朱建英
广州华申建设工程管理有限公司
摘要：单桩基础应用风机整体式安装不仅具备技术可行性，施工工效、经济性、安全性等均具备一定优势，可提高工程建设的安全、质量等综合效益，为工程创优奠定坚实基础。同时单桩基础风机整体式安装技术的形成，能够丰富我国海上风电安装施工技术方法，为深远海风机安装提供了新的安装思路和途径，具有广阔的应用前景。本文基于大直径植入式单桩在海上风电中的创新型应用展开论述。
关键词：大直径植入式单桩；海上风电；创新型应用
引言
海上风电场主要基础结构为高桩承台基础、单桩基础和导管架基础，其中单桩基础是最为主流的基础形式，目前国内建成的900余座风机基础中有500余座采用单桩基础。风机安装方式主要有两种，一种是分体安装，采用自升式风电安装平台通过抬升使船体离开水面形成一个稳定的作业面，或者坐底平台下潜坐在海床上形成一个稳定的工作面，分部件或组件进行安装。另一种是整体安装，通过陆域基地将风机拼装成整体，专用运输驳整体运输至现场，采用双臂架起重船整体起吊安装。
1基础概述
风电机组基础的主要作用是固定风电机组。海上风电机组的基础分为固定式与漂浮式，目前国内外以固定式导管架基础结构居多。导管架结构形式通常有3个或4个桩腿，桩腿之间用撑杆相互连接，形成一个有足够强度和稳定性的空间钢架结构。桩腿在海底处安装有轴套，地桩通过轴套插到海底一定深度从而使整个结构获得足够的稳定性。另外，单桩式基础结构适用于小于30m水深的中水域，利用打桩，钻孔或喷冲的方法将桩基安装在泥面以下一定深度，通过调整片或护套来补偿打桩过程中的微小倾斜以保持基础的平正。导管架基础结构适用于30m～60m的中水域，较单桩基础结构更为坚固，但成本稍高，而浮式基础适用于大于60m的深水域，由于其不稳定，所以只能适用于海浪较低的情况。
2基础设施建设在海上风电发展中的重要性
经过长期发展，中国陆上风电已经取得巨大进展，装机容量位居全球首位。基础设施建设是海上风电发展的关键，也是风电建设的重要内容。海上风电的基础设施，是指根据海上风电的生产和应用流程，为海上风电发展提供发电、储能、输电等服务的物质工程设施，它是海上风电产业发展的基础物质条件，也是保证海上风电运营的公共服务系统，又被称为硬件设施。海上风电基础设施建设的重要性表现在以下几个方面。首先，海上风电基础设施是海上风电建设的主要工作，投资规模大，建设周期长。在风电建设中，风能资源是公共产品，因此，风电建设不需要在能源资源上花费像化石能源资源那样大的投入，风电基础设施建设是其投资的主要内容。其次，海上风电基础设施是海上风电建设的基础性工作，是其后运营和维护工作的基础，也是实现发电、储能、并网、输送的关键。基础设施投资建设不足将极大制约海上风电发展。近年来我国海上风电基础设施建设取得了巨大的成绩，但是海上风电基础设施建设是一项庞大的系统工程，相对陆上风电要复杂得多，尤其在基础设施建设方面，在相关的技术进步、资金投入、环境影响等方面需要更多投入。
3硬化土模型在海上风电大直径桩基础工程中的应用
海上风电场作为近年国家发展的重点，目前在江苏、浙江、福建、广东、山东海域呈现大规模推进的形势。
对于承受风、浪、流等荷载联合作用的海上风电基础结构，桩－土相互作用问题依然是研究的重点和难点，其中p－y曲线法能够反映桩土非线性特征，是API、DNV等规范推荐的一类桩－土相互作用分析方法，其计算公式是根据现场试桩数据归纳所得，但多为3m直径以内的试桩，对于直径4～6m甚至更大的海上风电单桩基础结构而言，p－y曲线法的适用性值得商榷，且现场试桩数据也较难得到。越来越多的工程实例表明，对于不同的土体条件、桩基结构、施工方法以及荷载类型，p－y曲线法预测的准确度参差不齐。而数值模拟方法不仅能够考虑桩－土相互作用，而且能够更真实地模拟动力荷载、循环荷载等复杂工况下桩基变形及受力特征，与p－y曲线法相比具有不可替代的优势。采用数值模拟方法进行海上风电大直径桩基分析和设计时，选择合适的本构模型和计算参数是确保分析结果符合实际情况的基础。目前的单桩基础分析中仍大多采用Mohr－Coulomb本构模型(MC模型)，它能较好地模拟土体的强度问题，但对于土体破坏前的应力－应变关系，简单地认为其符合弹性虎克定律，且不能考虑应力历史的影响及区分加荷和卸荷，因此不适宜模拟土体的变形行为。海上风电单桩基础极限承载能力主要由桩基变形控制，因此采用MC模型来分析海上风电单桩基础具有较大的局限性，而硬化土本构模型(HardeningSoilmodel，简称HS模型)由于可以反映土体应力－应变非线性特性和工程复杂应力路径，特别适合模拟加卸载状态下的土体变形行为，目前已在岩土工程中得到了广泛应用。
4技术措施
1）天然因素方面有：原地应力、岩石类型及其力学性质、地层的构造形态、黏土矿物的种类和数量、地层孔隙流体的类型和孔隙压力等。2）工程因素包括：临空面高度、裸露的时间、钻头对井壁的刮拉及碰撞、岩体经反复扰动后强度降低等。孔壁岩石的失稳是一个力学过程，其实质是孔壁岩石所受应力超过了其强度而诱发失稳破坏。孔壁稳定问题最常发生的情况包括钻进过程中的孔壁坍塌和地层破裂两种基本类型。处于地层深处的岩石受上覆地层压力、水平方向地应力及地层孔隙压力的作用，在钻孔钻开前，地下岩层处于应力平衡状态，钻孔钻开后，破坏了地层的原有应力平衡，引起钻孔周围应力重新分布。从力学的角度来看，造成孔壁坍塌的原因主要是孔壁周围岩石所受应力超过岩石本身的强度而产生剪切破坏造成的，此时，对于脆性地层会产生坍塌掉块，井径扩大；而对塑性地层，则向钻孔内产生塑性变形，造成缩径。此外，一些特殊构造的岩石也需特别引起注意，如层理状岩石（板岩）。层理状岩石在平行于层理面方向和垂直于层理面方向的物理、力学等性质表现出明显的差异性，这种现象称为岩石的横观各向同性。自然界中横观各向同性岩石普遍存在，例如板岩、云母、片麻岩、绿泥石、千枚岩等具有明显的横观各向同性，层理状的沉积岩和片理状的变质岩均具有明显的横观各向同性。横观各向同性是岩石的重要性质，特别是在钻孔的稳定性方面，相对于各向同性，横观各向同性使得岩石的力学问题更加复杂，如果将横观各向同性岩石当作各向同性处理，则工程设计和计算将会出现较大的误差。
结束语
为应对气候变化，防治大气污染，保证能源安全，各国对可再生能源的规划与部署迅速增加，清洁能源的开发利用已经成为能源转型的重要方向。清洁能源又被称为绿色能源、可再生能源，包括风能、光伏、水力、生物质能、地热、波浪和潮汐能等多种形式。风能的技术与商业开发较为成熟，在全球范围内取得了突飞猛进的发展。
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