Analysis on Key Technology of Pile Test of Super Long Steel Pipe Pile in Offshore Wind Farm

根据《港口工程桩基规范》(JTS 1674—2012)^[3]规定，海上试桩应包含轴向静载荷试验和水平载荷试验。为判定桩基承载力并评价桩身质量完整性，因此海上超长钢管桩试桩试验项目除轴向静载荷试验和水平载荷试验外，还应增加高应变检测试验。

海上超长钢管桩轴向静载荷试验主要包括竖向抗压试验和竖向抗拔试验，试验方法为锚桩横梁法，通常为四锚一形式，如图1所示。

Figure 1.  Schematic diagram of axial static load test device for offshore super long steel pipe pile

在进行静载荷试验时，以下几点需特别关注：

1)海上超长钢管桩试桩轴向静载荷试验的加载方式应采取荷载快速维持法。海上试桩不同于陆上试桩，海上环境变幻莫测，因此单组实验必须在一个窗口期内完成，以期得到完整的测试数据。若按照陆上试桩的加载方式，则试验时间将大大拉长，且增加试验不确定性，不利于试验进行。

2)海上超长钢管桩试桩轴向静载荷试验需做到破坏才能保证试验结果在设计优化阶段的可用性。根据《港口工程桩基规范》规定，海上试桩静载荷验证性试验的最大试验载荷为单桩轴向极限承载力标准值的1.1～1.2倍，规范未给出海上试桩静载荷破坏性试验的最大试验载荷。根据海上实际试桩经验及高校研究成果^[6,12]，海上试桩静载荷试验若要做到破坏，则最大试验载荷应为单桩轴向极限承载力标准值的1.5倍以上为宜。

3)海上超长钢管桩试桩轴向静载荷试验进行前应进行预加载试验。在现场所有试验设备安装完成后，正式试验之前，应进行一次系统检查。方法是对试验桩施加一较小荷载进行预压，如一切正常，则卸载至零，待位移传感器及加载系统回零后，进行正式加载。

4)海上超长钢管桩试桩轴向静载荷试验应尽量选在无波浪和平潮期进行，以减少波浪力、水平力对试验的影响。此外，静载荷试验不能在大风、大浪等气象水文条件恶劣时进行。在试验期间，距离试桩50 m范围内不得进行打桩作业，并应避免各种振动影响，严禁船舶碰撞试验平台。此要求同样适用于海上超长钢管桩试桩水平载荷试验和高应变检测试验。

在海上风电基础设计中，桩基的水平承载能力十分重要，尤其是单桩基础。此外，海上风机基础因长期受到风机载荷、波浪载荷等循环载荷作用，基础设计中须考虑桩土间的循环弱化问题。综上所述，海上超长钢管桩试桩的水平载荷试验应包含水平静载荷试验和水平循环载荷试验。

在进行海上超长钢管桩试桩的水平载荷试验时，应明确试验装置、试验终止条件、加载装置量程等重点问题，现逐一讨论：

1)水平载荷试验装置介绍。上节已经提到，海上试桩通常采用四锚一形式，即用4根锚桩承担试验桩的轴向载荷。水平载荷试验设备在此基础上加以改造，通过其中2根锚桩来承担试验桩的水平向载荷。具体来说，用钢梁连接两根锚桩，利用千斤顶在试验桩和钢梁之间对顶，则试验桩的水平载荷即可由连接钢梁的两根锚桩承担，如图2所示。

Figure 2.  Schematic diagram of horizontal load test device for offshore super long steel pipe pile

2)水平载荷试验终止条件。陆上水平静载荷试验的试验终止条件为泥面处水平位移达到设计要求的水平位移允许值。对于海上超长钢管桩水平载荷试验而言，在试验中测量泥面处的水平位移十分困难且误差较大，因此海上超长钢管桩水平静载荷试验的试验终止条件应重新制定。

对于海上超长钢管桩试桩的水平静载荷试验，其试验终止条件应充分考虑海上试桩时所处环境，保证既能达到试验目的，又能简便测量。相对于泥面处水平位移，桩顶处水平位移更容易测量，因此试验的终止条件应为泥面处水平位移达到设计要求时桩顶处的水平位移。由于超长钢管桩水平变形的非线性，以及海上环境载荷对钢管桩水平变形的影响，用经验公式难以准确估计出桩顶水平位移，因此需采用有限元方法计算得出泥面处水平位移达到设计要求时桩顶处的水平位移值，同时计算出此时桩顶施加的水平载荷值，即水平极限承载力标准值。综上，海上超长钢管桩试桩的水平静载荷试验终止条件为泥面处水平位移达到设计要求的水平位移允许值时桩顶处的水平位移，同时桩顶施加的水平载荷达到水平极限承载力标准值。需要指出的是，对于直径大于3 m的钢管桩，基于API规范的p-y曲线法不适用于估算其水平极限承载力，相关研究正在开展^[9,10,20]，但迄今尚未形成成熟的计算方法。

对于水平循环载荷试验而言，其模拟的循环载荷大小应为风机正常运行工况下基础所受的水平力。根据广东省内几个海上风电项目的工程经验，水平循环载荷试验中，桩顶施加的水平荷载应为水平极限承载力标准值的0.2倍。水平循环次数达到20次以上时，桩顶处水平累积位移不再明显增加，即认为水平循环载荷试验达到试验终止条件。

3)在海上超长钢管桩水平静载荷试验中，应特别注意加载装置的量程问题。通常而言，在进行水平静载荷试验时，桩顶产生的水平位移会很大。

由于海上试桩时水深通常达到25 m以上，且试桩时存在风浪流等环境载荷影响，因此桩顶处的水平位移比泥面处的水平位移大得多，往往是泥面处水平位移的5～7倍。若试桩处表层土体较差，桩顶处的水平位移会更大。基于此，水平静载荷试验时加载装置应预留出足够量程，避免量程不够导致试验无法达到终止条件的情况。通常的做法是采用定制量程的卧式千斤顶作为加载装置，以保证量程充足。

高应变检测试验即利用重锤冲击桩顶，使桩-土产生足够的相对位移，以充分激发桩周土阻力和桩端支承力，通过安装在桩顶以下桩身两侧的力和加速度传感器接收桩的应力波信号，通过应力波理论分析处理力和速度时程曲线，从而判定桩的承载力并评价桩身质量完整性。高应变检测试验示意图如图3所示。

Figure 3.  Schematic diagram of high strain test

海上超长钢管桩试桩的高应变检测试验应分为初打和复打两个部分。初打即钢管桩沉桩过程的打桩监测，应进行全程打桩监测。在高应变检测初打时，对桩端进入的所有土层进行测试；若同一土层较厚时，应多次测试。在试验中应特别记录总的锤击数、最后10 cm的平均贯入度和最后桩尖实际高程与设计高程的距离。

高应变检测初打和复打间应预留足够的休止时间。根据《港口工程桩基规范》规定^[3]，砂性土中休止期不应少于3 d，黏性土中休止期不应少于14 d。若窗口期允许，休止期可适当增加。复打的目的是测试桩身完整性，桩承载力，桩侧阻力和桩端阻力，并确定桩的承载力恢复系数。其中钢管桩承载力恢复系数的确定，将对主体工程钢管桩施工有较大指导意义。

通过前几节的分析可知，海上超长钢管桩试桩的主要内容包括轴向静载荷试验、水平载荷试验及高应变检测试验。为保证各试验相互间影响最小，合理的试验顺序是必要的。

高应变检测初打试验是伴随钢管桩沉桩全过程的，因此试验顺序居首；此后应进行高应变检测复打试验；轴向静载荷试验仅对钢管桩产生轴向变形，试验顺序次之；轴向静载荷试验结束且满足休止期要求后，最后进行水平载荷试验。

在轴向静载荷试验中，应先进行轴向抗拔试验，后进行轴向抗压试验。这是因为海上风机基础设计多为抗拔控制，因此试桩时须优先测试各土层的抗拔极限承载力。

在水平载荷试验中，应先进行水平静载荷试验，测得各层土体的水平抗力特性、桩身弯矩、桩身挠度等。在此基础上，再进行水平循环载荷试验，得出各层土体的循环弱化特性。最后，还要进行一次水平静载荷试验，以期得到各土层循环弱化后的水平抗力特性，并与第一次水平静载荷试验结果进行对比。

综上，海上超长钢管桩试桩的试验顺序应为：高应变检测初打试验、高应变检测复打试验、轴向静载荷抗压试验、轴向静载荷抗拔试验、水平静载荷试验、水平循环载荷试验、第二次水平静载荷试验。详细流程如图4所示。

Figure 4.  Sequence diagram of super long steel pipe pile at sea

为保证海上超长钢管桩试桩试验获得预期试验结果，试桩过程有许多关键点需特别注意。本节将重点讨论海上超长钢管桩试桩中的关键技术。

基准桩设置目的是搭设基准梁，并测量试桩试验数据。为保证试桩试验测得准确的试验数据，基准桩的基准作用必须加以保证。基准桩不能和试桩试验平台相连接，以确保基准桩独立于试验平台之外，起到基准作用。但在海上试桩中，基准桩时刻承受风浪流等环境荷载作用，考虑到基准桩在泥面以上仍有较长悬臂段，因此在海上试桩中基准桩通常处在晃动状态，造成试桩试验数据测量偏差。

为解决海上试桩中基准桩晃动造成的数据测量偏差问题，本文给出了一种新的基准桩设置方法。如图5海上试桩试验平台俯视图所示。从图中可知基准桩采用了内外桩套桩形式，外桩与试桩试验平台连接，内桩与外桩不连接，基准梁架设于内桩上。这样设置基准桩的好处是外桩可以保护内桩不受风浪流等环境载荷的影响，同时外桩与试验平台相连接加强了平台整体稳性，避免外桩出现剧烈晃动。在外桩保护的基础上，内桩可避免受环境载荷影响，真正起到基准作用，进而保证试桩数据测量的准确性。

Figure 5.  Overlook chart of offshore pile test platform

试桩试验(轴向静载荷试验、水平载荷试验)中的反力装置是连接试验桩和锚桩之间的纽带，作用十分关键。

随着海上风电装机容量不断增大，且风电场离岸距离越来越远，海上风机基础极限承载力增长明显。以轴向静载荷试验为例，最大试验载荷为单桩轴向极限承载力标准值的1.5倍以上，根据《港口工程桩基规范》(JTS 1674—2012)规定^[3]，试验加载能力取最大试验载荷的1.3～1.5倍，即试验反力装置能承受的最大荷载为单桩轴向极限承载力标准值的1.95～2.25倍。根据广东省几个海上试桩工程经验，反力装置所需承受的最大载荷通常在7 000 t以上，荷载当量大。

为保证海上超长钢管桩试桩试验的可行性，本文对试桩反力装置给出两点建议：一是宜采用钢梁式或桁架式结构，保证反力装置同时具备一定的强度和刚度，在加载过程中避免反力装置本身变形过大的问题；二是要控制好锚桩的间距，在规范要求的基础上尽可能缩短锚桩间的距离，进而保证试验的可行性。

海上超长钢管桩沉桩过程风险较高，需特别关注。海上超长钢管桩常用的沉桩机具为打桩船或起重船。由于超长钢管桩总长度超过100 m，超出许多打桩船的极限吊高，国内仅有几艘打桩船(雄程2号等)具备海上超长钢管桩的沉桩能力。目前海上超长钢管桩的沉桩施工以起重船吊打作业为主^[21,22]，如华天龙、风范号、风华号、龙源振华1号、华电1001号等起重船舶均可进行超长钢管桩的沉桩施工。

在超长钢管桩沉桩前，沉桩的可打性分析是必要的。通过可打性分析，不仅可以提前分析打桩过程中的风险点，如溜桩、拒锤，更能合理选择桩锤大小、锤击能量，保证沉桩安全。一般而言，桩锤的选择原则是“大桩锤，小能量”，从而保证超长钢管桩沉桩过程中尽可能减小对钢管桩的损伤。

当采用起重船沉桩时，一定要采用导向架进行沉桩辅助。如图6所示，给出了一种海上超长钢管桩沉桩辅助导向架结构，实际工程中导向架的形式多样。导向架的作用主要有二：一是保证沉桩精度，二是避免沉桩过程中钢管桩可能出现的屈曲。因此当采用起重船为作业机具时，超长钢管桩的沉桩过程必须使用导向架进行辅助。

Figure 6.  Auxiliary guide frame structure of sinking super long steel pipe pile at sea

在海上试桩试验中，冲刷问题往往被忽略。根据实际工程经验，当轴向静载荷试验结束后，由于钢管桩在试验过程中出现反复的轴向位移，海床均会出现一定程度冲刷，最大的冲刷深度可达数米。

钢管桩的水平承载力主要是由表层土承担。当冲刷发生后，若无法准确测量出冲刷深度，则在水平载荷试验中测得的各土层水平抗力特性无法与实际土层相对应，将造成试验数据失真。基于此，试桩试验中的冲刷监测是十分必要的。

针对冲刷监测的要求，主要有以下三点：一是在海上超长钢管桩试桩的每一项试验开始前和结束后，均需对试验桩及锚桩进行冲刷监测，其中水平试验开始前和结束后的冲刷监测需进行两次；二是冲刷监测方法可采用多波束检测系统结合水深传感器进行监测；三是冲刷监测范围应足够大，不应少于锚桩间距的5倍。

在海上试桩中，当试验桩、锚桩、基准桩沉桩完成后，需要经历休止期后才能进行试桩试验。在桩基沉桩完成后到试验开始前的这段时间，若遇到恶劣天气或大风大浪等不利情况，将会造成已有钢管桩的严重破坏，损失严重。因此必须采取试桩保护措施。

为保证海上试桩安全，避免环境载荷作用下，钢管桩发生屈曲或大变形，一种可行的试桩保护方案为：采取井字梁将试验桩、锚桩有效连接在一起，并形成整体抵抗风浪，同时钢梁应伸出钢管桩外侧一定距离，如图7所示。

Figure 7.  Reference practice of pile protection scheme

需要注意的是，该保护方案并不针对船舶撞击，需设置通航警示灯与其他必要的警示措施，以确保船舶航行与试桩自身安全。

同其他传感器不同，桩身传感器在钢管桩出厂时便进行安装，需经历钢管桩沉桩过程，因此必须加以特定保护，避免传感器破坏，保证其使用功效及检测数据的可用率。

具体的保护措施为：对最下层传感器设置排土靴并加盖保护，排土鞋和保护盖用钢板焊接而成，下端封闭做成倒角以减小钢管桩的沉桩阻力。测试导线和其他传感器用75角钢将其扣住形成通道，以保护测试导线和传感器。此外，在钢管桩内侧靠近桩顶部分设置挂钩，在钢管桩起吊、运输和插打过程中，将测试导线牢固悬挂于管桩内侧，以免落入桩内或造成损坏。与此同时，每个传感器附近须加设温度传感器，一方面作为环境温度监测使用，另一方面作为应变传感器温度补偿使用。

本文研究了海上超长钢管桩试桩的关键技术。具体来说，首先详细讨论了海上超长钢管桩试桩的试验项目设置，依次对轴向静载荷试验、水平载荷试验和高应变检测试验中的关键点进行分析，并明确了合理的试验顺序。其次对海上超长钢管桩试桩的关键技术进行了探讨，依次对基准桩设置、反力装置、沉桩施工、冲刷监测、试桩保护和桩身传感器保护等关键问题进行分析，对今后海上超长钢管桩试桩工程有较大指导意义。

基于本文已有研究内容，未来海上试桩发展趋势为：海上试桩因其高额成本，应避免采用工程试桩，建议采用设计试桩为宜。即在进行试桩设计时，考虑锚桩在试桩完成后可继续做工程桩使用，尽可能保证海上试桩的经济性。