一种海上风电大直径超长钢管桩的内力测试方法

2019-12-03刘钊田韩续黎双邵

中国港湾建设 2019年11期

刘钊，田韩续，黎双邵

（1.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222；2.天津大学，天津 300072）

0 引言

我国海上风电场的建设主要集中在浅海海域，且呈现由近海到远海、由浅水到深水、由小规模示范到大规模集中开发的特点。为获取更多的海上风能资源，海上风电项目正逐渐向深海、远海方向发展[1]。在这种发展趋势下，作为海上风机基础最常见的一种形式——钢管桩特别是大直径超长钢管桩的应用越来越广泛。然而，海上风电场的选址位置一般都是尚未开发的区域，缺少相应区域内其它项目的勘察、设计、施工资料进行参考，项目正式实施前需要进行海上试桩，以确定设计参数。静载试验是试桩过程中的一项必备试验，海上风电的静载试验不仅要得到桩基的极限承载力，还需要进行桩基内力测试，得到桩身侧摩阻力、端阻力，为设计参数的选取提供有力的支撑。

传统的桩身内力测试方法有：钢筋计法、电阻应变法、振弦测试法。钢筋计法成本较低、安装方便、应用广泛，但测试误差较大，信号线易断，传感器成活率低；电阻应变法测试原理与钢筋计法相同，但因受到应变片安装、保护等制约，采用该方法的越来越少；振弦测试法精度较高，但传感器不便于保护且测试量程有限，打桩时拉压应力往往会对传感器造成较大影响。以上3种方法还有共同的缺点，一是都为点测，不能得到连续数据，不便于试验研究；二是每个传感器都需要单独接线，现场连接复杂，不便于测试。因此对于测试环境恶劣、试验难度大、数据精度要求高的海上大直径超长钢管桩内力测试，传统的方法已经不能满足测试要求。

目前，分布式光纤用于桩身内力测试的相关研究并不多。缪长健等[2]通过BOFDA原理的分布式光纤传感技术，对海上超长PHC桩进行了内力测试，提出该方法得到的桩身轴力和侧摩阻力测试结果能够很好地反映桩身内力的分布变化规律，成效显著。石振明等[3]通过BOTDR（布里渊光时域反射技术）原理的分布式光纤传感技术，提出光纤检测技术适用于钢管桩侧摩阻力、桩身轴力量测，具有分布式、长距离、一端检测等优点。冯江等[4]通过BOTDR原理的分布式光纤传感技术，对直径600 mm、800 mm的混凝土灌注桩进行了内力分析，提出分布式光纤传感技术有效地避免了传统检测手段的弊端，完全能适用于钻孔灌注桩的检测。李忠义等[5]通过BOTDA（布里渊光时域分析技术）原理的分布式光纤传感技术，对直径500 mm的PHC桩进行了内力分析，提出BOTDA测试技术采样点很多，具有分布式特点，可以有效避免漏检，提高检测精度。

相比BOTDR法和BOTDA法，BOFDA法是基于频域分析，测试精度更高，可达到依1滋着，更适用于高精度的测试研究。目前，尚未发现相关文献通过BOFDA法对海上风电大直径超长钢管桩的内力测试方法进行研究。本文通过某工程海上风电大直径超长钢管桩的现场静载试验，探索了BOFDA法在海上钢管桩内力测试中的应用，可为今后海上风电大直径超长钢管桩的内力测试和科学研究提供参考。

1 BOFDA法原理介绍

BOFDA技术是通过测试复杂的基带传输函数来推算布里渊散射光频移[6]。当光纤产生温度变化或光纤延轴线产生应变时，布里渊散射频移随之产生。该频移与光纤的温度和应变都有着极好的线性关系，因此可通过该线性关系计算光纤不同位置的温度变化及应变量，从而得到整个光纤的应变分布。

按一定间隔改变入射光的频率反复测量，就可以获得光纤上每个采样点的布里渊散射光的频谱图，其峰值功率所对应的频率即是布里渊频移。布里渊频移与光纤应变之间的线性关系取决于探测光的波长和所采用的光纤类型，试验前需要对其进行标定。

2 工程实例

2.1 试验概况

某工程为海上风电试桩项目，场址用海约50 km2，水深在27耀32 m之间，场址距陆域最近距离约24 km，试桩目的为获得钢管桩单桩的抗压承载力和试验荷载下桩身轴力分布及桩周各土层侧摩阻力、桩端阻力等。试验桩参数如表1所示。本次试验采用锚桩反力梁装置，用千斤顶施加荷载。试桩按设计最大加载值46 353 kN分10级加载，试验系统可达到的最大加载能力约为90 000 kN。

表1 试验桩参数表Table 1 Test pile parameter table

根据勘察资料，结合现场试验情况，大致可分为以下主要土层：淤1淤泥~淤泥质土、淤2淤泥质土~黏土、于1黏土~粉质黏土、于3中粗砂、盂1黏土~粉质黏土、盂2黏土~粉质黏土、盂4中粗砂、榆1黏土~粉质黏土、榆3中粗砂、愚1全风化砂岩、愚2强风化砂岩。

2.2 光纤埋设及现场测试

1）传感器布设

试验采用在桩体内表面布设安装碳纤维感测光缆工艺来进行桩体变形测试。这种特制光缆采用浸渍胶全面粘贴的方式固定，然后在上方焊槽钢保护，可以有效解决在钢管桩打桩过程中可能产生的振动脱离和土层岩石破坏。沿桩体对称方式，选取2条光纤铺设线路进行光纤铺设。每条铺设线路是2条高传递紧包护套应变感测光缆（NZS-DSS-C07）在底部熔接而成的1条U形回路。具体布设如图1所示。

图1 钢管桩内光纤布设示意图Fig.1 Schematic diagram of optical fiber arrangement in steel pipe pile

2）数据采集及计算

测试使用的数据采集设备为德国fibrisTerre公司生产的fTB2505型BOFDA光纤应变分析仪，空间分辨率设置为0.2 m，采样间隔为0.05 m，步距2 MHz。利用该仪器对试桩的加卸载进行测试，每级荷载下的测试时间选在位移观测判断稳定后进行，采集结束后方可加下一级荷载。

桩身轴力、侧摩阻力的计算参考JTS 167-4—2012《港口工程桩基规范》[7]、JTS 237—2017《水运工程地基基础试验检测技术规程》[8]。将测得的各级荷载下的应变值与初始应变相减得出桩身的各级荷载下应变差值，该差值与桩身弹性模量（通过桩顶附近的桩身应变进行修正）相乘得出桩身各截面的应力值。应力值与桩身截面积之积即为桩身轴力，从而得出轴力分布。

桩身侧摩阻力按土层进行计算，在同一土层的桩身上取具有代表性的一段，得到2个横截面，两截面轴力之差与该段桩周边面积之比即为侧摩阻力。

2.3 试验结果及分析

因篇幅限制，本次只对S1试桩的轴向抗压静载荷试验内力测试结果进行分析。试验得到的极限承载力为60 259 kN，超过设计最大加载值的30%，加载过程中桩身轴力及桩周土的侧摩阻力分布见图2。由该图可知，受侧摩阻力影响，桩身轴力从桩顶至桩底逐步减小。桩身下部土层的侧摩阻力随荷载的加大逐步发挥，且随荷载等级增加，盂4中粗砂、榆3中粗砂、愚2强风化砂岩逐渐发挥主要作用。