冷平 王娟娟

（中國廣核新能源控股有限公司，北京 100071）

0.引言

按照工程實踐，國內設計單位對單樁基礎選型、結構疲勞進行分析，大直徑單樁建造廠，生產能力持續(xù)提升，可卷制最大樁徑為9m，壁厚為100mm，單樁出運能力為2000t。針對設計標準，單樁基礎安裝與運行期間，受到荷載變形影響，永久傾斜度小于0.5°。單樁建造與施工技術進步，沉樁精度控制在3/1000內，為深水廠址放寬單樁你面轉角限制，提供有利條件。

1.工程概況

1.1 海洋水文條件

工程海區(qū)，海平面平均高程0.5m，低水位為-1.55m。按照勘察結果可知，泥面高程為-25.06m～-29.17m，平潮水深為25.58m～29.75m。常浪向為東南向，浪向分布在東-南方位支架，海流主流方向為西南西。工程海區(qū)域風向為東北、東南風，夏季主導風為偏南風，秋季以東北風為主，春季以東南風為主。場址內部水深明顯，表層土為淤泥質土。

1.2 工程地質

風電場場區(qū)，距離岸邊20km，面積廣闊，無礁石、島嶼分布，水下地形平坦，為海積地貌。按照區(qū)域地質、鉆孔資料，風電場地層存在較多覆蓋層，厚度由北向南逐漸增加。分析勘探鉆孔數(shù)據(jù)可知，場址內地層情況復雜度高，土層級配差，整體規(guī)律性不足。

1.3 風機概況

海上風電場，發(fā)電機組單機額定容量為5.5MW，鋼制錐筒式塔架，葉片長度為75.5m，葉輪直徑為156.728m，輪轂中心標高100.2m，設計壽命為23年。風機切入速度為每秒3m，切出速度為每秒25m，額定風速為每秒9m。風輪轉速范圍為4.212.33rpm。葉片、輪轂、機艙總質量為434t，中心位于塔筒法蘭以上3.184m，塔筒軸線向輪轂方向5m。

2.優(yōu)化單樁結構設計

2.1 整體布設

按照場內極端高水位、波高信息，明確平臺底高程，深入分析外平臺梁高，明確基礎頂法蘭高程，深入分析海區(qū)施工條件，施工窗口比較少，需要應用外平臺爬梯，高度集成底層圈梁短套籠，沉樁后吊裝焊接到樁體，電纜從樁體與泥面靠近位置開孔，錨固沉降后，吊裝內平臺[1]。

2.2 樁形設計

海上單樁風機設計，分析地質參數(shù)與樁形影響，將風機作為基礎結構進行約束，計算極端荷載、疲勞荷載，實現(xiàn)荷載迭代閉環(huán)。

單樁基礎設計，以泥下關鍵點位移、整機頻率為控制變量，樁頂?shù)侥嗝娌糠直诤?、直徑分布，會極大影響風機荷載、波浪荷載、樁體變形等，與地基剛度、葉片質量、塔筒結構，配置為整機。針對機位地質參數(shù)，單樁地基剛度，會受到入土樁長、泥下樁徑、壁厚分布影響。通常情況下，水深、水文、地質條件差異不大時，為了優(yōu)化塔筒機電設備布設、基礎構件設計，必須確保基礎頂法蘭直徑與高程一致，塔筒壁厚分布均勻?；A設計中，遵循不同機位地質條件，選擇最佳樁形參數(shù)組合，確保樁體變形、整體頻率滿足要求，整體工程量最優(yōu)化?；A頂法蘭與樁身段外徑為7.4m，與塔筒底部直徑一致。樁身剛度，利用樁徑與壁厚調整，改變整機頻率。樁徑改變有助于頻率調整，樁徑變化會改變環(huán)境荷載，對樁體變形指標造成影響。與固定外徑基礎頂法蘭相互連接，在地基土上獲得承載力，泥下樁徑大于頂部樁徑。使用錐段連接不同外徑。樁徑是各機位不同你下樁徑，工程水深比較大，波浪荷載會影響整機荷載。錐段位置比較靠下，水面波浪作用樁徑小，能夠降低波浪力，有助于減少疲勞荷載，與泥下樁變形量相關。當壁厚分布條件相同時，報能夠使整機頻率降低。觀察可知，錐段位置對頻率、變形因素具備反作用力。根據(jù)特定地質條件，能夠計算出最優(yōu)解[2]。

高錐段形樁頂高程6m，假設樁徑為8.4m，錐底高程-10m。樁徑變化時，調整錐底，維持錐段斜度不變，統(tǒng)一套籠型號，實現(xiàn)批量化制造。套籠底部支撐牛腿，應當設置在錐段上，錐段底部低于-2m，因此樁徑應當大于8m。中錐段樁形頂高-2m，錐底高-15m；低錐段樁形頂高-9.6m，錐底高-25m。樁徑變化時，錐段高程不變，樁徑大于7.5m。

3.樁形對疲勞荷載的影響

在計算風機荷載時，風機廠家計算輸入，一般為基礎結構圖、泥面剛度矩陣，針對確定機位，調整樁形參數(shù)，改變泥面樁形與剛度矩陣，同時，改變部分樁形，促使波浪荷載變化，從而影響疲勞荷載[3-4]。

3.1 調整樁形參數(shù)

明確地質條件后，針對壁厚分布、泥下樁徑、入土樁長，對樁身泥面剛度、泥面進行約束，機位應用高錐段樁形式，泥面剛度在自由度分量中。泥面剛度矩陣為對稱方陣（6×6），根據(jù)風機廠家評估，在水中樁形影響下，剛度矩陣能夠增加主對角線元素，減小位移、轉角耦合項，對疲勞荷載的作用較強，影響明顯。

原最優(yōu)解，對應泥下樁體，需要采用中等壁厚，即第二組壁厚。當壁厚恒定時，調整泥下樁徑、入樁長。入土樁長不足60m時，剛度矩陣不會受到樁長影響。入土樁長大于60m時，樁端持力層，從原有軟塑黏土中，轉變?yōu)槊軐嵵猩皩?，樁徑與壁厚矩陣增加。

為風機廠家計算的荷載方向。疲勞荷載評估，主要應用等效疲勞荷載。應力循環(huán)次數(shù)為1E+08。項目側向波浪，會極大影響單樁基礎疲勞荷載。疲勞荷載性側向彎矩影響大，可以當作疲勞荷載評估量。原最優(yōu)解樁徑8.4m，入土深度50m，計算疲勞荷載幅為53175kN/m，超出塔筒承受疲勞極限。

按照風機廠家估算可知，當水中樁形不變化，則機位矩陣降低到1.42E+7kN/rad，疲勞荷載滿足標準。分析可知，只調整樁徑，將樁徑縮小至8.1m，然而樁徑為8.1m，整機一階頻率0.263Hz，無法滿足風機廠家0.264Hz要求，所以即使改變樁徑，也不能降低疲勞荷載。注重壁厚調整，調整剛度矩陣。

3.2 調整錐段位置

調整樁徑、壁厚、樁長，保持單樁整體在設計可行范圍內不可行。分析錐段位置對波浪荷載的影響，不改變樁形狀態(tài)下，下移錐段，重新計算疲勞荷載。錐段位置調整之后，整機一階頻率降低，但是滿足0.265Hz要求。泥下樁形參數(shù)不便，上部受到波浪力影響后，參數(shù)減小。泥面剛度為割線剛度，按照曲線形態(tài)，會增加泥面剛度。低錐段樁形，對應泥面剛度，主對角線元素與剛度矩陣增加，不同自由度間轉角耦合減小，然而對應元素量值小，所以剛度矩陣變化對荷載計算影響小。風機荷載計算，疲勞荷載幅為36685kN/m，小于高錐段方案，且塔筒處于可承受范圍內。

在本文研究中，在應用35臺單樁基礎中，有7臺對基礎鋼料量期初最優(yōu)解，獲得樁徑8.5m以上高錐段樁形，高錐段基礎鋼料量，明顯小于低錐段，深水大，單樁基礎疲勞荷載，高度敏感水中樁形。高錐段方案中，疲勞荷載比低錐段高，塔筒經過疲勞驗算之后，注重焊縫磨平處理，延長疲勞壽命，避免影響整體經濟性。由于泥面剛度會影響疲勞荷載，因此在選擇最優(yōu)樁形時，基礎鋼料量最優(yōu)解，即處于高錐段樁時，機位最優(yōu)解設定為低錐段。

4.淺層土性質對最優(yōu)樁形影響

高錐段樁形，因樁基大部分延伸高度高，能夠提升整機剛度。低錐段水面附近樁徑小，能夠降低樁體波浪力影響，樁身變形多分布在水中部位，減少泥面轉角。在機位特定地質條件下，最優(yōu)樁形可以滿足頻率與變形指標要求，反映機位地質特征的樁形要求。淺層土，能夠決定單樁基礎變形與剛度。所以，按照機位最優(yōu)樁形分組，定量統(tǒng)計分析淺層土性質。機位分析時，入土樁長在45m以上，針對淺層土分析范圍，劃分為沖刷坑底部至原始泥面下45m[5]。

4.1 分析變量定義

單樁基礎設計中，注重水平剛度控制，通過曲線方式，可以表達出樁土間側向位移、反力關系。針對曲線問題，定義砂土、黏土計算方法，盡管側向位移相同，但樁長反力相差明顯。將土層劃分為砂土與黏土統(tǒng)計，定義砂土層厚度變量。

定義黏土層厚度變量：

單樁設計為直接打入樁，樁端進入強風化巖中，針對全風化巖，計算模擬設定為黏土，對于強風化巖，以砂土為計算模擬。在曲線計算中，內摩擦角為砂土參數(shù)，不排水抗剪強度為黏土參數(shù)。土層較淺時，則樁體側向剛度會產生明顯影響，定義砂土內摩擦角、深度底部比例矩：

黏土不排水條件下，定義抗剪強度，分析深比例矩：

4.2 統(tǒng)計結果與分析

將機位地質參數(shù)，按照最優(yōu)解，以高錐段、中錐段、低錐段統(tǒng)計，樁形對應相應的機位數(shù)量、平均層厚比、主體鋼料量、平均比例矩，如表1所示。

表1 淺層土性質與最佳樁形

在表1中，高錐段樁徑小于8.1m，樁體波浪荷載，會引發(fā)疲勞影響，高錐段樁形應用，只關注砂土比例、內摩擦角問題，以小樁徑機位為主。針對該類機位地質，樁體泥下位移約束效果顯著，提升錐段位置，確保整機一階頻率前提下，能夠有效縮小樁徑，對基礎鋼料量予以控制。針對高錐段樁形，平均樁徑為8.0m。

中錐段樁形，可以應用到高砂土比例、內摩擦角適宜情況下，黏土不排水抗剪強度。機位砂土與黏土搭配均衡，對泥下樁基約束能力佳，利用中錐段能夠平衡樁體變形、頻率需求，掌握3種錐段位置的最小鋼料量。中錐段機位樁徑為8m，最大為8.6m。按照水中樁形設計，中錐段樁徑斜度大，錐頂位置應力集中系數(shù)大。當樁徑比較大時，疲勞校核影響大。錐頂高程-2m，減小水面波浪荷載作用。機位風機疲勞荷載，控制在塔筒、基礎極限范圍內。低錐段樁形，可以應用到高黏土比例，砂土內摩擦角、黏土不排水抗剪強度低機位，該類機位地質比較差，無法有效約束樁體變形，為了滿足風機廠家要求整機一階頻率，只能增加樁徑。樁形水中部分剛度為3種樁形最低?；A頂法蘭位置變形，傳輸?shù)侥嗝嫖恢帽壤?。當錐頂高程足夠低時，能夠降低波浪荷載、樁體受力、疲勞荷載水平，屬于軟土地基最佳選擇。低錐段機位，平均樁徑8.6m，平均基礎鋼料量為3種樁形最大。

5.結語

海上風電朝著遠離岸邊、大水深、大單機容量趨勢發(fā)展，海上作業(yè)窗口近岸作業(yè)時間減少，對風機基礎施工便利性要求高。單樁基礎具備簡單結構形式，且受力明確、海上作業(yè)時間短優(yōu)勢，按照工程實踐，國內設計單位對單樁基礎選型、結構疲勞進行分析。因此通過本文研究，掌握單樁基礎樁形影響因素，為后續(xù)處理提供優(yōu)質條件。