海上桩基础注水加压拆除法的研究

张浦阳，信连硕，丁红岩，乐丛欢

海上桩基础注水加压拆除法的研究

张浦阳1, 2，信连硕1，丁红岩1, 2，乐丛欢1, 2

(1. 天津大学建筑工程学院，天津 300350；2. 天津大学水利工程智能建设与运维全国重点实验室，天津 300350)

近年来，全球海上风电发展势头迅猛．单桩基础作为最早应用于海上风电的基础类型，在全球风场中占据主导地位．现有风机的寿命一般约为20年，预计未来10年将迎来大量风机退役，这使得海上桩基础的回收问题变得愈发重要．为更好地解决海上桩基础退役拆除问题，本文通过物理模型实验的方式对注水加压拆除法进行了研究．实验结果显示：大直径桩基础拆除时所需压强更小，更易通过注水加压拆除法进行拆除；桩基础初始倾角对注水加压拆除所需压强影响较小，但初始倾角越大基础越易倾倒；拆除过程中桩基础单位位移引起的舱内压强下降幅度始终相同，不受基础直径、入泥深度以及倾角的影响．根据物理模型实验数据，结合土力学、水力学相关理论，建立了注水加压拆除法全过程理论模型，可大致预测不同桩径、不同入泥深度桩基础的启动舱内压强与舱内压强-位移曲线，并且在此基础上，结合渗流计算，利用有限元模型对水泵在注水回收过程中可产生的最大舱内压强进行了预测，对比最大舱内压强与基础拆除所需的启动舱内压强即可判断此水泵能否用于注水加压拆除．本文所得结论可为海上风电桩基础的退役处理提供参考，有助于保障风场海床资源的可持续利用，具有一定的工程价值．

海上风电；桩基础；拆除；注水加压；模型实验

近年来海上风电快速发展，越来越多的风机投入使用．风机整机的使用寿命一般在20年左右，这意味着未来10年将迎来大量风机退役．单桩基础是最早的风机基础形式，也是在现有风场中占比最高的基础形式．从现有的风机退役经验来看，风机基础拆除采取的办法大多是对桩体进行切割，此种拆除方法会在风场中遗留大部分桩体，这将会为新基础的安装带来很大影响．

在以往的研究中，筒型基础的注水加压拆除方法已经在不同场境中取得成功．丁红岩等[1]、Le等[2]在辽东湾采用了注水加压法成功拆除了服役7年的三筒靠船平台，且在拆除后重新进行了安装，结果表明在较长的服役时间后，筒型基础平台的极限抗拔力提高了约85%；Lorenti等[3-4]、Lehane等[5]在香港东南水域使用注水加压法拆除了一个直径3.4m、高度12m的吸力式沉箱，确定了其极限抗拔能力，随后进行了一系列离心机实验研究吸力式筒型基础的拔出机理，提出了一种预测所需要拔桩力的计算方式；Huang等[6]通过模型实验的方式研究了改进型吸力沉箱(modified suction caisson，MSC)和常规吸力沉箱(regular suction caisson，RSC)的注水加压拆除过程，研究了不同的拆除方式(注水加压拆除和吊装拆除)和注水速率对超孔隙水压力变化的影响.此外，Zhang等[7-10]通过物理实验深入研究了筒型基础安装与拆除过程中筒-土相互作用机理和土质对调平的影响，分析了沉贯中孔隙水压力与土压力变化，研究了吸力沉箱的安装阻力、水压拆除机制，以及复杂条件下筒型基础的下沉阻力和临界吸力．由此可见，在筒型基础注水加压拆除方面已经进行了深入的研究与实践，证明了此拆除方法的可行性．

近年来，注水加压拆除法在桩基础领域的研究已经初步开展．2021年Beuckelaers等[11]提出了桩基础一维注水加压拆除理论，推导出了不同土质条件下桩体入泥深度和拆除时临界启动压强的关系，但相关理论推导还未进行实验验证，研究对象也集中在竖直桩体，并未对倾斜桩体进行讨论．

本文旨在利用筒型基础所使用的注水加压拆除法去解决桩基础的拆除问题．这种方法能够实现基础的完整拆除，并且具有噪音低、工序简单、施工设备易得等优势．

本文采用物理实验的方式，研究了竖直桩基础与倾斜桩基础的注水加压拆除过程，在一定程度上明确了拆除过程中桩-土之间的作用机理以及此拆除技术的适用工况；根据水力学与土力学原理对桩基础拆除所需压强以及拆除过程中的压强-位移曲线进行了拟合，并且提出了一种基于渗流计算的加压水泵选型办法．

1 物理模型实验

1.1 课题原型以及实验工况

单桩基础是占比最高的海上风电基础，有着多样的尺寸与入泥深度．本课题主要研究大直径单桩基础与早期风场小深度单桩基础，部分原型基础尺寸如下：荷兰Lely风场中的500kW两叶片风机基础直径3.7m，入泥深度15m；揭阳神泉某风场风机基础直径8.7m，入泥深度35～40m；福建庄河某风场风机基础直径8.2m，入泥深度31m；盐城国能大丰H5#风场风机基础直径8.2m，入泥深度40m．由此确定本文原型基础入泥深度与直径的比值范围为4～5．

传统桩基础以竖直桩为主，倾角不超过0.5°，承台基础斜桩倾角较大，一般在6°～12°．

综合以上分析，以桩基础直径、入泥深度以及初始倾角为变量，设计实验工况如表1所示．

表1 实验工况

Tab.1 Experimental conditions

1.2 实验流程

实验所用砂土为福建标准砂，是水工实验中较为常用的砂土，其物理性质较为稳定，在一定程度上可以代表我国海域砂土地基的土质特性．实验砂粒径范围为0.1～2.0mm，相对密实度为0.58，弹性模量为18MPa，内摩擦角为32.5°，最大干密度为1.5g/cm3，最小干密度为1.1g/cm3，渗透系数为0.068cm/s．

实验前将干燥的实验砂通过落雨法转移到实验土槽当中，然后通过布置在土槽底部的带孔水管排向内注水，实现砂土自下而上的浸润，当水面高出泥面10cm左右时停止注水．

在实验模型方面，选择使用有机玻璃而非钢材作为制作桩基础模型的材料，主要原因在于有机玻璃模型能够直接展示桩内水-土相互作用，而且其密度较钢材更小，更符合缩尺实验的重力相似准则．

根据实验土槽的尺寸确定实验的相似比为1∶40．具体而言，桩基础模型高度为120cm，侧壁厚度为5mm，直径分别为25cm、20cm和15cm，质量分别为11.90kg、9.15kg和6.70kg．为了进行加压拆除实验，在模型顶部安装了钢制顶盖，顶盖以法兰形式设计，并布置两个直径为8mm的水管接口，同时预留了孔压计的安装孔．

注水加压拆除实验过程如图1所示．先通过一根注水管向桩内注水并排净空气，定义此过程为注水排气阶段．当桩内水从另一注水孔溢出时，将另一根注水管连接注水孔，此时两根水管同时向桩内注水加压，定义此后阶段为封闭加压阶段．在进入封闭加压阶段后桩基础开始向上位移，当桩基础倾倒或者不再产生位移时实验停止．在实验过程中，桩基础一旦倾斜很难扶正，并且会在短时间内倾倒．

（a）注水排气阶段 （b）封闭加压阶段

（c）拆除终点(未倾倒)     （d）拆除终点(倾倒)

图1 注水加压拆除过程

Fig.1 Water injection demolition process

2 实验结果

W-D20H80-0工况拆除曲线如图2所示．由图2(a)可知，舱内压强随着位移的增大而降低，且舱内压强的波动幅度也逐渐降低．由图2(b)可知，桩基础开始位移时的舱内压强约为42kPa，定义此舱内压强为初始启动舱压．由图2(c)可知，舱内压强的波动呈现出相似的规律：在某一位置处，压强逐渐增大直到桩基础发生位移，在位移过程中舱内压强逐渐减小直到本次位移结束，在新位置压强继续增大直到桩基础再次位移．除此之外，图2(c)将不同位移阶段的拆除曲线进行对比，发现整个拆除过程中大部分舱内压强下降阶段的曲线几乎平行，这说明水动力拆除过程中桩基础单位位移引起的舱内压强下降幅度相同，后续研究中将舱内压强下降阶段的曲线简称为降压曲线.

（a）全程曲线

（b）启动曲线

（c）细节曲线

图2 W-D20H80-0工况拆除曲线

Fig.2 Demolition curves under W-D20H80-0 working condition

2.1 不同直径桩基础拆除曲线

不同直径桩基础拆除曲线如图3所示，由于W-D15H80-0工况注水加压拆除失败，因此图3中无此工况．从全程曲线来看，直径越大的单桩基础拆除所需舱内压强越小．从启动曲线来看，在入泥深度相同的情况下，桩基础直径越大拆除所需舱内压强越小，且拆除所需舱内压强大致呈现与直径成反比的规律.从细节曲线来看，在基础位移相同的情况下，桩基础直径越大，舱内压强波动幅度越小，波动频率越高，并且不同直径的工况的降压曲线近似平行．

（a）全程曲线              （b）启动曲线             （c）细节曲线

图3 不同直径基础拆除曲线

Fig.3 Demolition curves of foundations with different diameters

2.2 不同入泥深度桩基础拆除曲线

不同入泥深度桩基础拆除曲线如图4所示．从全程曲线来看，入泥深度越大拆除所需舱内压强越大，且舱内压强随位移下降趋势相近．从启动曲线来看，在直径相同的情况下，桩基础入泥深度越大拆除所需舱内压强越大，且拆除所需舱内压强大致呈现与入泥深度的平方成正比的规律．从细节曲线来看，W-D20H70-0与W-D20H60-0工况降压曲线斜率相近，W-D20H80-0工况降压曲线斜率偏大．

（a）全程曲线              （b）启动曲线              （c）细节曲线

图4 不同入泥深度桩基础拆除曲线

Fig.4 Demolition curves of pile foundations with different mud depths

2.3 不同初始倾角桩基础拆除曲线

不同初始倾角桩基础拆除曲线如图5所示．从全程曲线来看，不同初始倾角桩基础拆除曲线走势十分相似，不同点在于初始倾角大的工况更容易因倾倒导致拆除终止．从启动曲线来看，不同初始倾角桩基础启动舱压都稳定在32kPa附近．从细节曲线来看，不同初始倾角桩基础降压曲线斜率、波动频率与波动幅度相近．

（a）全程曲线              （b）启动曲线              （c）细节曲线

图5 不同初始倾角桩基础拆除曲线

Fig.5 Demolition curves of pile foundations with different initial inclination angles

2.4 注水加压拆除过程中桩芯土受力

以W-D20H80-0工况为例，在入泥深度20cm与30cm处分别布置1号与2号测点，桩芯土两测量点在拆除过程中土压与超孔隙水压变化如图6所示．

图6 拆除时桩芯土内土压与超孔隙水压变化情况

两测点的孔隙水压与舱内压强始终保持下降的趋势，且两测点孔隙水压差值十分稳定．测点土压在某时刻有着增大的趋势，且1号测点土压增大时刻先于2号测点．以上分析说明在注水加压拆除过程中，桩芯土在水压作用下有效土压增大，这导致桩土之间摩擦阻力增大，拆除所需上拔力增大．

3 理论推导

3.1 突破压强

桩基础在注水加压拆除过程中的受力情况如图7所示：水泵将水注入到封闭的桩舱中，导致舱内水压增大；在桩内外水压差的作用下，桩内水体通过桩芯土开始向下渗流；桩舱内增大的水压作用在桩体顶板上使桩体获得上拔力，其作用在桩芯土上增大桩芯土的有效土压．

图7 注水加压拆除过程桩基础受力

桩基础在水压作用下获得上拔力的同时，基础入泥部分会受到向下的摩擦力，当上拔力超过桩土摩擦力与桩体重力的合力时，桩基础将发生位移，即

代入相关数据，计算结果如表2所示．由表2可以发现不同工况下计算所得i值较为接近，在一定程度上证明了此理论模型的适用性．根据计算内容，在后续推导过程中i值取0.262．

桔皮书是实施专利链接制度的基础，只有列入桔皮书中的专利才能适用这一制度。列入桔皮书的专利情况能够反映原研药企业对这一制度的利用情况，桔皮书中登记的专利的量和类型变化也反映了药品专利的发展情况和趋势。

表2i的计算值

Tab.2 Calculation values of ai

3.2 运动曲线

以W-D20H80-0工况为例，在桩基础拆除过程中舱内压强增大至突破压强后，桩体克服最大摩擦阻力向上移动，在移动过程中舱内压强随着位移线性减少，之后桩基础在重力与侧壁滑动摩擦力的作用下减速至停止，然后在新位置重复加压过程．

桩基础将发生位移时，舱内压强提供的上拔力为

式中为桩体质量．

在后续位移过程中，桩基础舱内压强随着基础位移而线性减小，则位移过程中加速度为

3.3 理论验证

综合上述理论进行曲线拟合，拟合过程中参数取值如表3所示，拟合效果如图8所示．

表3 拟合参数

Tab.3 Fitting parameters

3.4 最大舱内压强计算

桩土系统的流量-舱内压强曲线使用ABAQUS软件进行计算．模型整体外观与网格划分如图10(a)所示，所有土体网格需要设置为pore fluid/stress类型，模型总单元数约为5×104．土体部分直径为2m，高度为2m，弹性模量取值18MPa，内摩擦角取值32.5°，泊松比取值0.3，渗透系数取值0.068cm/s，浮容重取值500kg/m3．桩体部分直径为0.2m，高度为1.2m，入泥部分长度为0.8m，弹性模量取值3GPa，浮容重为180kg/m3．桩土之间采用摩擦接触，摩擦系数为0.35．桩芯土顶部施加随时间线性增大的舱内压强，施加区域如图10(b)所示．

最大舱内压强计算如图11所示．将流量-压强曲线(水泵)与桩土系统的流量-舱内压强曲线(渗流)绘制到该图中，曲线交点纵坐标即为此水泵作用于此工况可以得到的最大舱内压强．

（a）W-D20H80-0全程曲线对比     （b）W-D20H80-0启动曲线对比      （c）W-D20H80-0细节曲线对比

（d）W-D25H80-0全程曲线对比      （e）W-D25H80-0启动曲线对比  （f）W-D25H80-0细节曲线对比

（g）W-D20H70-0全程曲线对比    （h）W-D20H70-0启动曲线对比      （i）W-D20H70-0细节曲线对比

（j）W-D20H60-0全程曲线对比      （k）W-D20H60-0启动曲线对比 （l）W-D20H60-0细节曲线对比

图8 理论拟合效果示意

Fig.8 Schematic of theoretical fitting effect

（a）全程曲线对比(不同直径)      （b）启动曲线对比(不同直径)       （c）细节曲线对比(不同直径)

（d）全程曲线对比(不同入泥深度)     （e）启动曲线对比(不同入泥深度)  （f）细节曲线对比(不同入泥深度)

图9 不同直径、不同入泥深度基础拆除曲线(理论拟合)

Fig.9 Demolition curves of foundation with different diameters and different mud depths(theoretical fitting)

（a）模型整体 （b）水压施加区域

图10 W-D25H80-0渗流计算有限元模型

Fig.10 Finite element model of W-D25H80-0 seepage cal-culation

图11 最大舱内压强计算

4 结 语

本文通过物理模型实验的方式，研究了注水加压拆除法在海上桩基础领域的应用特征，并根据实验数据，结合土力学、水力学相关理论，建立注水加压拆除法全过程理论模型．

本文所得结论如下：注水加压拆除过程中桩基础位移是跳跃的而非连续的；注水加压拆除过程中桩芯土有效土压增大，其导致桩土之间摩擦阻力增大；大直径桩基础更易通过注水加压拆除法进行拆除；桩基础初始倾角对注水加压拆除所需舱内压强以及拆除曲线影响较小；本文所述注水加压拆除法全过程理论模型与实验结果较为接近，初步解决了启动压强与拆除曲线的预测问题，同时基于此理论结合施工设备特点提出了一种水泵选型标准．

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Research on Water Injection Demolition Method for Offshore Pile Foundation

Zhang Puyang1, 2，Xin Lianshuo1，Ding Hongyan1, 2，Le Conghuan1, 2

(1. School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300350，China；2. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Intelligent Construction and Operation，Tianjin University，Tianjin 300350，China)

In recent years，the global offshore wind energy has kept a rapid growth. As the earliest foundation type used in offshore wind power generation，monopile foundations dominate in offshore wind farms worldwide. Since the existing turbines typically last around 20 years，a large number of them are expected to be decommissioned in the next decade，which illustrates the increasing importance of recovering offshore pile foundations. To address the problem of decommissioning and demolishing offshore pile foundations，a water injection demolition method was studied in this paper based on physical model experiments. Experimental results indicate that when using the proposed water injection demolition method，larger-diameter pile foundations required lower pressure，and the initial tilt angle had a limited impact on the required pressure，although a large angle may increase the risk of toppling. During the demolishing process，the chamber pressure drop due to the unit displacement of the pile foundation remained consistent，which was independent of the influences of foundation diameter，mud depth and tilt angle. Based on the combination of experimental data，soil mechanics and the hydraulic theory，a theoretical model for the whole demolition process was established，which can be used to predict the initial chamber pressure and chamber pressure-displacement curves under conditions of different pile diameters and different mud depths. Moreover，with the incorporation of seepage calculations and a finite element model，the maximum chamber pressure generated by a water pump during the water injection demolition process was predicted，so that whether the water pump was proper for injecting water can be determined by a comparison between the predicted maximum chamber pressure and the required pressure for foundation demolition. The findings in this paper provide a reference for decommissioning offshore wind power pile foundations，which contributes to the sustainable utilization of seabed resources in wind farms and is of engineering significance.

offshore wind power；pile foundation；demolition；water injection；model experiment

TU449

A

0493-2137(2024)04-0437-08

10.11784/tdxbz202305033

2023-05-29；

2023-08-17.

张浦阳（1978—  ），男，博士，副教授.

张浦阳，zpy_td@163.com.

国家自然科学基金资助项目(52171274).

the National Natural Science Foundation of China(No.52171274).

(责任编辑：武立有)