海上风电大直径单桩基础水平载荷试验研究

王 健，王 宇，周子文，王 康

(1.江苏南京地质工程勘察院,江苏 南京 210041; 2.北京中岩大地科技股份有限公司南京分公司,江苏 南京 210000; 3.河海大学,江苏 南京 211100; 4.渥太华大学,加拿大 渥太华 K1N6N5; 5.宿迁联盛科技股份有限公司,江苏 宿迁 223800)

0 引言

海上风电场的桩基础所受水平荷载要比陆地上复杂得多,包括风、浪、流等荷载作用,且都属于循环荷载,直接进行理论计算分析是很困难的,同时现在海上风机桩大都属于大直径单桩,而目前针对大直径桩基的计算理论还不成熟,因此理论计算缺乏精确性[1]。工程现场的水平静荷载试验仍是目前我国最认可的桩基水平承载力计算方法,其主要通过现场进行试桩试验,测量桩基在荷载下的每级位移,通过荷载-变形曲线图得出水平承载力。因为其没有破坏土体的原位状态,所以比较贴合实际[2]。本文通过采用海上风电桩基工程常用的p-y曲线法对杭州湾某海上风电项目中桩基水平极限承载力进行计算,同时与现场桩基试验结果进行对比,以评价p-y曲线法的适用性。最后对水平试桩试验结果进行分析,以研究海上风电大直径单桩基础的水平承载特性,为本项目桩基优化设计及后续施工提供一定的借鉴。

1 工程地质概况

该海上风电场位置处于杭州湾海域附近,工程区域为滨海相沉积地貌,整体地形较缓,水下未见明显隆起或凹陷。场区水下泥面高程为-9.60 m～-13.70 m,勘察期间水深9.10 m～12.90 m,试桩场地地层情况及相关参数见表1。由前期勘察结果,本场地天然地基条件差,不能满足上部风机结构稳定性和抗倾覆要求,所以采用桩基础,桩型选用高强度钢管桩。综合各方面因素,本工程风机基础以⑤-3a层粉砂作为桩端持力层。

表1 试桩场地的地层分布及物理力学参数

2 水平极限承载力计算

为了保证水平试桩试验过程中桩基不破坏或者发生大变形,影响后期工程使用。因此在试桩试验之前需要结合桩基设计参数和前期勘察资料,对试桩水平极限承载力进行计算,并提出试桩水平静载试验最大加载值,保证试桩试验安全性。

目前海上风电桩基的水平承载力主要通过API规范[3]中的p-y曲线法[4]进行计算,其他方法包括m法、NL法等经过实际应用发现并不适用于大直径钢管桩[5-6]。因此本次试验选用p-y曲线法并结合API土层参数表以及地勘结果对试桩的水平承载力极限值进行计算。以泥面位移为判断基准,利用软黏土标准p-y曲线对于单桩的水平承载力进行预估。短期静力荷载下的软黏土p-y曲线可见图1。

假设钢管桩自身强度足够,以桩周土破坏时的水平荷载为极限水平承载力。取泥面处桩身实际侧向位移y为200 mm,y/yc=1.14。根据黏土的p-y标准曲线可以得到p/pu=0.53,于是对应的单位侧向承载力标准值p′=82 kPa。最终得到水平极限承载力值为pu=2 059.84 kN,所以p=0.53×pu=1 091.7 kN。结合桩基设计和试桩试验要求确定单桩水平静载试验水平荷载的最大加载值为1 000 kN。

3 水平试桩试验

3.1 试验方案

水平静载试验主要是测量各级水平荷载作用下单桩的桩顶水平位移、桩身应变和桩身挠度。预估试桩最大水平试验荷载约为1 000 kN,水平荷载采用单向单循环维持法进行桩顶加载,荷载级持续时间20 min,泥面处桩身水平位移不得超过200 mm。桩顶水平位移观测方面,通过在桩身安装多个位移传感器可以测得,同时根据测量的位移计算可得到桩顶转角。桩身受力观测方面,在每级荷载施加结束时,进行桩身远离中性轴的最大受拉应变和最大受压应变的两束光纤传感器数据采集。

试验桩设计参数如表2所示,试桩光缆布设如图2所示,试桩布置示意图如图3所示。

表2 单桩试桩设计参数表

3.2 试验结果与分析

单桩水平静载试验中桩顶水平力加载至1 000 kN时,达到试验预估最大加载值。具体结果整理如下:

1)桩顶水平位移。水平静载试验各级荷载下的桩顶水平位移值见表3。由表3可得水平力-桩顶位移关系曲线图,见图4。根据水平试验的水平荷载和实测桩顶位移计算得到水平荷载对数与桩顶位移对数关系曲线见图5。

表3 桩顶水平位移

由图4可以看出随着水平荷载的增加,桩顶水平位移不断增加,最大水平位移为1 000.93 mm。同时从Q-S曲线和logH-logY曲线中可以看出二者均呈近线性递增,变化相对较平缓,未出现拐点,以此判断单桩仍处于线弹性变形阶段,未出现较大的塑性变形或破坏。由此得出试桩实际的水平极限承载力值大于1 000 kN,其水平承载能力比预估值大,因此能够看出API规范的理论计算方法预估的水平极限承载力相对保守。

2)桩身挠曲。通过试验获得的桩身挠度曲线见图6。从图6中可以看出桩身挠曲最大值都位于桩顶,且沿桩身逐渐减小,在接近桩端处挠曲变为0。泥面上桩身挠曲要远远大于泥面下桩身挠曲,且挠曲变化速率也更大,从这也能看出桩周土对于桩身挠曲的控制作用。同时随着桩顶施加水平荷载的增加,桩身挠曲逐渐增大,尤其是泥面以上桩身部分。

3)泥面标高处位移。由各级荷载作用下结果位移值可以得到泥面处桩身位移曲线见图7。从图7中可以看出随着水平荷载的增加,泥面处桩身位移也在不断增加,最大值为146.2 mm,增加幅度也越来越大。这主要是因为泥面附近土体属于强度较小的淤泥土,因此在桩体水平位移时,其会更快的到达塑性变形阶段,从而逐渐丧失自身土体水平抗力,而泥面处桩身的水平位移增加速度也就会越来越快。

4)泥面以下弯矩。根据各断面试验测试得到的应变值,可计算出各断面的弯矩,经平滑处理后的桩身弯矩分布曲线见图8。从图8中可以看出随着桩顶水平荷载的增加,桩身整体的弯矩也是在逐渐增大的。弯矩最大值位于标高-15 m～-25 m间,第一弯矩零点位置位于标高-30 m左右,这两点的位置都随着水平荷载的增加逐渐下移。在标高-30 m至标高-45 m之间桩身弯矩变为反弯矩,同时达到反弯矩最大值,标高-45 m以下的桩身弯矩接近0。

5)桩侧土抗力(p)与水平变位(y)的关系。由桩身变位,利用前面提到的API规范中的p-y曲线法可以进一步计算出泥面下部分断面的桩侧土抗力。根据实测桩身位移和计算出的桩侧土抗力,可以得到不同荷载下试桩部分断面的p-y曲线,见图9。需要注意的是,由于试验是在桩顶加载,泥面以下桩身受力,除了水平推力外,还有弯矩的影响包含在内。从图9中可以看出随着桩体水平变位的增加,对应位置的桩侧土抗力也在逐渐增加,且增加幅度越来越小,直至桩侧土抗力接近一个极值。除此之外也可以发现土深越大的位置,桩侧土抗力普遍高些,最大土抗力也更大。

4 结论

通过对杭州湾海域某海上风电大直径单桩基础现场水平试桩试验结果进行分析研究,可得到如下结论:

1)试桩在整个加载过程中基本处于弹性变形阶段,水平承载力不小于1 000 kN,结合各项分析结果得出API规范中的p-y曲线法低估了海上大直径单桩的水平承载性能。实际情况下,桩基的水平承载力还可适当提高。

2)通过分析水平静载试验结果,发现桩基水平抗力主要集中在上部土层,因此桩基水平承载力主要受上部土层物理力学性质控制,所以当地勘资料提供的土层参数偏保守时,也会导致低估桩基的实际水平承载性能。

3)桩基水平受荷的实质是桩土间相互作用,桩基在水平荷载作用下,桩身发生水平变位。随着桩体变位不断增加,水平位移进一步扩散到桩周土,直至达到桩周土的极限状态。而在这一过程中泥面附近的桩周土最先发生变形,提供抗力,这也是泥面附近土体水平位移较大的原因。