， ，

(1 上海港湾工程质量检测有限公司，上海 200232； 2 北京海港房地产开发有限公司，北京 100085)

0 引 言

风电是当前世界范围内发展速度最快的绿色清洁能源之一，我国海上风能资源储量丰富，东部沿海特别是江苏、浙江和福建沿海及近海的自然条件非常有利于建设海上风电，具备大规模开发的良好前景。海上风机基础属于重要性基础设施，是海上风力发电机的支撑构件。目前海上风电的主要基础型式有单桩基础、导管架基础、高桩承台基础、重力式基础等，其中单桩基础由于受力分析明确、制作方便、施工速度快等优点越来越受到国内设计院的青睐。

单桩基础通常为单根大直径钢管桩基础，安装在水下及海床内，其插入深度取决于水深和海床地质条件，稳定性取决于所嵌入土体的性质。虽然大直径钢管桩已经在风电工程中得到应用，但国内外对大直径钢管桩承载性能的研究较少，根本原因是：大直径钢管桩现场的静载荷试验需要很大的外载荷，现场试验的难度较大，成本也较高。目前仅有少数完整的大直径桩静载试验。英国Thomas公司[1]在某钻井石油平台工程中进行直径为760 mm、桩长为58 m的大直径钢管桩静载荷现场试验，试验的极限荷载达30 000 kN；王卫东等[2]对3根直径为1 000 mm、桩端埋深为88 m的大直径超长灌注桩进行现场载荷试验，加载达到24 000 kN时，桩顶位移约为20 mm，此时桩基尚未破坏；刘齐建等[3]测试变截面大直径钢管桩，该桩基上部直径1 300 mm，下部直径1 000 mm，总桩长61.5 m，试验荷载最大加至16 200 kN，此时对应的桩顶位移达33 mm，此时试桩未破坏，但由于锚桩已被拔起数十厘米，考虑安全因素，不得不终止试验。目前，海上风电单桩基础工程中所使用的钢管桩直径远远超出上述试桩，因此想要测量出桩基的极限承载力则需要施加更大的载荷。本文基于中广核如东150 MW海上风电场示范项目，完成直径为2 800 mm的试桩抗压承载力试验，对其承载性能进行研究，为大直径钢管桩的工程实践及理论分析提供参考。

1 工程概况与试桩方案

中广核如东150 MW 海上风电场示范项目位于如东近海，距离海岸约20 km，隶属烂沙海域。平均海平面高程为0.06 m，平均海床面高程为-8.50 m；设计低潮位(P=90%)为-3.06 m，设计高潮位(P=10%)为3.02 m，极端高潮位(50年一遇)为5.13 m。

1.1 自然条件

根据钻孔揭露的地层结构、岩性特征、埋藏条件及物理力学性质，结合原位测试成果、室内试验和区域地质资料可知：勘探深度(勘探孔最深85.60 m，高程-99.10 m)内均为第4系沉积物，为冲积、海积及河口-海陆相沉积。勘探深度内场区土按地质时代、成因类型及工程特性，可分为4大层、5个亚层。根据地质勘察成果报告得到试桩范围内土层分布及特点见表1，场址区各土层天然地基及桩基设计参数建议值见表2。

表1 土层分布图

表2 天然地基及桩基设计参数建议值

1.2 试验方案

中广核如东海上风电场前期风机基础拟采用三桩导管架基础，钢管桩直径为2 800 mm，壁厚35～45 mm。根据三桩导管架风机基础桩位布置，在该基础附近增加8根辅助桩，其中6根辅助桩与原有的2根工程桩组成2组试桩和锚桩，另外2根辅助桩为基准桩。根据《港口工程基桩静载荷试验规程》[4]等规范要求并综合考虑试验桩径及现有国内最长钢梁等情况，经济、合理地布置试桩、锚桩和基准桩，得到图1所示的布置方案，其中：(1)S1、S2试桩。辅助桩作为试桩，桩径同工程桩，用于高应变检测及轴向抗压静载试验。钢管桩长96.5 m，入土深度为85 m，估算轴向抗压承载力标准值为43 800 kN。(2)M1，M2，M3，M5锚桩。辅助桩作为锚桩，桩径同工程桩。(3)M4，M6桩。工程桩作为锚桩。(4)J1，J2基准桩。辅助桩作为基准桩，为直径1 000 mm的钢管桩。

图1 试桩、锚桩及基准桩布置平面图

2 试验过程与结果分析

S1和S22根试桩的单桩竖向抗压静载荷试验如图2所示。试验反力系统采用50 000 kN级反力梁系统，由4根锚桩提供试验反力，加载系统由16只5 000 kN级油压千斤顶、70 MPa超高压油路和油泵组成。加卸载时荷载由经标定合格的精密油压表控制，试验方法采用快速维持荷载法。

图2 试桩抗压静载荷试验装置

2.1 载荷沉降分析

S1和S22根试桩均先按预估最大荷载44 000 kN加载。图3为S1试桩抗压试验沉降曲线。图4为S2试桩抗压试验沉降曲线。可以看出：(1)载荷为44 000 kN时，加载段的Q(荷载)-s(沉降)曲线基本呈线弹性关系，继续加载至50 000 kN，该级沉降增量平稳，未出现陡增的情况。考虑到反力系统采用的是50 000 kN级反力梁系统，且试验现场环境较恶劣，此时荷载已超过预估最大荷载44 000 kN，故决定停止加载。(2)从载荷试验结果可以看出：由于2根桩的Q-s曲线加载段基本呈现线弹性关系，s-lgt(t为时间)曲线尾部亦未出现陡降现象。根据《港口工程桩基规范》[5]以及《港口工程基桩静载荷试验规程》[6]，判断该桩单桩轴向抗压极限承载力不小于50 000 kN。(3)桩顶最大沉降及残余沉降均相差不大，桩顶最大沉降为40～46 mm，考虑桩身弹性压缩变形后实际沉降量较小，桩土剪切变形仍处于弹性阶段。(4)通过沉降杆测试到的桩尖沉降不足10 mm，桩尖土亦处于弹性压缩阶段。同时，加载值越大，试桩桩端沉降相比桩顶沉降则越小。当加载值在20 000 kN左右时，即在一般工作荷载时，桩端沉降接近0，表明此时的桩顶沉降几乎全部由桩身的上半部分压缩变形产生。此时的桩顶沉降位移约15 mm，说明在此工况下大直径钢管桩是安全可靠的。

图3 S1桩抗压试验沉降曲线

图4 S2桩抗压试验沉降曲线

2.2 桩身轴力分析

根据桩身应变测试数据绘制试桩桩身轴力随荷载变化的曲线，如图5所示，可以看出：试桩所承受的竖向荷载克服桩侧摩阻力沿桩身向下传递，桩身轴力随深度的增加而减小，且减小的幅度随桩身周围土层性状的变化而变化。对比2根试桩的桩身轴力分布曲线，在初始荷载8 000 kN的作用下，S1桩的荷载传递到约-70 m处，而S2桩的荷载约传递到-75 m处，表明在荷载较小时，桩身荷载不会传递到桩端部；而在各级荷载的作用下，试桩轴力分布曲线的斜率沿深度变化不同。在50 000 kN荷载的作用下，桩端的轴力约为5 000 kN，只占桩顶所受竖向荷载的10%，这表明传递到桩端的荷载比较小，试桩整体呈现出摩擦型桩的特性。

图5 单桩抗压试验桩身轴力分布图

2.3 桩身侧摩阻力和端阻力分析

抗压侧摩阻力与桩端阻力见表3和表4。桩身侧摩阻力可以根据桩身轴力沿桩长的变化得到，如图6所示。

表3 S1桩抗压侧摩阻力及桩端阻力数值

表4 S2桩抗压侧摩阻力及桩端阻力数值

图6 单桩抗压试验桩身侧摩阻力分布图

由表3和表4可以看出：由于大直径开口钢管桩的闭塞效应不明显，钢管桩内侧摩阻力明显，导致由桩身轴力求得的总侧摩阻力明显高于岩土工程勘察报告推荐的数值。这说明对于大直径钢管桩在计算抗压承载力时还需考虑内侧摩阻力的影响。

由图6可以看出：当荷载较小时，桩身侧摩阻力在到达一定深度后趋于一个定值，而随着荷载的逐步增大，下层土的侧摩阻力逐渐发挥出来，侧摩阻力分布曲线的峰值表现出不断增大且下移的规律，但是由于沿桩身的侧摩阻力值随着深度的增大而增大，可推断此时桩端的端阻力并未完全发挥。观察桩身侧摩阻力曲线的变化趋势可以看出：侧摩阻力值在浅层土随荷载的增加增长较快。以上规律表明：超大直径钢管桩的桩侧摩阻力发挥特性会受土层性质和土体埋深的影响。

3 结 论

根据直径2 800 mm钢管桩抗压承载力的现场静载试验，对大直径钢管桩的抗压承载性能进行研究，主要得到以下结论：

(1) 该桩径2 800 mm、埋深超过80 m的大直径钢管桩的抗压承载力超过50 000 kN，证明大直径钢管桩在海上风电领域应用的可行性。

(2)未达到极限承载力的情况下，试桩的Q-s曲线随着荷载的增加近似呈线性变化。

(3)在加载较大的情况下，试桩端阻比约为10%，表明大直径钢管桩仍是摩擦型桩。

(4)大直径钢管桩侧摩阻力分布曲线峰值随着外部荷载的逐步增大呈不断增大下移的趋势，桩身侧摩阻力值随着深度的增大而增大，可推断此时桩端的端阻力并未发挥。

(5)大直径钢管桩的闭塞效应不明显，因此存在内侧摩阻力，计算试桩承载力的时候须另外考虑。

[1] Thomas Telford Services Ltd.Large-Scale Pile Tests in Clay[C]//Proceeding of The Conference on Recent Large-Scale Fully Instrumented Pile Tests In Clay Held at The Institution of Civil Engineers,London,1992.

[2] 王卫东,李永辉,吴江斌.上海中心大厦大直径超长灌注桩现场试验研究[J].岩土工程学报,2011 (12):1817-1826.

[3] 刘齐建,赵明华,李俞,等.茅草街大桥桩基试验研究[J].湖南大学学报(自然科学版),2004 (04):51-54.

[4] 港口工程基桩静载荷试验规程:JTJ 255-2002 [S].2002.

[5] 浅海钢质固定平台结构设计与建造技术规范:SY/T 4094-2012 [S].2012.

[6] 港口工程桩基规范:JTS 167-4-2012 [S].2012.