海上风电送桩器沉桩的高应变动力测试研究

李 森，胡晓明，张 谦

(中铁大桥科学研究院有限公司，武汉 430034)

1 概述

随着我国海上风电场向离岸化、深水化发展，30～50 m水深海域将是目前和今后海上风电的主战场。海洋工程条件尤其是风电场，常年处于季风环境影响，风电基础结构长期受风浪作用，对基础稳定性要求极高。基于国内外海上的建设经验，结合国内海洋与港口工程的施工能力，海上风电基础形式以单桩基础和多桩导管架基础为主[1]。相比单桩基础，坐底式导管架基础结构水平刚度大、稳定性好、施工便利，适用于水深较深的海域[2]。海上风电平台的钢管桩为上部导管架和风机提供承载力和抗拔力，因此海上沉桩质量是保证上部组块安全运行的重中之重，其桩基也较陆地工程直径更大(一般在3～7 m)、桩长更长(一般40 m到100 m以上)。这种情况下，传统工程的桩基研究数据的结果应用于海上风电项目有待进一步商榷。

由于桩基处于海水以下，一般的检测手段实施起来难度较大，高应变动力检测技术在海上沉桩工程中得到广泛应用[3-7]。对于大直径超长桩基沉桩桩锤和沉桩工艺选择也是沉桩工程的重点问题，也有工程根据高应变试验确定桩锤和沉桩工艺的先例[8]。可以根据高应变检测信号，通过CAPWAP分析打桩过程中的桩身能量和桩身应力，获取能量和应力的传递消耗情况，为设计沉桩方案时确定沉桩可打性和保证桩身质量提供数据支撑。

采用导管架的海上风电工程，其桩顶标高一般都设在海床面上。随着风电场的离岸化，海域水深也越来越深，对于沉桩工艺的要求也越来越高。因部分液压冲击锤不具备水下沉桩能力，海上风电导管架沉桩施工往往不能通过打桩锤直接锤击工程桩，需在工程桩桩顶插接送桩器，打桩锤通过锤击送桩器将桩打入。海上风电的送桩器普遍比较长，需要贯穿海平面最高潮位到海床面。目前有学者对海上风电沉桩送桩器上的能量消散有研究[9-10]，其对桩锤选型有参考意义，但对送桩器和钢管桩上的能量及应力比例没有给出研究结果，不能为送桩器设计提供参考意见。

目前国内外海上风电项目对桩锤选型是基于地勘参数进行可打性分，进而确定桩锤型号[11]，但这一方法需要有送桩器能量消散的影响。同时可打性分析要考虑桩身应力不超过桩身设计应力，因此也需要桩身应力参数作为支撑。由于送桩器和钢桩之间的连接是一个复杂的插尖结构，其能量和应力传递过程中有反复碰撞的影响，因此需要工程数据和经验支撑。

为探求打桩锤能量在送桩器上的消散情况以及送桩器和钢管桩上的应力比例，通过高应变动力检测对不同送桩器以及桩径的沉桩过程进行监测，推断影响能量消散的因素，综合考虑送桩器和钢管桩上的应力比例，为海上沉桩作业的设计施工提供参考依据。

2 高应变法的基本理论

高应变实动力检测是利用重锤冲击桩顶，产生沿桩身向下传播的应力波, 且桩、土产生相对位移, 通过离桩顶一定距离对称安置的加速度计和应变计采集检测截面应力波信号。用应力波理论分析处理实测的力和速度时程曲线, 得到受检桩的桩土参数以及单桩极限承载力[12]。根据一维波动方程和胡克定律得到高应变的重要公式[1]：

F=ZV

(1)

Z=ρcA

(2)

式中:

F、V——实测桩顶力和速度；

Z——桩身截面阻抗；

A——波传播位置处桩身截面积；

ρ——桩身材料密度；

c——波在桩身上的传播速度。

桩身弹性模量E、桩身材料密度ρ以及波在桩身上的传播速度c有如下式的关系：

E=ρc2

(3)

同时，高应变动力测试可进行桩身能量监测和桩身应力监测，其中能量计算如下：

(4)

式中:

En——桩身能量；

F、V——实测桩顶力和速度；

te——采样时间。

最大桩身锤击压应力计算公式如下：

σp=Fmax/Am

(5)

式中:

Fmax——力传感器测得的最大锤击力；

Am——传感器安装位置处桩身截面积。

依据上述公式，桩身能量与桩身截面阻抗、桩端土体阻抗以及桩锤系统能量有关。这些因素受桩身参数和各层土性参数有关，因此，研究送桩器沉桩过程的能量与桩身应力关系，需要考虑这些因素的影响作用。

3 高应变打桩监测过程

3.1 高应变动测设备

美国PDI打桩分析仪、PDI水下力传感器、PDI水下PE加速度传感器、卡口压电式一分四连接电缆、信号传输线缆及数据分析软件CAPWAP。 所用高应变采集设备如图1所示。

图1 高应变采集设备示意

在桩顶和送桩器顶附近按照规范要求安装两组传感器，1个加速度传感器和1个应变传感器为1组，两组传感器中心在同一标高成180°对称安装(具体安装位置见表1)。

3.2 具体实施方案

为分析借助送桩器沉桩全过程的锤击能量及桩身应力情况，分别对两个风电项目的6根钢管桩在沉桩全过程中对送桩器和钢管桩实施了高应变同步检测，高应变同步检测示意见图2，6根钢管桩及送桩器参数和传感器安装参数见表1。

图2 高应变同步检测示意

表1 检测桩参数信息 m

其中1～3#桩来自于福州某风电项目，桩长为76.6～94.35 m，桩径为3～3.8 m，壁厚为38～60 mm，桩身采用Q355NC钢材，入泥深度为67.57～86.7 m。钢管桩以密实砂层作为持力层。

4～6#桩来自于广东阳江某风电项目，平均桩长为43.7 m，桩径为3.5～4 m，壁厚为40～70 mm，桩身采用DH36钢材，平均入泥深度为41 m。钢管桩以风化片麻岩为持力层。

4 检测数据的对比分析

通过对海上风电四桩沉桩基础项目的6根钢管桩送桩器沉桩全过程的高应变检测，通过CAPWAP分析，得到6根钢管桩沉桩过程中送桩器上的应力和能量以及桩身上的应力和能量，结合桩锤系统设定的锤击能量，即可得到钢管桩桩身能量传递效率。沉桩过程中1#桩和6#桩由于送桩器上传感器松动，发散数据较多。4#桩由于仪器故障，送桩器上沉桩前期数据丢失，只选取最后58锤数据进行分析。

1#桩桩身能量比、应力比和能量传递效率如图3所示。1#桩在950锤左右桩底由粘土层进入到砂层，图3a中在950锤以后桩身能量比有所增大，图3b中在950锤后桩身应力比值也有所增大，图3c中在950锤前后能量传递效率有所波动，1 100锤之后能量传递效率与400～950锤的能量传递效率基本一致，前400锤能量传递效率低于400锤之后的能量传递效率。

图3 1#桩桩身能量比、应力比和能量传递效率示意

2#桩桩身能量比、应力比和能量传递效率如图4所示。2#桩同步检测全过程桩底都在砂土中，在900锤左右送桩器插尖被震断，图4a中在900锤左右桩身能量比发生突变减小，图4b中在900锤左右桩身应力比减小，图4c中在900锤左右能量传递效率突然增大。

图4 2#桩桩身能量比、应力比和能量传递效率示意

3#桩桩身能量比、应力比和能量传递效率见图5。3#桩步检测全过程桩底都在砂土中，插尖更换为1.52 m，由于土层未发生改变，图5中桩身能量比、应力比未发生改变，但能量传递效率在前200锤时略高于终锤能量传递效率。

图5 3#桩桩身能量比、应力比和能量传递效率示意

4#桩和5#桩桩身能量比、应力比和能量传递效率见图6和图7。4#和5#桩同步检测全过程桩底都在强风化岩中。图6和图7中的桩身能量比值、桩身应力比值和能量传递效率基本相近。图7c中随入土深度增加能量传递效率逐步减小，终锤阶段的能量传递效率与图6c基本一致。

图6 4#桩桩身能量比、应力比和能量传递效率示意

图7 5#桩桩身能量比、应力比和能量传递效率示意

6#桩桩身能量比、应力比和能量传递效率见图8。6#桩在300锤左右桩底由粘土层进入全风化岩中，850锤左右桩底由全风化岩层进入强风化岩中。图8a显示桩底由粘土进入全风化岩时桩身能量比值突然减小，而由全风化岩进入强风化岩时桩身能量比值基本保持不变。图8b显示桩身应力比值没有突变，但在300锤后应力比值逐渐增大，在850锤后快速减小。图8c显示随入土深度增加能量传递效率逐步减小，桩底土性变化时传递效率有突变。

图8 6#桩桩身能量比、应力比和能量传递效率示意

通过上述对同一根桩不同入土深度及桩底处于不同土层时的、能量传递效率对比图可以直观的看出，处于粘土中能量比和应力比小于砂土和风化岩中的比值；处于粘土和砂土中时，能量传递效率基本一致，而风化岩中的能量传递效率更低。随着入土深度增加，能量传递效率会发生变化，但终锤阶段的能量传递效率基本一致。

依照上述沉桩情况，划分阶段，结合桩身参数，对比分析桩身能量比、桩身应力比以及能量传递效率的影响因素。各阶段送桩器与钢管桩桩身能量比、应力比和能量传递效率以及相应工况说明见表2。

表2 高应变检测结果数据及工况

对比1#桩2#桩和3#桩终锤数据，插尖长度减少可以降低能量比和应力比，降低能量传递效率。对比前3根桩和后3根桩终锤数据，送桩器长度越短，桩身能量比和应力比越大，同时能量传递效率越高。

5 结语

本文通过对海上风电四桩沉桩基础项目的六根钢管桩送桩器沉桩全过程的高应变检测，结合设计参数和地勘资料分析，得到了以下研究成果：

1) 借助送桩器对钢桩管桩进行锤击下沉时，送桩器和钢管桩上的能量比约为1.2～1.7，应力比约为1.1～1.6；桩底处于粘土中能量比和应力比小于砂土和风化岩中的比值。相似工程的可打性分析、送桩器材料选择可以参考此比例。

2) 入土深度会对能量传递效率有影响而对送桩器和钢管桩上的能量比和应力比没有影响。在沉桩方案选择和可打性分析阶段，可以随着入土深度增加适当调整能量传递效率。

3) 送桩器越长，能量比和应力比越小，减小插尖长度可以降低能量比和应力比；送桩器材质为Q345时，沉桩后期能量传递效率约为50%～70%，送桩器越长能量传递效率越低，增加插尖长度会降低能量传递效率。

该成果可以为日后海上钢管桩沉桩作业送桩器设计、桩锤选型以及施工组织提供参考。