华能如东300MW海上风电场工程位于江苏省如东县的烂沙洋附近, 规划面积约为82km², 拟建场区中心离岸最近距离约23km。本风电场总装机容量300MW, 拟安装50台4MW单桩基础和20台5 MW高桩承台基础的风电机组。

本次工程试桩选用2组5.0MW高桩承台风机基础 (编号ZK52, ZK69) , 两机位相距约7.5km。本次试桩工程每个机位桩基基础采用9根2 000mm钢管桩, 桩顶标高+11.000m (85国家高程基准, 下同) , 8根5∶1斜度的钢管桩沿直径11.5m的圆周均匀分布, 利用其中4根作为锚桩 (编号M1, M2, M3, M4) , 2根作为基准桩 (编号J1, J2) , 在风机机位中心布置1根直桩作为试验桩S, 如图1所示。

根据《华能300MW海上风电场试桩工程桩基试验技术要求》, 预计最大抗压试验荷载50 000k N, 抗压试验荷载30 000k N。设计文件要求试验所用静载设备最高抗压承载力可以加载到50 000k N, 抗拔承载力可以加载到30 000k N。

根据公司现有的50 000k N级静载反力设备的尺寸, 抗压静载试验及抗拔静载试验反力架设计如图2所示。

根据设计文件提供的极限承载力, 本次试桩配备使用公司自有的50 000k N级静载反力钢梁, 配套规格尺寸如表1所示。该套设备采用特种钢材制作, 在本项目的桩跨距条件下, 极限加载能力超过50 000k N, 完全满足设计加载要求。整个试验加载过程由专用试桩程序软件计算机自动控制、自动读数、存储试验数据、自动判别。

本次试桩采用5∶1斜度的钢管桩作锚桩时, 在锚桩与试验大梁之间须加设带有牛腿的钢桩帽作抗拔反力支承。根据工期要求, 本次试桩配备了8个锚桩桩帽和1个试验桩桩帽 (见表2) 。

本次试桩静载试验分2次进行, 在进行抗压静载试验时, 仅有锚桩桩帽受抗拔力, 每个桩帽抗拔力为12 500k N;在进行抗拔静载试验时, 试验桩桩帽受抗拔力, 抗拔力大小为30 000k N, 锚桩桩帽受压力作用, 每个桩帽压力大小7 500k N。故本次内力验算时, 仅需对抗拔静载试验时的试验桩桩帽及抗压静载试验时的锚桩桩帽进行验算。

抗压试验中, 作用在每根锚桩上的抗拔荷载为17 500 k N, 其中1.4为组合系数。有限元计算模型、应力及位移计算结果如图3所示。

由图3可以看出: (1) 在进行抗压试验时, 倾斜锚桩桩帽局部出现应力集中, 最大应力达114.5MPa, 桩帽整体满足强度要求; (2) 桩帽最大竖向位移13 mm, 整体位移不大。

作用在试桩上的抗拔荷载为30 000×1.4=42 000 k N, 其中1.4为组合系数。有限元计算模型、应力及位移计算结果如图4所示。

由图4可以看出, 在进行抗拔静载试验时, 试验桩桩帽处局部范围内存在应力集中, 最大应力达64.76 MPa, 牛腿整体满足强度要求;牛腿最大竖向位移8.6mm, 整体位移不大。

由于锚桩为斜桩, 与桩帽之间的连接存在较大的应力集中, 因此考虑焊接加筋板的方式进行局部加强, 共设置30块30mm×200mm×400mm矩形加筋板, 材质选用Q345C。

每块加筋板焊缝长度按桩帽上的总焊缝长度计算:Σl=200+200=400mm, 焊缝高度≥30mm。试验加载时, 加强筋板焊缝按最不利截面受剪, 考虑现场焊接条件较不利且未考虑检测手段判断焊缝等级, 因此按σ=10k N/cm²估算焊缝强度。考虑焊接缺陷, 焊缝高度按0.7系数计算, 每块加筋板合计能承受的拉力估算值为:0.7×40×3×10=840 k N>N=580 k N, 完全满足要求。

式中:V为截面剪力;t为加筋板厚度;l为加筋板宽度。

经计算, 满足强度要求。

限位钢管与锚桩连接处存在较大应力集中, 因此针对锚桩和限位钢管连接处进行局部加强处理。在与每根锚桩连接的限位钢管上均匀布置8块三角形加劲板, 加劲板尺寸200mm×300mm×30mm。

抗压静载试验时, 作用在每根锚桩上的抗拔荷载为50 000/4×1.4=17 500k N, 其中1.4为组合系数。经加强后, 在进行抗压试验时, 仅加劲肋与限位钢管连接处局部小范围内存在应力集中, 最大集中应力154.1MPa, 限位钢管总体满足强度要求;试桩最大竖向位移20.41mm, 满足要求。

本次桩基试验采用5∶1斜桩作为锚桩, 在可能受到50 000k N超高静载力的作用下, 会产生较大的水平力, 如何消除水平力的不利作用是本次试验的关键;锚桩为斜桩, 在桩头割平后形成椭圆面, 如何保证该椭圆面与圆形桩帽平顺连接是本次试验的难点。

为保证本次试验顺利进行, 在采取了上述局部加固措施后, 本次试桩过程中在桩帽与锚桩之间增加1块厚2cm的Q345C材质钢板夹层 (见图5) , 此钢板与桩帽及锚桩接触位置内外焊缝均进行焊接。这样既便于桩帽与锚桩的连接, 还能克服静载力产生的水平力。

在2根试验桩制作期间, 同步完成光纤传感器的布置、观测通道的埋设以及土压力计的安装等工作。

工厂内制桩时, 在试验钢管桩内侧从桩尖到桩顶以下4m处对称焊2条180mm×180mm×12mm角钢, 形成保护槽, 槽内埋设分布式光纤传感器, 垂直方向也对称焊1条180mm×180mm×12mm角钢, 用于安放测斜管, 在观测通道对应钢管桩外表面 (正前方, 水平力试验时桩身受荷方向每隔5m焊接1块250mm×250mm×20mm的钢板) 安装土压力计, 在各级水平荷载作用下, 与挠度同步测量各深度的桩周土压力, 各预埋元器件平面布置如图6所示。

由于本风场海况条件较为恶劣, 为保证试桩试验的安全稳固, 因此需对桩基进行可靠有效的保护。在试验平台搭设完成后, 立即进行水平限位钢管的安装及焊接。采用180t全回转起重船进行安装。

水平限位钢管焊接完成, 整个机位连成整体。项目部测量人员放设标高, 工人采用气割进行桩头割除找平。

在水平联系限位钢管安装焊接完成后, 进行桩帽安装。本次试桩2个试验机位的桩帽均采用180t全回转起重船进行安装。

1) 墩台中间试验桩S与桩帽直接对接焊接, 焊缝坡口为双向∠45°。

2) 工程锚桩桩斜度5∶1, 割除桩顶后, 顶面为椭圆, 与上部桩帽圆面搭接有错牙, 增加1块厚度2cm的Q345C钢板夹层, 此钢板与桩帽及工程桩接触位置内外焊缝均进行焊接。

在桩帽与锚桩及试验桩加强筋焊接完成后, 进行试验大梁及圆盘的安装。本次试桩2个试验机位的试验大梁及圆盘均采用180t全回转起重船进行安装。

本次抗压静载试验反力系统采用50 000k N级反力梁系统, 由4根锚桩提供试验反力, 加载系统由14只5 000 k N级油压千斤顶、70 MPa超高压油路和油泵组成, 数据采集由RS-JYC基桩静载荷测试系统自动完成。加卸载时荷载由经标定合格的精密油压表控制。

根据设计文件要求及JTJ255—2002《港口工程基桩静荷载试验规程》, 本机位荷载分级按预计最大试验荷载的1/12分级。本机位抗压静载试验加载过程按每级3 000k N进行加载, 根据设计要求, 要加载至桩周土体破坏。试验从6 000k N加至18 000 k N时, 加载段的荷载-沉降曲线基本保持线性, 继续加下一级至21 000k N时, 桩顶总沉降量增加至118.56mm, 荷载-沉降曲线出现明显陡降段, 达到规范规定的土体破坏标准, 本级测试完毕后开始分级卸载, 卸载至零后的桩顶残余沉降量为69.95 mm。根据规范判定, 试验桩单桩竖向抗压极限承载力推荐值为18 000k N。

ZK52机位试验桩 (S1) 抗压静载试验数据如表3所示, Q-s曲线及s-lgt (时间对数) 曲线如图7所示。

ZK69机位试验桩 (S2) 抗压静载试验数据如表4所示, Q-s曲线及s-lgt曲线如图8所示。

抗拔静载试验仍采用50 000k N级反力梁系统, 由4根锚桩提供试验反力, 加载系统由8只5 000k N级油压千斤顶、70MPa超高压油路和油泵组成, 数据采集由RS-JYC基桩静载荷试验测试系统自动完成。加卸载时荷载由经标定合格的精密油压表控制。

根据设计文件要求及《港口工程基桩静荷载试验规程》, 本机位荷载分级按预计最大试验荷载的1/12分级。抗拔静载试验加载过程先按每级加载量2 000k N加载至8 000k N, 8 000k N以后按每级1 000 k N进行加载, 直至桩周土体破坏。试验从2 000 k N加至8 000 k N时, 加载段的荷载-上拔量曲线基本保持线性, 继续加下一级至9 000k N时, 桩顶总上拔量增加至107.22mm, 荷载-上拔量曲线出现明显陡降段, 达到规范规定的土体破坏标准, 本级测试完毕后开始分级卸载, 卸载至零后的桩顶残余上拔量为88.69mm。根据规范判定, S1桩单桩竖向抗拔极限承载力推荐值为8 000k N。

试验桩抗拔数据如表5所示, U (荷载) -δ (上拔量) 曲线及δ (桩顶上拔量) -lgt (时间对数) 曲线如图9所示。

S2桩试验时, 桩顶处于自由无约束状态, 试验加载过程先按每级加载量2 000k N加载至6 000k N, 再按每级1 000k N加载至7 000k N, 最后按每级500 k N加载直至桩周土体破坏。试验加至7 500 k N时, 荷载-上拔量曲线出现拐点, 当加载至8 500k N时, 桩顶总上拔量增加至101.70mm。本级测试完毕后开始分级卸载, 卸载至零后的桩顶残余上拔量为84.32mm。根据规范判定, S2桩单桩竖向抗拔极限承载力推荐值为7 500k N。

S2桩抗拔试验数据如表6所示, U-δ曲线及δ-lgt曲线如图10所示。

本次试验过程严格按照规范及设计要求进行, 试验数据真实可靠, 试验结果得到设计及业主的认可。两个试桩机位的抗压、抗拔静载试验获得成功。本次海上风电试桩工程在如此超高静载力作用下采用了斜桩作锚桩, 在国内极为少见。利用现有设备, 通过理论设计验算, 并在实际过程中成功应用该技术, 为后续同类项目实施提供了参考, 积累了宝贵的经验。同时利用完后的锚桩成为该机位的工程桩, 大大降低了业主投资成本, 具有较高的推广价值。