加砂時(shí)因水(土)壓的作用而出現(xiàn)回灌,要立刻停止上拔,開(kāi)始加砂。
(2)因?yàn)樗戮植康貐^(qū)存在擠密砂樁的上部入土較淺、周圍土壓小的現(xiàn)象,所以為了避免管內(nèi)砂在高壓作用下被完全沖出而使水下擠密砂樁斷折,在回打時(shí),要盡量降低管內(nèi)壓力。當(dāng)在距離樁頂1~2m作業(yè)時(shí),要盡可能減小成樁高度,確保頂部的密實(shí)度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。
(3)在沉管至該土層時(shí),要減小管內(nèi)壓力,同時(shí)減緩沉管速度,以便順利穿透土層。若首次難以穿透,則加壓拔管,離開(kāi)該土層2~3m,然后再減壓沉管,如此重復(fù),直至穿透該土層為止。若在該土層沉管時(shí),振動(dòng)錘電流接近額定電流且噸位計(jì)數(shù)值小于15t,則暫停沉管,以防設(shè)備損壞。同時(shí),在該土層回打擴(kuò)徑時(shí),若連續(xù)1min回打速率小于0.2m/min,可停止擴(kuò)徑。
(4)移船定位的平面偏差最多為±250mm,當(dāng)樁管入泥面之后,若發(fā)現(xiàn)該平面偏差在允許誤差之外,尤其是在急漲、落潮時(shí)期,要立即對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。此外,為了更好地把控平面偏差,還需要根據(jù)船舶的實(shí)際定位情況,定期對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。
綜上所述,文章根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件確定了多種工況組合,分別對(duì)樁基的可打入性展開(kāi)分析。從所得結(jié)果來(lái)看,海上施工期間的干擾因素較多,應(yīng)盡可能避免停錘復(fù)打現(xiàn)象。同時(shí),要通過(guò)與實(shí)測(cè)值對(duì)比,根據(jù)所得結(jié)果合理優(yōu)化參數(shù),從而為樁基的可打入性分析提供可靠的依據(jù)。