海上风电大直径超长桩侧阻力抗拔折减系数试验研究

苏昕，刘钊，申志超，纪文利

（中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

桩基础是海上风机最常用的基础形式之一，可分为单桩基础和群桩基础[1]。由于恶劣的自然环境和工作条件，风电桩基础承受着较大的荷载，大直径超长钢管桩开始出现在海上风电项目中[2-3]。在群桩基础的单桩设计上要求具有很大的抗拔承载力，这往往是决定桩长的控制因素。我国港口工程桩基规范[4]的承载力经验参数法对桩基抗拔承载力的计算做出了规定，采用侧阻力抗拔折减系数ξ（抗拔侧阻力/抗压侧阻力）考虑侧阻力，该系数为侧摩阻力相比于抗压承载，在抗拔承载中的降低程度。现行规范中对ξ的推荐值沿用了98版港口工程桩基规范[5]的推荐值，是基于黏性土35根、砂土6根抗拔桩试桩资料提出的。由于桩基的大型化及海上地质条件的差异化，规范中推荐的折减系数对海上风电大直径超长钢管桩是否仍然适用，是个值得探讨的问题。因此，研究大直径超长桩的抗拔承载力具有较大的现实意义。

陈岳林等[6]通过抗压与抗拔静载试验对陆上直径为0.8 m的长桩开展研究，分析抗拔折减系数沿桩入土深度的变化规律，并提出用规范提供的抗拔折减系数及抗压试验数据推算抗拔极限承载力可能使设计偏不安全。朱光裕等[7]对陆上工程不同类型小直径桩基的侧阻力抗拔折减系数进行研究并与规范推荐值进行对比，认为规范取值对于黏土中的长桩是偏于安全的，而对于砂性土中的短桩可能偏于危险。王向军等[8]采用解析方法研究了桩的长径比、桩的泊松比和土的压缩模量等因素对桩的侧阻力抗拔折减系数的影响。张继红和朱合华[9]建立了可考虑应力释放对抗拔桩侧阻力影响的抗拔承载极限平衡状态方程，针对大型抗拔钢管桩静载荷试验对比了规范法计算结果、所提极限平衡法计算结果和实测值，比较结果显示规范法计算结果大约为实测值的1.5倍，而所提方法计算结果与实测值较为吻合。孙冶默[10]等2018年基于现场试验对陆上小直径灌注桩的抗拔折减系数进行了研究并与相关规范进行了对比。目前，还未发现相关文献通过静载试验的方法研究海上大直径超长钢管桩的侧阻力抗拔折减系数。

1 依托工程概况

本工程风电场场址中心距离岸线约16 km，场址距离曹妃甸港约27 km，风电场北段距岸线约11 km，南侧距京唐港—天津新港航道约6.8 km。先期建设6台试验风机，编号分别为49～54号。本次桩基静载试验试验桩分别涉及编号为SZ1（49号机位）和SZ2（54号机位）的钢管桩。

1.1 地质情况

2个试验机组的地质资料见表1。

1.2 桩型及施打情况

采用外径为2.0 m的钢管桩作为工程桩及试验桩，桩位见图1，钢管桩上部壁厚30 mm，中部壁厚25 mm，底部壁厚22 mm，并在桩顶及桩底设置有加强钢板。其中工程桩为5∶1斜桩，试验桩为直桩。2根试验桩的实际沉桩情况见表2。

表1 风机位置地质情况Table1 Geologicalconditionat thepositionof windturbine

图1 工程桩、试验桩编号及其相对位置示意图Fig.1 Numbers and relative positions of engineering piles and testing piles

表2 桩长及打桩情况汇总Table 2 Summary of pile length and pile driving

2 试验研究

2.1 试验设计

1）加载设备及加载方式

本次试验采用锚桩法，为满足试验需求设计了1套钢梁及钢拉帽作为反力结构，用千斤顶施加荷载。荷载值用千斤顶的标准压力表控制；上拔观测采用量程为50 mm的高精度容栅式位移传感器，借助基准梁进行量测，采用全自动静力载荷测试系统进行显示并记录上拔值。试验装置示意如图2。

图2 试验装置示意Fig.2 Testing apparatus

2）传感器布设

本工程采用电阻应变式传感器进行不同土层侧摩阻力测试。

为得到不同土层的极限侧摩阻力标准值，根据地质情况，每根试验桩布置不同测试断面，取土层分界面高程作为传感器布设的参考值，见表1，各土层分界面布设传感器，较厚的土层内部根据实际情况也布设传感器，泥面以上布设1组传感器作为标定断面[11]，每个断面按轴心对称布设2个应变传感器，应变传感器焊接于钢管桩内壁，对应变传感器及其线缆采用保护槽加以保护。

2.2 试验数据及分析

经过试验测得，SZ1试验桩的轴向抗压极限承载力为38 323 kN，其中侧阻力为32 248 kN，端阻力为6 075 kN；SZ2试验桩的轴向抗压极限承载力为34 500 kN，其中侧阻力为31 391 kN，端阻力为3 109 kN。SZ1试验桩的轴向抗拔极限承载力为16 500 kN，侧阻力抗拔折减系数为0.51；SZ2试验桩的轴向抗拔极限承载力为21 000 kN，侧阻力抗拔折减系数为0.67。各土层的侧阻力抗拔折减系数与港口工程桩基规范[4]推荐值的对比见表3。由此可见SZ1、SZ2各土层分层侧阻力抗拔折减系数明显低于规范推荐值。所以在根据规范[4]采用承载力经验参数法确定海上大直径超长桩的抗拔承载力时需要特别注意侧阻力抗拔折减系数的取值问题，根据规范推荐值计算抗拔承载力可能会得到偏危险的结果。

表3 各土层分层侧阻力抗拔折减系数与规范推荐值对比Table 3 Comparison of uplift reduction coefficient of shaft resistance between testing results and suggested value in code for different soil layers

3 结语

本文对海上风电大直径超长钢管桩的抗拔折减系数开展了试验研究，根据试验得到的各土层侧阻力抗拔折减系数几乎都小于规范推荐值。根据规范采用承载力经验参数法确定海上大直径超长桩的抗拔承载力时尤其需要注意侧阻力抗拔折减系数的取值问题，根据规范推荐值计算抗拔承载力可能会得到偏危险的结果。