某海上风电静载试桩技术改进

曲长武，胥新伟，刘钊

（1.中交一航局第三工程有限公司，辽宁 大连 116083；2.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

近年来伴随海洋风电建设的发展，大直径钢管桩或大直径钢管混凝土复合桩的基础形式得到了大规模的应用。由于海洋风电项目对桩基的抗拔及水平承载能力有较高的需求，为确保设计的合理可靠，工程正式开展前需要进行海上桩基静载试验，以对设计指标进行确认及优化。

进行一次完整的海上桩基静载试验，需要大量的资源投入，因此对于外海桩基静载试验，试验数据显得尤为珍贵。海洋风电桩基静载试验与陆上静载试验相比，桩基承载力高，桩的相对位移大，同时试验环境恶劣，传统试验方法无法满足工程建设需要。为保证获得良好的试验效果，确保试验数据准确可靠，需要在传统试验方法的基础上进行必要的改进与优化。

1 工程概况

某海洋风电试桩工程采用8桩承台结构形式，桩径2.0 m。分别对2处具有代表性的机位展开试验，桩位布置图见图1，试桩工程信息统计见表1。

海上风机桩基础设计多采用基于p-y曲线和t-z曲线的承载力计算方法。与工业和民用建筑以及港口工程的桩基极限承载力计算方法有较大差别，因此也需要通过足尺试验确定各土层的三大曲线，以对设计曲线进行校正[1]。为此本工程试桩试验的主要试验目的如下：

图1 桩位布置示意图Fig.1 Pileposition layout sketch

表1 试验参数汇总Table1 Summary of test pile parameters

1）确定试验钢管桩的竖向抗压极限承载力标准值，并获取各土层的抗压极限侧阻标准值、极限端阻标准值。获取抗压时各土层单位侧阻与桩基竖向位移的t-z曲线。

2）确定试验钢管桩的竖向抗拔极限承载力标准值，并获取各土层的抗拔极限侧阻标准值。获取抗拔时各土层单位侧阻与桩基竖向变位的t-z曲线。

3）获取土层分层土抗力与水平位移的p-y曲线，获取钢管桩的水平极限承载力，提供土体水平抗力系数的比例系数m。

工程中采用锚桩反力梁法进行试验，试验设备的加载能力不低于预估承载能力的1.5倍。试验步骤参照JTJ 255—2002《港口工程基桩静载荷试验规程》，并参考美国API规范Recommended Practice for Planning，Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design（API RP2A-WSD）进行测试项目的优化，试桩试验指标见表2。

表2 静载试验参数Table 2 Parameters of static loading test

2 试验系统的改进

2.1 沉降、位移测量

海上风电桩基直径大、桩长长、承载力高，在荷载作用下的变形大。单桩竖向抗压静载试验总沉降量往往超过100 mm后，仍可达到稳定。单桩竖向抗拔静载试验的上拔量也要求达到100 mm以上，水平静载试验由于受到水深的影响，桩基自由悬臂段长，加载点的水平位移也有可超过1 000 mm的可能性。

传统静载试验采用百分表或电子百分表进行沉降及水平位移测量，百分表的量程一般为50 mm，精度为0.01 mm。在外海桩基静载试验中，该测试设备量程较小，且由于外海恶劣的海况环境，测试精度无法达到0.01 mm，且涉及到量程较大，轴向抗压、抗拔试验中经常倒表的过程，多次倒表的误差无法估计，且水平静载试验由于总体位移大，可能单级荷载作用下的位移即超过了百分表的量程。因此轴向抗压及抗拔静载试验采用静力水准仪作为沉降测量方法，拉线位移传感器或其他大量程位移传感器作为水平载荷试验测量方法。

传感器技术参数见表3。

表3 传感器参数汇总表Table3 Summary of sensor parameters

采用静力水准仪作为沉降及上拔量的测量方法还具有以下技术优势：避免基准梁的设置，风浪对测量系统影响相对较弱；基准点设置相对灵活，可选取满足净距要求的任何点位作为基准点。

2.2 桩顶倾角测量

单桩水平静载试验中，桩顶倾角测量可采用双层位移计法或倾角传感器法，在外海桩基试验中，应采用倾角传感器测量桩顶倾角。由于外海试验环境较为恶劣，基准桩的稳定性较差，通过双层位移计法计算得到的桩顶倾角存在较大误差，从而推算的泥面处位移也不准确。

2.3 测试项目

水平静载试验采用p-y曲线法，为确保测试数据的准确性，往往需要多种测试结果进行相互验证，本次外海水平静载试验测试内容有[2]：

1）桩身应力

桩身应力测试是较为成熟的测试方法，除在桩基抗压、抗拔试验中用于测量桩身轴力变化外，在水平静载试验中还可以通过桩身应力的微积分处理分别得到桩身的位移数据及桩身的弯矩数据。由于微积分的处理过程会导致测试误差的急剧增加，导致处理后的结果失真，无法反应真实情况，因此同时需要辅以多种测试方法得到的测试结果进行相互验证，以甄别出测试数据中出现的错误。同时随着测试技术水平的提高，在传统应变传感器测试方法的基础上，分布式光纤测试方法也引入到海上风电测试技术当中，该测试方法可提供更多断面的测试数据，同时具有较高的成活率。

2）桩侧土压力测试

桩侧水平土压力测试是在水平静载试验期间，监测各级荷载作用下的土压力变化。该数据可与多项测试数据进行试验结果的相互验证，以确保试验结论的可靠性。

测试结果与应力测试后微积分处理的桩身位移、桩身测斜实测桩身位移数据进行对比，通过桩身反弯点、嵌固点的位置来互相验证数据的准确性；测试结果与桩身应力微积分处理得到的p-y曲线数据进行对比，以验证微积分数据处理的准确性。

桩身水平土压力测试仅限于较浅土层内，由于水平静载试验加载荷载值的控制，较深土层位置不会发生水平位移，因此水平土阻力也不会发生变化，土压力盒埋设最深位置仅需要在预估反弯点位置下一定深度即可。土压力盒需要采取特殊的安装与保护措施，以避免打桩过程导致土压力盒的破坏。

3）桩身测斜

桩身测斜是在水平静载试验期间测量泥面处的水平位移、桩身挠曲线。桩身测斜数据可与多项测试数据相互验证，确保试验结论可靠性。

测试结果得到的泥面处水平位移与根据桩顶倾角计算得到的泥面位移进行对比，验证测试数据的准确性；测试结果得到的桩身挠曲线与应力测试微积分得到的桩身位移曲线对比，验证测试数据的准确性。

桩身测斜需要将测斜管固定在桩侧壁上，试验期间采用滑动式测斜仪进行测量。测斜管的埋深需要保证测斜管底部位于预估嵌固点以下位置，同时测斜管的安装需要设置有效的保护措施，防止打桩过程中造成损坏，土压力盒与测斜管保护见图2。

图2 土压力盒及测斜管保护结构示意图Fig.2 Sketch of earth pressure cell and inclinometer protection structure

4）理论分析

利用有限元程序或桩基础设计计算分析软件进行理论分析，并与实测数据进行对比，以再次验证试验结果[3]。利用基于p-y曲线理论的桩基础设计计算分析软件对试验过程进行模拟，通过输入实测变形数据以对桩身应力等试验结果进行对比分析。

2.4 试验装备及方法的改进

1）增加千斤顶行程

由于桩顶位移大，试验期间水平反力桩也同样会发生一定程度的位移，因此在试验前需要采用具有较大行程的千斤顶进行试验，必要时还需要采用多台千斤顶串联试验。

本工程采用2台行程0.7 m的卧式千斤顶串联组成，并在每台千斤顶的顶部设置球形鞍座以适应桩顶转角度变化。

2）提高基准桩稳定性

外海试验条件相对较差，基准桩的稳定性较低，鉴于海上风电多为高桩承台结构，桩基数量较多，建议利用多根桩基组成基准系统，以降低基准桩晃动对测试精度的影响。同时在具备条件的情况下利用多根工程桩作为反力桩，减少试验期间反力桩发生的位移。

3）对桩身加载点进行加固

外海风电桩径较大，加载荷载也较大，随着荷载的增加，桩身有可能局部变形过大，导致水平位移测试过程中混入了桩身变形的影响。因此需要在水平试验加载点位置处对桩身进行加固，防止桩身发生变形。

4）优化试验加载方向

水平静载试验的加载方向应与涨落潮主流向垂直，减少水流力对水平静载试验的影响[4-5]。水平静载试验布置示意图见图3。

图3 水平静载试验布置示意图Fig.3 Horizontal static load test layout sketch

3 试验结果

采用以上改进及优化后的试验方法，试验过程中曾由于打桩过程发生意外，出现了传感器损坏的情况，但是由于测试项目充足，准备充分，在个别传感器失效的情况下，仍可以准确的获取试验所需各项参数，保证试验的顺利完成，取得了良好的试验效果[6]。

3.1 单桩轴向抗压静载试验

1）SZ1号试桩

SZ1号试桩单桩轴向抗压极限承载力为38 323 kN。桩Q-s曲线为缓变型曲线。对于该试桩加载至37 800 kN时，对应桩顶沉降为96.81 mm，加载至39 150 kN时，对应桩顶沉降为105.04 mm，超过了0.05D，D为桩径。根据JGJ 106—2014《建筑桩基检测技术规范》要求，单桩轴向抗压极限承载力取s等于0.05D对应的荷载值，同时考虑设计设定的上部结构沉降控制标准为100 mm，该桩极限承载力取沉降达到100 mm时的荷载值。根据内插法求得s=100 mm时的荷载为38 323 kN，故该桩竖向抗压极限承载力为38 323 kN。

2）SZ2号试桩

SZ2号试桩单桩轴向抗压极限承载力为34 500 kN。该桩加载至36 000 kN时荷载无法稳定，沉降持续增大，沉降量超过上部结构沉降控制标准100 mm，终止加载。根据JGJ 106—2014《建筑桩基检测技术规范》，取陡降型Q-s曲线发生明显陡降的起始点对应的荷载值，即34 500 kN作为该桩竖向抗压极限承载力。

3.2 单桩轴向抗拔静载试验

SZ1号试桩单桩轴向抗拔极限承载力为16 500 kN。SZ2号试桩单桩轴向抗拔极限承载力为21 000 kN。对SZ2试桩轴向抗拔静载荷试验加载至22 500 kN时，该桩发生破坏。根据JGJ 106—2014《建筑桩基检测技术规范》，该桩竖向抗拔极限承载力为21 000 kN。

3.3 水平静载试验

通过对试验及测试方法的改进，可以确保试验的成功，通过多项测试数据的对比分析，可以确保试验数据可靠有效。最终试验SZ1号试桩水平极限承载力不小于675 kN。SZ2号试桩水平极限承载力不小于420 kN。试验Q-s（端阻力-沉降）曲线见图4，p-y分层土抗力与水平位移曲线见图5，试验结果汇总见表4。

图4 端阻力-沉降曲线Fig.4 Tip resistance-settlement curve

图5 p-y曲线Fig.5 p-y curve

表4 水平静载试验成果统计表Table4 Summary of horizontal static load test result

3.4 试验结果分析

通过现场试验分析，外海风电桩基在荷载作用下的变形大，采用大量程位移传感器是十分必要的。同时由于外海恶劣的自然环境影响，基准桩无法实现绝对的稳定状态。因此采用精度为0.01 mm的百分表进行测试是没有必要的，建议在恶劣的自然环境条件下位移传感器的测试精度应适当的降低。

海上风电工程试桩得到的m值远小于JTS 167-4—2012《港口工程桩基规范》中推荐的m值范围，说明对于海上风电工程等桩径大、桩长长，水平荷载作用下变形大的桩基结构，现有m法的设计经验无法满足工程建设的需要[7-8]。

4 结语

外海海上风电静载试验风险高、投入大。获得完整的试验成果需要作出充足的试验准备。通过本项目对试验方法的改进与优化，可有效提高试验数据的准确性与可靠性，确保海上风电静载试验获得成功。总结海上风电工程试桩所需改进及优化的项目如下：

1）采用量程较大的位移传感器，传感器精度可适当降低。

2）水平静载试验应对钢管桩加载点位置进行加固，防止钢管桩变形影响测试精度。

3）鉴于p-y曲线的复杂性，建议水平静载试验采用多种测试方法进行测试，通过不同方法对测试结果进行相互验证，并建议采用理论计算方法对试验结果进行分析。