王 華，孫洋波，孟 歡，曹勝敏

(1.上海港灣工程質(zhì)量檢測有限公司，上海 201315；2.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300220)

引言

目前海上風(fēng)電的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)類型主要有：重力式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、高樁承臺基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、吸力錨基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。其中重力式基礎(chǔ)安裝簡便、投資成本低，但是整體體積和質(zhì)量較大，而且對施工區(qū)域的水深和地質(zhì)有一定的限制。[1-2]某海上風(fēng)電項(xiàng)目位于某島東部約15 km 的海域、水深28.3～36.6 m，因所處場地軟土厚度12.30～ 13.30 m 下伏基巖，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式采用砂樁復(fù)合地基的重力式基礎(chǔ)。

對淤泥質(zhì)的海床，可通過水下擠密砂樁加固為建造重力式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)創(chuàng)造條件。水下擠密砂樁加固軟弱地基，可快速提高地基承載力，推進(jìn)施工進(jìn)程縮短工期，減小工后地基沉降或不均勻沉降。在覆蓋層十幾米內(nèi)的海床地基上通過水下擠密砂樁加固采用重力式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，在控制風(fēng)機(jī)垂直度和經(jīng)濟(jì)性方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。[3～7]然而關(guān)于水下擠密砂樁復(fù)合地基的承載力和變形特性，精確的計(jì)算還存在較大的困難，在設(shè)計(jì)理論、施工參數(shù)、質(zhì)量控制及承載力檢測方法等存在不確定性，需要通過現(xiàn)場載荷試驗(yàn)確定水下擠密砂樁復(fù)合地基提高的天然地基的承載力和變形等特性的數(shù)值，為完善以后的設(shè)計(jì)理論和施工工藝等提供參考。[8～11]

水下擠密砂樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)在國內(nèi)較為少見，目前僅在洋山深水港區(qū)三期臨時碼頭接岸工程和港珠澳大橋人工島防波堤工程等進(jìn)行了試驗(yàn)，但這些試驗(yàn)最大水深約15.0 m，而該風(fēng)電項(xiàng)目載荷試驗(yàn)水深達(dá)33.77 m，為目前國內(nèi)水深較大的水下復(fù)合地基載荷試驗(yàn)。深水荷載試驗(yàn)除了需克服惡劣的環(huán)境條件、搭設(shè)平穩(wěn)牢固的深水域試驗(yàn)平臺等，關(guān)鍵還需保證傳力桿穩(wěn)定特性。本次深水域試驗(yàn)需要較長的傳力桿方可將試驗(yàn)平臺上部千斤頂施加的荷載傳遞至復(fù)合地基上的荷載板，作為細(xì)長桿件的傳力桿厚徑比較小、水中及水面以上均為自由段，且海洋環(huán)境復(fù)雜，在較大試驗(yàn)荷載及風(fēng)浪荷載組合作用下傳力桿的壓彎穩(wěn)定性驗(yàn)算至關(guān)重要，根據(jù)驗(yàn)算情況采取針對性的改善傳力桿穩(wěn)定性的措施對試驗(yàn)的成敗至關(guān)重要。

1 地質(zhì)概況

擠密砂樁加固范圍內(nèi)地基土均為第四系松散堆積物，地貌類型為水下淤泥質(zhì)淺灘，總體水下地形較為平坦，場地穩(wěn)定性較好。泥面標(biāo)高為-32.11 m左右，淺部軟土厚度一般在12.30～13.30 m，中、上部地層以砂性土夾粘性土為主，下部以軟塑狀粘性土夾粉土為主，力學(xué)強(qiáng)度較低，地基穩(wěn)定性一般。按自上而下順序依次為①層砂混淤泥質(zhì)土以粗、礫砂為主，厚度0.60～1.10 m；②層粉質(zhì)粘土夾砂呈軟塑（局部呈流塑）狀、厚度3.90～7.20 m；④層粉質(zhì)粘土呈可塑（局部呈硬塑）狀、厚度1.40～ 2.20 m；⑥層粘土呈軟可塑-可塑狀、厚度2.40～ 3.40 m；⑧層中粗砂密實(shí)、厚度 0.50～2.70 m；層混合花崗巖、依據(jù)風(fēng)化程度和實(shí)測標(biāo)貫擊數(shù)劃分為全風(fēng)化混合花崗巖層、碎屑狀強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖層和碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖層三個亞層。圖1 為水下擠密砂樁加固斷面示意圖。

圖1 水下擠密砂樁加固斷面示意圖

2 水下擠密砂樁載荷試驗(yàn)

某海上風(fēng)電項(xiàng)目位于距某島約15 km 的海域，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)根據(jù)地質(zhì)情況采用混凝土重力式形式，區(qū)域軟土覆蓋層為第四系松散堆積物、厚度為12.30～13.30 m，中、上部地層以砂性土夾粘性土為主，下部以軟塑狀粘性土夾粉土為主，力學(xué)強(qiáng)度較低，采用水下擠密砂樁加固。該海上風(fēng)電項(xiàng)目采用的水下擠密砂樁直徑1.6 m，樁中心間距1.8m，呈正方形布置，面積置換率62 %。砂樁荷載試驗(yàn)區(qū)域靠近F12-2 鉆孔，樁頂標(biāo)高-32.11 m、樁底標(biāo)高-43.71 m，樁長約11.6 m，砂樁頂面鋪設(shè)100～150 mm 砂墊層找平。

砂樁復(fù)合地基荷載試驗(yàn)采用錨樁反力法進(jìn)行。荷載板尺寸為3.6 m×3.6 m，荷載板覆蓋具有代表性的4 根砂樁，反力系統(tǒng)主要由4 根錨樁和魚腹梁提供反力，試驗(yàn)基準(zhǔn)梁架設(shè)在2 根基準(zhǔn)樁上，其中基準(zhǔn)樁打入砂樁加固層以下、達(dá)到在加載過程中基準(zhǔn)樁不受地基沉降和外界船只等的影響，荷載板試驗(yàn)平面布置圖見圖2。

圖2 荷載板試驗(yàn)平面布置示意圖

本荷載試驗(yàn)的荷載板位于水下約30 m 深度處，沉降觀測系統(tǒng)通過在荷載板四個角點(diǎn)預(yù)埋沉降桿引出到試驗(yàn)平臺上，在基準(zhǔn)系統(tǒng)上對稱布置4 只位移傳感器，由RS-JYC 測試儀自動測讀（量測精度為0.01 mm），并取其平均值為載荷板的沉降量，荷載板四個角點(diǎn)上量測位移的沉降桿與傳力桿每間隔2 m 通過套環(huán)和型槽鋼連接一道，以保證其剛度，減少立桿平面位移。

由設(shè)計(jì)資料顯示該試驗(yàn)復(fù)合地基承載力特征值預(yù)估值為400 kPa，極限荷載預(yù)估值為800 kPa。載荷板面積3.6 m×3.6 m，則達(dá)到承載力特征值預(yù)估值需要的加載量為5 184 kN，達(dá)到極限承載需要的加載量為10 368 kN。加載系統(tǒng)主要由6 臺5 000 kN油壓千斤頂、70 MPa 高壓油泵和高壓油路系統(tǒng)及經(jīng)標(biāo)定合格的精密油壓表組成。加載方式采用慢速維持荷載法，按最大加載量為10 368 kN 按10 級進(jìn)行分級加載，加載至最大加載量后逐級卸載，卸載至0 且穩(wěn)定后，測讀殘余沉降量；維持荷載測試階段荷載1 h 加至400 kPa 維持荷載，并維持231 h（原計(jì)劃維持30 d、后因現(xiàn)場原因被迫停止），維持荷載期間每30 min 測讀一次荷載板位移。

為監(jiān)測加載過程中樁土壓力分布情況，結(jié)合砂樁的位置，試驗(yàn)前在載荷板下埋設(shè)了9 只TCP 型振弦式土壓力計(jì)，量程為 2.5 MPa，測量精度為 ±2.5 kPa，土壓力計(jì)布置圖見圖3。土壓力計(jì)電纜及測頭經(jīng)密封處理并通過混凝土中預(yù)埋的PVC 管引到荷載板頂面，再引至測試平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在荷載試驗(yàn)過程中，每次加載或卸載后，立即采用ADL-2000 型自動記錄儀對土壓力計(jì)采集數(shù)據(jù)，每級荷載維持中每隔半小時進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集。

圖3 土壓力計(jì)布置示意圖

3 傳力桿穩(wěn)定驗(yàn)算

本次試驗(yàn)水域泥面高程-32.11 m、設(shè)計(jì)高潮位 1.66 m、平均水深達(dá)33.77 m，考慮水位、風(fēng)浪及需維持荷載30 d 等的因素試驗(yàn)平臺頂高程為10.0 m。試驗(yàn)平臺采用單層型鋼結(jié)構(gòu)，平臺長和寬均為 12 m，圖4 為試驗(yàn)平臺平面示意圖。載荷板和傳力桿加工為一體安裝就位，傳力桿頂高程11 m、長41.65 m，傳力桿為φ1 500 mm、壁厚δ30 mm 的鋼管樁，在高程+4.0 m、-8.5 m 和-22 m 設(shè)置了3 道水平限位構(gòu)件。本次試驗(yàn)最大加載量達(dá)10 368 kN，具有水深較大、荷載較大和傳力桿較長等特點(diǎn)，試驗(yàn)過程中傳力桿在試驗(yàn)荷載作用下的軸向受壓穩(wěn)定性及在試驗(yàn)荷載與風(fēng)浪荷載組合作用下的壓彎穩(wěn)定性是影響試驗(yàn)成功與否的關(guān)鍵性因素。

圖4 試驗(yàn)平臺示意圖

3.1 傳力桿壓屈穩(wěn)定的影響因素

本次試驗(yàn)采用的傳力桿長細(xì)比為27.8，在試驗(yàn)過程中屬于細(xì)長桿件受力。試驗(yàn)方案中傳力桿穩(wěn)定性驗(yàn)算時主要考慮以下影響因素。

1）傳力桿兩端約束條件，當(dāng)桿頂與桿端的約束程度越強(qiáng)，傳力桿越不容易發(fā)生壓曲，且傳力桿的壓曲計(jì)算長度也會變小，其壓曲臨界荷載越大，傳力桿越穩(wěn)定，不容易出現(xiàn)屈曲破壞。試驗(yàn)時桿頂及反力梁底部與千斤頂中間放置兩個直徑φ2 200 mm、高0.42 m 的大圓盤，以以加強(qiáng)桿端的約束牢固性并使試驗(yàn)荷載均勻地施加到傳力桿上。傳力桿底端固定到尺寸為3.6 m×3.6 m 荷載板上，為剛性連接、在試驗(yàn)過程中可視為固定端。

2）傳力桿自身的影響，主要包括材料及截面形狀。由歐拉公式確定的臨界應(yīng)力σcr與材料的彈性模量E 成正比，選E 值大的材料，可提高傳力桿的穩(wěn)定性，故本次試驗(yàn)采用鋼管樁作為傳力桿。試驗(yàn)過程中傳力桿頂部與底部視為各縱向平面內(nèi)的約束情況相同，為了充分發(fā)揮傳力桿的抗失穩(wěn)能力，使傳力桿在任一縱向平面內(nèi)的柔度λ相等或接近相等，這樣在各個方向就具有相等或接近相等的穩(wěn)定性，故選擇環(huán)形截面的鋼管樁是比較合理的。

3）改善約束條件，一般說來增加傳力桿的約束，使其不容易發(fā)生彎曲變形，也可以提高傳力桿的穩(wěn)定性。本次試驗(yàn)除了盡可能改善桿頂與桿底的約束條件外，同時在高程+4.0 m、-8.5 m 和-22 m 設(shè)置了3 道水平限位構(gòu)件。限位構(gòu)件一端焊接在傳力桿上、一端焊接在直徑φ2 600 mm 的套在錨樁的抱箍上，以限制傳力桿在水平方向的變位，但可在豎向自由運(yùn)動，圖5 為水平限位構(gòu)件示意圖?？紤]水平限位的約束作用，在偏于安全的情況下在穩(wěn)定性計(jì)算時傳力桿的計(jì)算長度可取桿底至+4 m 高程約束的距離，傳力桿計(jì)算長度降低至35 m。

圖5 水平限位構(gòu)件示意圖

3.2 傳力桿壓屈穩(wěn)定驗(yàn)算

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50017-2017）[12]，對于圓形截面的鋼構(gòu)件傳力桿的穩(wěn)定性可按式（1）進(jìn)行計(jì)算。

式中，φ為軸心受壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定系數(shù)，根據(jù)構(gòu)件的長細(xì)比，鋼材屈服強(qiáng)度和截面類型分類，按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中附錄D 采用；

M為計(jì)算雙向壓彎圓管構(gòu)件整體穩(wěn)定時采用的彎矩值，N·m；

β為計(jì)算雙向壓彎整體穩(wěn)定時采用的等效彎矩系數(shù)；

N為所計(jì)算構(gòu)件范圍內(nèi)軸心壓力設(shè)計(jì)值，N；

A為構(gòu)件的截面面積，m2；

f為鋼材的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中表4.4.1 取值，N/mm2；

W為截面模量，m3；

γm為圓形構(gòu)件的截面塑性發(fā)展系數(shù)，圓管截面取1.15；

N’Ex為按照式（2）計(jì)算，N。

E為鋼材的彈性模量，MPa；

λx為整個構(gòu)件對對稱軸的長細(xì)比。

軸向壓力考慮1.3～1.5 倍的系數(shù)后取15 000 kN，傳力桿的計(jì)算長度在考慮水平限位構(gòu)件約束后取35 m，風(fēng)浪荷載按50 年一遇考慮。傳力桿在試驗(yàn)荷載作用下的軸向受壓穩(wěn)定性及在試驗(yàn)荷載與風(fēng)浪荷載組合作用下的壓彎穩(wěn)定性，由式（1）計(jì)算結(jié)果分別為0.614 和0.97，均小于1?？梢姡敬卧囼?yàn)的傳力桿穩(wěn)定性滿足要求。

4 載荷試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)加載之前，承壓板底部承受承壓板自身、傳力桿及其他附件自重（按浮容重考慮）引起的壓力，相當(dāng)于約1 700 kN 荷載，折合板底壓力為 133 kPa。之后所受荷載由千斤頂提供，下文所指的加載量包含133 kPa 自重荷載在內(nèi)。

4.1 荷載沉降 p-s 曲線和沉降時間 s-lgt 曲線

各級荷載作用下，荷載沉降p-s 曲線見圖6，加載過程中的s-lgt 曲線見圖7。荷載加載至612 kPa時，沉降量為91.26 mm，每級荷載作用下荷載板的垂直沉降增量基本接近線性，p-s 曲線未出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，相應(yīng)的s～lgt 曲線亦基本保持平直，未出現(xiàn)突變點(diǎn)；荷載加載至692 kPa 時，p～s 曲線未出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)但是沉降增量增大，相應(yīng)的s～lgt 曲線尾部出現(xiàn)向下彎曲趨勢，載荷板沉降量為 132.92 mm，沉降量為板寬的3.7 %，尚未達(dá)到約定的破壞或極限狀態(tài)；當(dāng)荷載加載至772 kPa，p～s曲線出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，s～lgt 曲線尾部亦出現(xiàn)明顯向下的折線，載荷板沉降量為328.13 mm，超過板寬的1/12、即300 mm，終止加載。完全卸載后殘余沉降289.52 mm，地基回彈量為38.61 mm。綜合上述，擠密砂樁復(fù)合地基破壞荷載為772 kPa，極限承載力推薦值為692 kPa。

圖6 荷載-沉降（p～s）曲線

圖7 s～lgt 曲線

4.2 地基固結(jié)沉降分析

為了解擠密砂樁復(fù)合地基的固結(jié)變形特性，完成極限承載力試驗(yàn)后，再次將荷載加載至在 533 kPa，并維持了231 h（試驗(yàn)方案計(jì)劃維持荷載30d，后因現(xiàn)場原因被迫中止），維持荷載試驗(yàn)過程的沉降p-s 曲線見圖8。持荷總沉降量為35.0 mm，初始階段因千斤頂加載過程中沉降發(fā)展較快、加載至533 kPa 時的沉降量為15 mm、占總沉降的43 %左右，隨后直至試驗(yàn)終止沉降發(fā)展均較平緩、均勻，且沉降曲線未有明顯收斂趨勢。

海上原位長時間的持續(xù)荷載試驗(yàn)會受風(fēng)浪、潮汐、荷載補(bǔ)充、靠船等因素影響。圖8 中p-s 曲線有三處明顯拐點(diǎn)：第1 處拐點(diǎn)和第3 處拐點(diǎn)均受前一天風(fēng)浪天氣影響，第2 處拐點(diǎn)因當(dāng)天對千斤頂進(jìn)行補(bǔ)充加載23 kPa、補(bǔ)充加載量小于荷載板底部總荷載的5 %。曲線上有規(guī)律的局部沉降回彈與每日的大潮相關(guān)，試驗(yàn)海域?qū)儆谡?guī)半日潮，大潮指一日中潮位變化大的那個潮。3 處較明顯拐點(diǎn)處可以將整條p-s 曲線分割成4 個階段。第I階段起始沉降量15.12 mm，第Ⅱ階段起始沉降量21.83 mm，第Ⅲ階段起始沉降量25.25 mm，第Ⅳ階段起始沉降量32.30 mm。

圖8 持續(xù)荷載試驗(yàn)p-s 曲線

每一級荷載增量所引起的固結(jié)過程可視為單獨(dú)進(jìn)行，和上一級或下一級荷載增量所引起的固結(jié)無關(guān)，某一時間t 時總平均固結(jié)度等于該時各級荷載作用下固結(jié)度的疊加。為了便于分析，根據(jù)本次試驗(yàn)的p-s 曲線特點(diǎn)將整個持續(xù)荷載分成4 級加載。并采用“經(jīng)驗(yàn)雙曲線法”對每級荷載下的最終沉降量進(jìn)行擬合計(jì)算，可以近似認(rèn)為地基固結(jié)沉降量和時間存在如下關(guān)系[13]：

在t→+∞時求極限，得下式：

式中：

St：滿載t 時間的實(shí)測沉降量(mm)；

S0：滿載開始時實(shí)測沉降量(mm)；

S∞：最終沉降量(mm)；

α、β：與地基及荷載有關(guān)的待定系數(shù)，可根據(jù)實(shí)測資料確定。

t：滿載維持時間(s)，從滿載時刻起算。

各級荷載作用下的預(yù)測殘余沉降可以表達(dá)為：

Sr：預(yù)測殘余沉降量(mm)。

由圖8 中p-s 曲線可知四個階段開始時沉降量

S0分別為：15.12 mm、21.83 mm、25.25 mm、32.30 mm；擬合計(jì)算各階段的1/β分別為10.30、4.90、8.24、3.81；由式（4）計(jì)算4 個階段最終沉降量S∞分別為25.4 mm、26.7 mm、33.5 mm 和 36.1 mm。

各級試驗(yàn)荷載下預(yù)測總殘余沉降為27.25 mm，因此，在533 kPa 維持荷載下，最終沉降量約為 59.55 mm。

4.3 板底土壓力分析

試驗(yàn)前在荷載板底部預(yù)埋了9 只土壓力計(jì)，編號S6 土壓力計(jì)在加載試驗(yàn)開始前發(fā)生損壞，剩余8個土壓力計(jì)采集正常。經(jīng)對比，土壓力計(jì)的實(shí)測值與荷載試驗(yàn)所施加的荷載基本吻合、最大相差2.05 %。

5 結(jié)語

通過改善傳力桿頂部與底部的約束條件、增加水平限位構(gòu)件約束后可滿足試驗(yàn)過程中傳力桿穩(wěn)定性要求。實(shí)測水下擠密砂樁復(fù)合地基破壞荷載為772 kPa，極限承載力推薦值為692 kPa。在533 kPa維持荷載下分段沉降曲線具有較好的收斂性、采用“經(jīng)驗(yàn)雙曲線法”擬合計(jì)算的最終沉降量為 59.55 mm。板底土壓力分析結(jié)果表明荷載板底部土壓力實(shí)測值與所施加的荷載基本吻合。

對于海上風(fēng)電外海域深水區(qū)的擠密砂樁復(fù)合地基在解決好反力系統(tǒng)安裝中定位、垂直度、平面位置精度問題，采用錨樁反力法進(jìn)行水深較大、荷載較大和傳力桿較長，處于外海海域的海上風(fēng)電復(fù)合地基原位載荷試驗(yàn)是檢測復(fù)合地基承載力的有效方法。