1、大直径大吨位钢管单柱溜桩理论分析及防御措施摘要：根据国外经验海上风电场基础适合采用大直径钢管单桩结构，目前国内尚在探索试验阶段。我司在 2011 年某一风电场项目单桩沉桩施工过程中出现了溜桩现象，本文从溜桩过程中钢管桩动能变化分析其原因，并提出可行性解决方案。 关键词：大直径钢管桩、单管桩、液压冲击沉桩、溜桩 Abstract: based on the foreign experience offshore wind farms basis for large diameter steel pipe by single pile structure at present, our count
2、ry is still in the stage of exploration test. Our company in 2011 a wind power project single pile construction process appeared slip pile phenomenon, this paper, from the slip pile process of steel tube pile kinetic energy change analysis its reason, and put forward feasible solutions. Keywords: bi
3、g diameter steel pipe pile, single pile, hydraulic impact pile-sinking, slip pile 中图分类号： TU511.3+7 文献标识码： A 文章编号： 引言 随着国内海上风电的大力发展，从施工效率、成本考虑，并结合国外海上风电场十多年的发展经验，国内海上浅海海域风电场基础采用大直径钢管单桩结构是将来风电发展必然趋势。本文针对大直径、大吨位钢管单桩施工过程中的溜桩现场，根据工程实际情况并结合溜桩过程中钢管单桩的动能变化，从动态角度分析其主要原因，并提出可行性解决方案。 项目概述 该风电场项目基础采用外径 5m、板厚 45
4、65mm、长度 4359m 单管桩钢结构，重量 320T400T。2011 年 7 月 4 日采用 S800 液压冲击锤在进行 12#钢管桩沉桩时，压锤完毕后第一锤以 128KN.m 能量沉桩发生溜桩现象,深度 12m 左右。 12#钢管单桩参数1： S800 液压冲击锤参数2： 12#机位地质参数3： 理论计算 忽略施工过程中 S800 液压冲击锤的能量损失，在溜桩过程中 12#钢管单桩的能量来自两个方面：重力势能和冲击锤能量，则： (2-1) 式中： 溜桩过程总能量源（单位，KN.m） 溜桩过程随沉降深度变化的重力势能（KN.m） S800 冲击锤提供的能量，128KN.m（可调，忽略能量
5、损失， ） ，h 沉降深度，H 总入土深度，初始入土深度（自沉+压锤） 其中，质量，重力加速度， ， 忽略空气阻力、突破最大静摩阻力时的能量损失以及抱桩器的阻挡能量损失，溜桩过程中能量损失主要来自两方面：一是动侧摩阻力做负功，一是端阻力做负功，则: (2-2) 式中： 溜桩过程总能量损失（KN.m） 溜桩过程中动侧摩阻力随 h 变化做的负功（KN.m） ，动侧摩阻力根据美国 ICE 公司公式【5】计算，系数取，为钢管桩与每层土接触面积 溜桩过程中端阻力随 h 变化做的负功（KN.m） 则在 12#钢管桩溜桩过程中随沉降深度 h 的变化，动能如下： （2-3） 式中： 溜桩过程桩体的动能（KN.
6、m） 在溜桩过程中，根据能量守恒定律， 当时，即停止溜桩。 应用 MathCAD 软件得出随 h 变化曲线如下： 图 1 随 h 变化曲线初始入土深度 4.2 米，冲击锤能量 128KN.m 溜桩过程中的速度随 h 变化曲线如下： 图 2 随 h 变化曲线 分析 (1)通过公式 2-1、2-2、2-3 可知，对于大直径、大吨位钢管桩发生溜桩时（如） ，由于,故其主要能量来自重力势能，冲击锤的冲击能量主要提供较大瞬间冲击力以突破最大静摩阻力和端阻力,使钢管桩由最大静摩阻力状态瞬间转为为动摩阻力，开始下沉。而动摩阻力通常远小于最大静摩阻力。 下图是冲击能量为 20KN.m 时，沉桩时钢管桩的动能曲
7、线。故减小冲击能量不能避免溜桩现象的发生，只能减小钢管桩起始下沉速度和在一定程度上减小溜桩深度（与图 1 对比） 。 图 3、随 h 变化曲线初始入土深度 4.2 米，冲击锤能量 20KN.m （2）通过图 1、图 2 曲线可知，钢管桩在下沉 8m 左右动能最大，速度最快。下沉 14m 左右动能趋于 0，基本停止溜桩（由于实际溜桩至 12m深时，钢管桩被抱桩器阻挡停止溜桩，若没有抱桩器阻挡可能继续溜桩2m 左右） ，由于忽略空气阻力和抱桩器的阻挡作用，理论分析结果与实际现场溜桩情况基本相符。 A)当初始入土深度不足时，钢管桩与土层接触面积不足，冲击锤的能量突破钢管桩最大静摩阻力和端阻力后，使得
8、动摩阻力远小于钢管桩自重时，此时钢管桩即会在重力势能的作用下，继续下沉发生溜桩现象。下图是初始入土深度为 13m、冲击能量为 128KN.m 钢管桩下沉的动能曲线，从曲线中可以看出，在下沉 0.51m 左右时，能量为 0，停止下沉，故不会发生溜桩现象。 图 4、随 h 变化曲线初始入土深度 13 米,，冲击锤能量 128KN.m B)当钢管桩下端处于硬（上） 、软（下）土层临界面附近时，钢管桩进入软土层的瞬间端阻力突然减小，使得 ，同样会发生溜桩现象。 预防措施 通过以上分析，在大直径、大吨位钢管桩采用液压冲击锤沉桩时，可以采取如下措施减小溜桩的深度（甚至避免溜桩现象的发生）： （1）增加初始入土深度：根据吊机起重能力，在钢管桩自沉完毕后采用 700T 水箱桩压桩，以达到增加初始入土深度的目的。 （2）间接增加动侧摩阻力和端阻力之和：将钢管桩上端内平台密封，下沉时钢管桩压缩桩内空气，增加向上的阻力。但需要设置定压力泄气口，当钢管桩入土达到一定深度（桩内压力达到一定程度）后，自行打开阀门，使桩内空气与外界连通。以避免沉桩至一定深度后，桩内压力过大，阻力过大，无法继续沉桩，达不到设计标高。 参考资料： 1 华东勘测设计研究院风电场单管桩设计蓝图 2 液压冲击锤技术报告 3 华东勘测设计研究院风电场地质勘测报告 4 JGJ94-2008建筑桩基技术规范 5 美国 ICE 公司技术资料
