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海洋工程
11个海上风电工程会涉及到的岩土问题
发布时间:2019-12-16

海上风电基础涉及到的岩土问题

 
 

 

风机整体结构的安全运行往往依赖于地基基础的可靠稳定,其岩土问题是重点之一:

  1. 岩土地质分层及土性分类的问题

  2. 岩土参数指标优化选取问题

  3. 桩土相互作用问题

  4. “环境-海床-基础-支撑-机组”一体化设计计算问题

  5. 地震液化及软土震陷问题

  6. 软弱土长期循环荷载作用下强度、刚度弱化问题

  7. 欠固结、超固结及结构性土基础相关问题

  8. 钢管桩土塞问题

  9. 施工时溜桩或拒锤问题

  10. 浅层冲刷防护问题

  11. 不良地质作用及对应的选址、沉桩、嵌岩桩成孔、成桩设计施工问题……

No.1 岩土地质分层及土性分类的问题

  • 海床有区域性,依赖经验及钻探技术,对设计施工影响大;

  • 取不到样及关键样缺失:砂、夹层薄层互层;

  • 分层较粗人为因素大:工程师,关键层位、层厚

No.2 岩土参数指标优化选取问题

  • 试样封装、运输、制备扰动:含水率及孔隙比等基本物理指标不符;

  • 即时试验问题:常规、特种试验;

  • 参数指标试验问题及应用问题:各类参数优化选取;CU;CD;UU;淤泥质;夹层互层?

 
 
 
 

No.3 桩土相互作用问题

  • py/tz/qz曲线未修正(小桩径),结论是偏危险;

  • m法更不适用,参数敏感、范围宽泛、主观性大;

  • 接触问题、群桩效应问题。

  • 整体而言复杂问题数值模拟方法适宜。

No.4 “环境-海床-基础-支撑-机组”五位一体设计计算问题

  • 优化结构,消除冗余的主要设计、校核手段;

  • 设计指标优化和标准匹配;地震波输入;

  • 荷载组合优化;前置化条件与目标输出的匹配统一






 
 

No.5 地震液化及软土震陷问题

  • 时程过程的超孔隙水压力上升有效应力降低分析,浅表层砂层厚的高烈度区,本构;

  • 地震液化判定方法及评价;

  • 软土震陷问题指标反应。

No.6 软弱土长期循环荷载作用下强度、刚度弱化问题

  • 小频率大波长长期循环荷载;

  • 影响深度、弱化规律;

  • 土性指标、软化系数。

No.7 欠固结土、超固结土、结构性土基础相关问题

  • 先期固结应力,现固结应力关系:判定进一步可能产生的附加压缩或卸荷松弛;

  • 预固结的UU或CU强度试验;

  • 接触问题、群桩效应问题。结构性土问题:结构性破坏是否强于抗剪破坏。

No.8 开口桩土塞问题

  • 对桩承载力、刚度影响;

  • 沉桩影响分析;

No.9 施工溜桩及拒锤问题

  • 深厚砂层问题、入土深度问题、间歇时间问题等沉桩影响分析及预测;

  • 软弱土及惯性溜桩启动、停止超前评判预测问题;

  • 设备选型问题。

No.10 冲刷防护问题

  • 浅表层土性及冲刷问题判定:深度、流速、土质;

  • 防护问题。

No.11 不良地质作用及对应的选址、沉桩、嵌岩桩成孔、成桩设计施工问题

  • 各类不良地质作用,地灾情况:浅层气、滑坡、障碍物等;

  • 嵌岩桩设计施工、沉桩、成孔、沉渣、下钢筋笼、海上环境的水下灌注、成桩、花岗岩球状风化等各类问题。

 

土体勘察典型策略

 
 

 

为了优化海上风电场设计方案,风机的位置可能会进行多次修改。

首先需要对整个区域进行基本的地球物理探测,并根据地球物理探测的结果确定CPT(静力触探)网络;然后根据CPT和地球物理测试结果,选定一些位置进行土体钻孔取样,建立地质模型用于CPT数据解释-包括建立局部相关性;再使用地质模型预测新风机位置的土体剖面;确定最终的风机位置后,在选定的增加位置和钻孔处再次进行CPT,有时可能会要求保证贯入到海床以下40m。这个过程可能需要历经数年时间。

而最终的基础设计主要是依据CPTU数据。

 

 

孔压静力触探(CPTU)

CPTU是在标准电测试圆锥静力触探贯入仪(CPT)的探头中安装上透水滤器及量测孔隙水压力的传感器原件,对地基原状土体进行现场勘察、探测的一项技术。

 

孔压静力触探相对于常规静力触探而言主要优势在于:

  • CPTU量测孔压灵敏度很高,能够分辨2cm薄层土性变化,使有可能进行有效应力分析;

  • 估算土的渗透性、固结系数等甚至是动力参数,这是常规不具备的优势;

  • 评价各类土层工程性质和岩土设计参数的获取,结合试验,直接作为数值模型的输入条件;

  • 区分排水、部分排水、不排水状态,满足各类需要;

  • 连续的,提高分层可靠性和精度,各类土层时;

  • 根据测试指标判断土塞情况;

  • 贯入机理类似打桩,精确指导施工

 

 

典型C
P

T

U实验结果

 

 

目前在海上开展静力触探试验主要有四种方式:平台式静力触探、近岸式静力触探、海床式静力触探、钻孔式静力触探。而这其中,又以海床式静力触探最为便捷、高效,最受欢迎。

 

海床静力触探(CPT)系统

MANTA

MANTA的贯入力分为100kN200kN两种型号。

MANTA-200是唯一一款可以贯入套管的海床CPT系统,套管可以支持在软土中进行CPT试验,以防止过早终止试验。

MANTA-100是同级别中最紧凑的一款系统,可以应用于水深4000m,可以仅通过一根脐带缆实现供电、通讯、提升。

连续贯入驱动系统是MANTA的心脏,可以确保设备的贯入力完全传递到钻杆上,不会发生像常规驱动系统那样容易出现的打滑现象。这样使得探头的贯入深度可以达到85m以上。

 

自2012年以来的一些数据:

  • 仅一套设备12个月内完成了3500m的CPT测试

  • 生产记录:在60个小时内完成了36个20m的CPT测试

  • 一次性贯入的最大贯入深度为86m(就我们所知道的)

 

MANTA的用户

 

中国香港:

  • Bachy Soletanche - Sambo JV

  • Gammon Construction

  • Lam Geotechnics

  • Geotechnics and Concrete and Engineering   (GCE) 

  • China Harbour Engineering Company (CHEC)

 

其他地区:

  • Dredging International Asia Pacific (DIAP)(新加坡)

  • Marine Sampling Holland (MSH)(荷兰)

  • G-tec(比利时)

  • Jan de Nul(比利时)

  • STFA-SGTM Nador(摩洛哥)

  • STFA(土耳其)


参考文献:

[1] 狄圣杰,中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,海上风电基础设计施工的岩土问题思考及解决方案,海上风电机组基础设计施工专题研讨会

[2] Tom Lunne,NGI,CPT在海上风电开发中的重要性,2019海洋静力触探及岩土工程测试技术研讨会

 

更多静力触探相关产品信息,请联系欧美大地

服务热线:400-700-9998

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