王宇楠

（福建省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 福建福州 350001）

0 引言

近年，以海上風(fēng)能為代表的海上可再生能源的開發(fā)日漸成為國(guó)家能源戰(zhàn)略的重要組成部分。福建沿海特別是閩江口以南至廈門灣的臺(tái)灣海峽中部海域受臺(tái)灣海峽“狹管效應(yīng)”的影響，是全國(guó)風(fēng)能資源最豐富的地區(qū)［1］，適合大規(guī)模開發(fā)海上風(fēng)電。大直徑單樁基礎(chǔ)由于其結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、受力性能好，在國(guó)內(nèi)外海上風(fēng)電場(chǎng)中應(yīng)用廣泛。但因臺(tái)灣海峽近海海域?yàn)閹r基海床，大直徑單樁需采用嵌巖施工工藝，實(shí)際施工過(guò)程中經(jīng)常遭遇因地質(zhì)條件異常而導(dǎo)致鉆孔至設(shè)計(jì)樁端高程時(shí)入巖深度小于設(shè)計(jì)嵌巖深度、難以鉆孔至設(shè)計(jì)樁端高程等問(wèn)題。

本文針對(duì)上述情況提出單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案，并對(duì)方案在實(shí)際工程中的適用性進(jìn)行分析。

1 風(fēng)能資源與機(jī)型選擇

工程地處臺(tái)灣海峽中部，每年冬春季節(jié)，西伯利亞及蒙古高壓氣流南下，穿過(guò)臺(tái)灣海峽時(shí)，受海峽兩岸地形收縮作用而加速，至福建省中部地區(qū)風(fēng)速加速至最大。本風(fēng)電場(chǎng)根據(jù)周邊測(cè)風(fēng)資料和場(chǎng)內(nèi)所設(shè)立的測(cè)風(fēng)塔測(cè)風(fēng)資料，年平均風(fēng)速8.5 m/s～10 m/s，風(fēng)功率密度為650 W/m2～1 000 W/m2，風(fēng)功率密度等級(jí)為6～7 級(jí)，風(fēng)能資源豐富。

工程采用7.0 MW 海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其風(fēng)輪直徑154.0 m，輪轂中心高度103.4 m（距平均海平面），風(fēng)機(jī)類型為IEC IB類，風(fēng)機(jī)塔筒底部極限荷載和疲勞荷載如表1。

表1 塔筒底部荷載

2 工程區(qū)域地質(zhì)

工程場(chǎng)區(qū)位于海積海底階地貌單元上（圖1），典型機(jī)位海底地面高程-14.29 m～-16.30 m。機(jī)位地層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，上部覆蓋層分布地層有中粗砂、中細(xì)砂，下部為基巖各風(fēng)化層，從上至下各巖土層評(píng)價(jià)（圖2）如下：

圖1 基巖面典型3D 成果展示圖

圖2 典型機(jī)位工程地質(zhì)剖面圖

（1）①-3 中粗砂：呈稍密狀，物理力學(xué)性能一般。

（2）②中細(xì)砂：標(biāo)貫擊數(shù)13～23，呈稍密～中密狀，物理力學(xué)性能一般。

（3）⑧-1 散體狀強(qiáng)風(fēng)化基巖：標(biāo)貫擊數(shù)大于50 擊～反彈，物理力學(xué)性能好，承載力較高。

（4）⑧-2a 碎裂狀強(qiáng)風(fēng)化：巖石風(fēng)化劇烈，節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖芯破碎，呈粒狀、碎裂狀，局部呈短柱狀。

（5）⑨a 弱風(fēng)化：巖石新鮮，致密堅(jiān)硬，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖芯多呈短柱狀，局部為碎塊狀。屬較硬巖～堅(jiān)硬巖，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅲ級(jí)。

工程場(chǎng)區(qū)因基巖面起伏大，基巖強(qiáng)度高，其中弱風(fēng)化巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度大于80 MPa，進(jìn)一步加大了風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)施工難度。

3 超大直徑單樁基礎(chǔ)方案設(shè)計(jì)

本工程按無(wú)過(guò)渡段法蘭式單樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)［2］。根據(jù)工程建設(shè)海域地質(zhì)與風(fēng)機(jī)荷載條件，同時(shí)考慮到工程施工單位的施工裝備和施工能力，本工程采用直徑為6.7 m 的超大直徑植入式單樁（圖3）。樁長(zhǎng)50.0 m～60.0 m，鋼管樁入土深度20.0 m～30.0 m，其中表層軟弱覆蓋層較薄，單樁基礎(chǔ)以弱風(fēng)化花崗巖為持力層，設(shè)計(jì)嵌入弱風(fēng)化花崗巖巖層16.0 m～18.0 m。

圖3 單樁基礎(chǔ)整體結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案

采用通用有限元計(jì)算軟件對(duì)樁-巖土結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算。鋼管樁采用實(shí)體單元建模，土體模型選用摩爾-庫(kù)倫彈塑性本構(gòu)模型（圖4），樁外混凝土與樁身接觸為摩擦接觸、混凝土與土體之間為摩擦接觸［3］。對(duì)大直徑單樁基礎(chǔ)開展承載能力極限狀態(tài)下的樁身強(qiáng)度計(jì)算和結(jié)構(gòu)疲勞驗(yàn)算，以及正常使用極限狀態(tài)下的變形驗(yàn)算［4］。

圖4 單樁基礎(chǔ)有限元計(jì)算模型

典型機(jī)位單樁基礎(chǔ)直徑6.7 m，壁厚75 mm～85 mm，樁頂高程+15.30 m，樁端設(shè)計(jì)高程-41.70 m，鋼管樁入土深度25.40 m，其中嵌入弱風(fēng)化基巖設(shè)計(jì)深度18.40 m。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)嵌巖鉆孔過(guò)程中，因機(jī)位所處地質(zhì)基巖面起伏較大，導(dǎo)致經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際判巖得到的弱風(fēng)化基巖面為-24.00 m，與地質(zhì)勘察揭示的弱風(fēng)化基巖高程-23.30 m 有所差異。同時(shí)，在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)嵌巖施工過(guò)程中，因弱風(fēng)化基巖強(qiáng)度高，鉆機(jī)鉆齒損壞嚴(yán)重，在距離設(shè)計(jì)樁端高程2.3 m 時(shí)停鉆，實(shí)際嵌入弱風(fēng)化基巖深度15.40 m。據(jù)此，考慮采取加強(qiáng)措施，在樁身內(nèi)部灌注10.0 m、12.0 m 和14.0 m 不同高度的樁芯砼，對(duì)鋼管樁樁頂和泥面處傾斜率、水平位移進(jìn)行復(fù)核。計(jì)算結(jié)果表明：加強(qiáng)方案因在樁芯內(nèi)增加了砼芯柱，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)剛度增加，鋼管樁在泥面和基礎(chǔ)頂傾斜率和水平變形顯著減??；隨著樁芯砼芯柱由10.0 m 加長(zhǎng)至14.0 m，樁身水平位移、傾斜率進(jìn)一步降低；在同一砼芯柱長(zhǎng)度下，增加基礎(chǔ)嵌巖深度，樁身水平位移與傾斜率有所減少（表2）。圖5～圖8 為不同工況下有限元模擬樁身水平位移變形云圖，圖9～圖11 為嵌巖深度15.40 m 時(shí)，不同樁芯砼填筑高度對(duì)應(yīng)的鋼管樁泥面處傾斜率、鋼管樁泥面處和樁端水平位移變化。

表2 鋼管樁樁頂和泥面處傾斜率和水平位移

圖5 設(shè)計(jì)方案樁身變形曲線云圖（放大100 倍）

圖6 加強(qiáng)方案Ⅰ樁身變形曲線云圖（放大100 倍）

圖7 加強(qiáng)方案Ⅱ樁身變形曲線云圖（放大100 倍）

圖8 加強(qiáng)方案Ⅲ樁身變形曲線云圖（放大100 倍）

圖9 傾斜率隨填筑深度變化

圖10 泥面水平位移隨填筑深度變化

圖11 樁端水平位移隨填筑深度變化

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)因直接遭受風(fēng)機(jī)、波浪等動(dòng)力荷載作用，需要對(duì)鋼管樁樁身累計(jì)疲勞損傷進(jìn)行計(jì)算（表3）。鋼管樁嵌巖深度由18.40 m 降低至15.40 m 后，使累計(jì)疲勞損傷最大值由0.80 增大至1.00，處于結(jié)構(gòu)累計(jì)疲勞損傷控制的最大限值。因此，考慮采取加強(qiáng)措施：通過(guò)在樁身內(nèi)部灌注10.0 m 樁芯砼，增加單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)剛度，增強(qiáng)單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)抗疲勞性能。采取加強(qiáng)措施后樁身最大疲勞損傷值［5］降低至0.94，具有合理的安全裕度。

表3 單樁基礎(chǔ)累計(jì)疲勞損傷

5 結(jié)語(yǔ)

本文選取福建近海巖基海床某海上風(fēng)電場(chǎng)單樁基礎(chǔ)應(yīng)用實(shí)例，結(jié)合單樁基礎(chǔ)實(shí)際施工過(guò)程中出現(xiàn)的基巖面起伏導(dǎo)致單樁基礎(chǔ)入巖深度降低、或因大直徑單樁嵌巖鉆孔施工難度較大而難以鉆孔至設(shè)計(jì)樁端高程等問(wèn)題，提出在單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)內(nèi)部灌注樁芯砼的加強(qiáng)方案，并對(duì)方案在實(shí)際工程中應(yīng)用的可行性進(jìn)行分析。通過(guò)計(jì)算與分析，得出以下主要結(jié)論：

（1）大直徑單樁基礎(chǔ)在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工過(guò)程中，如出現(xiàn)鋼管樁入巖深度減少無(wú)法滿足設(shè)計(jì)嵌巖深度要求，可通過(guò)在樁內(nèi)灌注砼芯柱，滿足正常使用極限狀態(tài)下的變形驗(yàn)算要求。

（2）隨著樁芯砼芯柱由10.0 m 加長(zhǎng)至14.0 m，樁身水平位移、傾斜率進(jìn)一步降低；在同一砼芯柱長(zhǎng)度下，增加基礎(chǔ)嵌巖深度，樁身水平位移與傾斜率有所減少。

（3）大直徑單樁基礎(chǔ)樁內(nèi)灌注砼芯柱后，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)剛度增加，樁身抗疲勞性能增強(qiáng)，承載能力極限狀態(tài)下樁身累計(jì)疲勞損傷最大值降低。

（4）在巖基海床開展大直徑單樁基礎(chǔ)施工，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)嵌巖為整個(gè)基礎(chǔ)施工過(guò)程中的核心與難題，通過(guò)采用有限元計(jì)算軟件對(duì)單樁基礎(chǔ)開展模擬計(jì)算，為大直徑單樁在巖質(zhì)海床實(shí)際應(yīng)用提供切實(shí)可行的解決方案。