第1章　海洋大直径钢管桩发展概况

1.1　海洋工程中钢管桩的应用

在所有结构基础形式中，桩基础以其承载力高、沉降量小、稳定性好、适应性强等特点得到了广泛的应用。桩基础作为最古老的基础形式之一，在人类有历史文献记载以前，就已经在地基条件不良的河谷及洪积地区用来建造房屋。1981年，美国肯塔基大学的考古学家在智利的蒙特维尔德附近的森林意外发现了几根用来支承小木屋的木桩，其被认为是现今发现的最早的桩基础应用，可以追溯到大约12000～14000年前。我国桩基础的应用也具有悠久的历史，根据最新的考古发现及文献记载，我国最早的桩基础距今有7000多年，发现于浙江省余姚市的河姆渡，遗址中，存在大量的由圆木桩、方木桩和板桩这3种木桩组成的桩基础，表明人类在新石器时代已经具备了打桩和制桩的成套工具和技术。到了宋代，官方颁布的一部建筑设计、施工的规范书《营造法式》，有专门的章节——“临水筑基”用来描述木桩的施工，这标志着中国古代建筑发展到了较高阶段，桩基的建造及施工技术也已经趋于成熟。到了明、清两代，桩基技术更趋完善。如清代《工部工程做法》一书对桩基的选料、布置和施工方法等方面都有了规定。到了19世纪后期，钢材、水泥等材料相继出现，桩型和施工工法不断丰富、机械和设备制造工艺再次进步，使得桩基础得到了前所未有的发展，在民用建筑、工业厂房、公路桥梁、港口码头、海洋平台等建设领域都得到了更加广泛的应用［1］（图1.1.1）。

图1.1.1　固定式导管架平台

（a）高桩码头；（b）海洋平台；（c）跨海大桥；（d）海上风电场

众所周知，海洋占地球表面积约71%，其蕴藏着非常丰富的油气资源。根据我国第三次石油资源评价结果：中国海洋石油资源量为246亿t，占全国石油资源总量的23%；海洋天然气资源量为16万亿m3，占总量的30%。而中国海洋石油探明程度为12%，海洋天然气探明程度为11%，远低于世界平均水平。因此，大力开发海洋资源，对缓解能源矛盾、促进经济发展具有重要的意义。海洋石油平台是开发海洋油、气资源的基础性设施，是进行海上生产作业的基地。海上平台是一种岛状空间结构物，具有一个高出海面的水平台面，供生产作业或其他活动。海上石油平台按其结构特点和工作状态大体可分为固定式和浮式两大类。固定式平台在整个使用寿命期内位置固定不变，其形式有桩式、绷绳式和重力式等。其中桩基式平台也称导管架平台，其结构主要由3部分组成：上部组块、由桁架组成的导管架和桩基。上部组块是平台进行油、气资源开采活动的上部设施结构。导管架和桩基共同构成平台的基础，它们在陆地上进行预制，被拖运到海上进行安装。首先将导管架安装就位，之后钢桩穿过导管架的导管被分节打入到海底地基中，最后在桩和导管之间的环形空隙中灌入水泥浆，使得桩和导管架形成一个整体，共同组成平台上部组块结构的基础［2］。到目前为止，世界各国拥有的各类海洋平台近1万座，除极少数钢筋混凝土桩基平台外，绝大多数都是钢质桩基结构的固定式平台。我国从20世纪60年代开始在渤海勘探、开发海上油气，目前已建成海洋石油平台100余座［3］。在浅海中的石油平台多采用应用十分广泛的固定式导管架基础型式，具体如图1.1.2所示。

图1.1.2　固定式导管架平台

海洋中除了丰富的油气资源以外，还具有十分可观的风力资源。海洋风能作为一种可再生能源，与陆上风能相比，具有风速高、风能大、风湍流强度低、土体征用少、能量收益比高等特点，日渐受到人们的重视。欧洲是海洋风电技术最为成熟的地区，绝大部分国家都建立了海上风电场。1990年瑞典架设的第一座海上风电机标志着人类拉开了海上风能开发利用的序幕。根据欧盟的规划，到2020年，近海风电装机达到50GW，届时可以满足1/3的欧洲用电量。而中国近海位于太平洋和亚洲大陆之间，较大的海陆热力差异会产生显著的气压梯度和气温梯度。根据国家海洋风能资源发展规划，将在广东南澳、浙江岱山、江苏如东等地相继建立海上风电场，预计到2020年，海上装机总量可以达到10GW［4］。中国海洋石油总公司于2007年11月6日在渤海绥中油田建设完成的国内第一座海上风力发电站正式投产，标志着我国开始了海上风能的利用。同年11月8日实现了风力发电站的满功率运行。最大功率输出为1511kW。在之前技术支持及经验的积累下，我国在上海东海大桥东侧1～4km、距南汇岸线8～13km的海域设置了34台单机功率3MW的风力机组，建成了中国首座海上风电场（图1.1.3）。

图1.1.3　东海大桥风电场

在海上风电项目中，基础成本约占总成本的25%左右，基础结构的选择是海上风机设计的重要内容［5］。目前，钢管桩广泛应用于单桩基础、高桩平台基础、三脚架基础与导管架基础。虽然每种基础的型式不同，但其下部都选用桩基础将上部荷载传递到地基中。在所有的海上风电基础型式中，单桩基础的应用最为广泛，在海上风电场中使用率占65%以上［6］。其结构型式较为简单，由钢管焊接而成，如图1.1.4所示。单桩基础适用于水深30m以下的非岩基海域，较早使用的钢管桩采用直径4m以下的大直径钢管桩。随着风机单机容量增大及建设水深增加，目前采用的单桩基础通常为直径4m以上的超大直径钢管桩，如丹麦Samso海上风电场和我国江苏如东海上风电场分别采用了直径为4.5m和5.2m的超大直径钢管桩。高桩承台基础由基桩和上部承台组成，如图1.1.5所示。高桩承台基础适用于0～20m水深的海域，施工时先打设钢管桩，再浇筑顶部混凝土承台，施工工序简便，可在软土地基中使用，但结构总体偏厚，自重较大。

图1.1.4　单桩基础

图1.1.5　高桩承台基础

三脚架基础采用三腿支撑结构，如图1.1.6所示。目前有德国Alpha Ventus和Bard OffshoreⅠ海上风电场采用了此种结构型式，具有基础自重较轻、整体结构稳定性好的优势。三脚架基础适用于水深30～40m的海域，但不适于海床存在大面积岩石的情况。导管架基础由空间框架构成，底部与4根钢管桩相连，如图1.1.7所示。导管架基础适用于40m以上深水的海域，目前主要有英国Thomton Bank PhaseⅡ风电场和比利时Thornton Bank二期风电场采用此种基础型式，具有基础强度高、安装噪音较小等优势，但对钢材的需求量较大［7］。

图1.1.6　三脚架基础

图1.1.7　导管架基础

随着海洋油气及风能资源的不断开发，需要在环境复杂多变、波浪潮汐剧烈、地质条件不良的海域设置石油平台及风电机组，既要满足能源的开采利用，又要保证这些构筑物安全平稳地运行，这就促使了钢管桩基础向着大直径、超长、深贯入、大承载力的方向发展。现阶段使用的单桩基础多采用超大直径钢管桩，具有结构型式简单、拖运方便和施工速度快的优势。其直径通常在4m以上，与传统的小直径钢管桩相比桩径明显增大，如图1.1.8所示。

图1.1.8　钢管桩

（a）小直径；（b）超大直径

钢管桩体通常采用开口型式，与其他类型的桩基础型式比较，开口式钢管桩的优点：①钢管桩承载力强，桩身强度高、水平抗力大、抗弯能力优，并且材质均匀，材料无明显的各向异性；②钢管桩具有良好的贯入能力，断面面积小，挤土效应弱，打入率高，对周围结构物及土体的扰动较小；③钢管桩设计灵活，可以根据工程实际要求，制作成不同的桩长、桩径、壁厚，同时，还可以设置成较大斜度，以承受建筑物较大的水平荷载；④钢管桩采用工厂化建造，目前已具有丰富的设计理论、成熟的工艺流程、完善的检验手段，确保钢管桩的质量；⑤钢管桩施工方便，在工厂预制后在现场进行贯入即可，并且，与上部结构的连接易于处理，在施工中由于种种原因导致桩的实际尺寸超出或小于设计尺寸时，可以通过截桩或者接桩的方式处理；⑥钢管桩搬运堆存方便，长度可以任意接出，因此可不受搬运堆存条件的制约。鉴于以上优点，钢管桩的应用与研究是今后工程实践及科学研究的重点所在。