基于吸力筒型基础施工数据的沉贯阻力系数反演分析.pdf

年第 期 水电与新能源 第 卷.:././.收稿日期:作者简介:李嘉隆男助理工程师主要从事海上风电机组基础结构设计研究基于吸力筒型基础施工数据的沉贯阻力系数反演分析李嘉隆(上海勘测设计研究院有限公司上海)摘要:基于广东某海上风电场的吸力筒型基础的静力触探数据和沉贯施工现场数据将沉贯阻力公式转化为变化量形式通过二元线性回归分析得到场址浅表层不同类型地基的沉贯端阻力系数和侧摩阻力系数 结果表明采用本文方法反演的沉贯阻力系数相比目前工程常用的 推荐沉贯阻力参数在计算吸力筒沉贯最大阻力上更准确可用于设计、施工阶段准确分析筒体受到的沉贯阻力指导并优化吸力筒型基础结构设计和施工关键词:海上风电吸力筒型基础沉贯阻力二元线性回归分析中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.):.:吸力筒型基础为顶端封闭、下端敞开的倒置筒状或倒置杯状结构适用于水深 、地基土为砂性土或软黏土层海床较为稳定的区域具有施工快速、环境友好、便于回收等优点 目前吸力筒型基础作为海上风电机组基础型式已广泛运用于我国多个海上风电场工程中吸力筒型基础设计时须进行下沉工况验算旨在评估施工时筒体的沉贯阻力为筒顶梁系结构设计和沉贯方案提供参考 吸力筒型基础结构的沉贯阻力主要来源于筒壁的侧摩阻力和筒端部的端阻力 设计阶段常用基于静力触探数据的计算公式评估施工期的筒体的沉贯阻力 该方法计算公式如下:()()()()()式中:为贯入深度()为端阻力系数为静力触探的锥尖阻力()为侧摩阻力系数 其中锥尖阻力为通过静力触探测试(简称)方法得到确定侧摩阻力系数和端阻力系数是基于静力触探数据计算沉贯阻力的主要研究方向之一 等在砂土中进行了多组大尺度筒体(高径比为.)沉贯试验发现筒体侧摩阻力系数与砂土的相对密实度有关还发现端阻力系数与砂土的相对密实度和筒体沉贯深度与直径的比值有关 等基于室内离心机试验得到了适用于澳大利亚西北海域地基的沉贯阻力参数 等通过离心机模型试验对密实砂土中吸力筒型基础的吸力下沉阻力的研究给李嘉隆:基于吸力筒型基础施工数据的沉贯阻力系数反演分析 年 月出了沉贯阻力系数取值但结果与工程实际数据却存在偏差 马文冠等在通州湾道达风电码头港池中进行了粉土地质条件下筒体(高径比为.)沉贯阻力试验给出了筒体侧摩阻力系数和端阻力系数目前大多数研究中沉贯阻力系数由室内试验得出在实际工程中适用性较差一方面因为试验中土体制备过程与实际工程中浅表层土沉积历史差异较大另外工程土体常由多种类型、成层分布的土层构成沉贯机制复杂而在试验中仅考虑单一土质本文在式()基础上利用广东某海上风电场工程中 台单柱 复合筒沉贯施工过程中数据资料结合静力触探试验数据对式()中的沉贯阻力参数进行了反演并提出适用于复杂、成层分布地基中吸力筒型基础沉贯阻力评估的技术路线 工程信息工程位于广东省海域场址面积约 场址水深范围 中心离岸距离约 .单柱 复合筒型基础结构本工程、号机位采用单柱 复合筒型基础结构型式 如图 所示单柱 复合筒型基础的筒体由筒顶盖板、筒外裙壁、分仓板、筒内裙壁组成 筒外裙壁为一直径为 圆筒其中筒入泥段高.筒体内部被直径为 厚度为 筒内裙壁和 厚的分仓板分成 个仓室图 单柱 复合筒型基础结构尺寸图.工程地质工程开展前分别在、号机位附近布置 个静力触探孔位进行了工程地质勘测 勘测结果表明地基的土质复杂在单柱 复合筒沉贯深度范围内与筒体接触的地基包括流泥、淤泥、淤泥质土、粉质黏土、粉土、粉细砂、黏土和中粗砂共 种地基 个机位沿贯入深度方向均存在黏性土与无黏性土土层交替分布的现象 反演技术路线.沉贯过程中单柱 复合筒型基础受力分析吸力筒型基础现场沉贯阻力难以通过直接测量得到仅能通过间接计算推求 为计算沉贯阻力假定单柱 复合筒型基础在下沉时刻均处于静力平衡状态在基础沉贯过程中在竖向受到吊机吊力、重力、浮力、筒顶盖板水压力、筒顶盖板内侧上顶力及沉贯阻力的作用 除筒体沉贯阻力外单柱 复合筒所受其他力均能够通过施工记录、基础设计资料和计算得到因此施工过程中单柱 复合筒型基础所受的沉贯阻力可根据下列公式进行计算:()()()式中:为沉贯阻力 为结构自重为筒顶盖板压力为吊机吊力为结构所受浮力为筒顶盖板内侧上顶力.求解沉贯阻力参数方法本工程中的单柱 复合筒需要穿透或贯入 种不同类型的地基土 为便于工程应用假定一种类型土体对应一组侧摩阻力系数 和端阻力系数 因此共需反演 个沉贯阻力系数 筒体总侧摩阻力为已贯入地基对筒壁产生侧摩阻力之和而其端阻力也因筒端接触土体类型的不同这给计算成层分布地基中的沉贯阻力参数造成了困难 本文提出将式()修改为变化量的形式从而在同一类型地基土中构建沉贯阻力变化量、侧摩阻力系数和端阻力系数的对应关系再通过二元线性回归求解沉贯阻力参数的方法沉贯深度为 的基础上贯入 深度产生的沉贯阻力差 可由下式进行计算:()()()()式中:为从筒体由 贯入到 的沉贯总阻力变化量为筒型基础端部面积为筒体由 贯入到 的平均锥尖阻力为沉贯入土体 深度而增加的筒土接触面积为单位贯入深度所增加的筒土接触面积为筒体由 贯入到 的锥尖阻力变化量分别 根 据 土 质 类 型 提 取 对 应 的、和数据式()中待求解参数仅为 和 用二元线性回归的方式拟合式中的 和 原理如下:令 则每种土质类型对应 组数据为()设 水 电 与 新 能 源 年第 期对于 和 的线性回归方程为 ()实际值 和回归估计值 的偏差 为:()()根据最小二乘法令实际值 与估计值 的偏差最小 因此令即:()()()求解后可得到一种土质的 和 采用相同方法可得到场址内其他土质的 和 结果与讨论.回归结果分析图 是以黏土的计算为例绘制二元线性回归结果图 图 中蓝点为现场沉贯阻力变化量而拟合得到沉贯阻力变化量在空间上构成一平面和 分别为该平面在 和 坐标轴上的斜率 二元线性回归反演得到不同土质沉贯阻力参数如表 所示图 场址内黏土沉贯阻力系数的二元线性拟合结果规范给出密实砂土中的端阻力系数为表 沉贯阻力系数计算结果汇总序号土质类型数据个数端阻力系数 侧摩阻力系数 拟合优度均方根误差/淤泥.流泥.粉土.粉细砂.粉质黏土.淤泥质土.黏土.中粗砂.侧摩阻力系数为.硬黏土中的端阻力系数为.侧摩阻力系数为.将表 中沉贯阻力系数和 规范推荐系数对比后可发现本文得到的端阻力系数较 规范推荐值低一个量级这是因为 规范推荐沉贯阻力参数来源于混凝土筒型平台沉贯试验数据由于混凝土筒壁一般较钢筒壁厚端部面积较大引起了端阻力系数量级差异此外吸力筒型基础不同的厚径比可能也会因挤土效应影响沉贯阻力系数的大小表 显示部分类型土的沉贯参数拟合优度一般经分析拟合优度较差的土质多位于在场址浅表层(位于海床表面下约 )一方面可能因为浅表层土质相对沉积历史短未形成稳定结构导致不同区域物理性质差异大另一方面也可能因为其易受扰动其物理力学性质在施工过程中发生了变化.拟合结果验证为验证沉贯阻力参数的可靠性分别基于本文拟合沉贯参数和 规范推荐参数对、号三个单柱 复合筒机位的沉贯总阻力进行演算实际施工期的沉贯总阻力进行对比结果如图()()图()()表明贯入前 深度出现了沉贯阻力减小现象表明筒体仍在初始自重下沉阶段筒体内部仍存在残余气体影响了筒体压力计示数进而影响沉贯总阻力值 待气体完全从筒体中排出气体后筒体总沉贯阻力随贯入深度增加呈现增长趋势演算的沉贯总阻力与此时发展趋势一致 采用本文提出的沉贯阻力反演方法计算得到沉贯最大总阻力相对与现场最大贯入阻力数据之间的相对误差在 以内说明本文提出反演方法及沉贯阻力系数是可靠、实用的图 表明采用 规范推荐沉贯阻力参数的验李嘉隆:基于吸力筒型基础施工数据的沉贯阻力系数反演分析 年 月算本工程沉贯阻力时得到的最大沉贯阻力较实际工程偏大最大相对偏差达到了.(号机位)这主要有以下两个原因:首先 规范仅将土质类型简单划分为黏土和砂两种情况无法准确反映广东复杂地质特征其次 规范推荐的用于密实砂土端阻力系数过大而、号和 号达到设计贯入深度时筒端土体以砂土为主这解释了 规范推荐参数在接近沉贯最终高程附近偏离实际值图 推求的机位沉贯总阻力与现场施工沉贯总阻力对比 基于上述结果本文提出一种吸力筒型基础沉贯阻力预测技术路线:在拟建区域进行若干大尺度的现场沉贯试验或试验性施工并收集施工数据采用式()计算沉贯阻力后采用式()()反演场址内地基的沉贯阻力参数结合待设计、施工的筒型基础设计资料和场址静力触探数据预测筒体受到的沉贯阻力从而指导并优化吸力筒型基础结构设计和施工为验证上述技术路线的推广性选取、号机位沉贯、静力触探、基础设计资料导出沉贯阻力参数计算得到 号机位的沉贯总阻力后与 号机位实际沉贯总阻力比较 计算结果后发现利用、号机位沉贯施工数据得到的最大沉贯阻力仅与 号机位实际最大沉贯阻力差仅相差.而由 规范推荐的沉贯阻力系数计算的最大沉贯阻力与现场最大沉贯阻力差达到了.结 语)基于某海上风电场的吸力筒型基础的静力触探数据和沉贯施工现场数据将沉贯阻力公式转化为变化量形式通过二元线性回归分析得到场址浅表层不同类型地基的沉贯端阻力系数和侧摩阻力系数)本文方法反演的沉贯阻力系数相比目前工程常用的 推荐沉贯阻力参数更能反映工程场址复杂、成层地质在计算吸力筒沉贯最大阻力更准确)提出了基于现场沉贯试验或试验性施工数据的吸力筒型基础下沉阻力计算技术路线可用于设计、施工阶段准确分析筒体受到的沉贯阻力指导并优化吸力筒型基础结构设计和施工参考文献:.:/海上风电场工程风电机组基础设计规范 .():杜宇 刘松玉 祝刘文 等.基于孔压静力触探试验的水运工程土分类方法研究.岩土力学 ():.():./.:.():.“”.():马文冠 刘润 练继建 等.粉土中筒型基础贯入阻力的研究.岩土力学 ():丁红岩 贾楠 张浦阳.砂土中筒型基础沉放过程渗流特性和沉贯阻力研究.岩土力学 ():祁越 刘润 练继建.无黏性土中筒型基础负压下沉模型试验.岩土力学 ():