海上风电大直径单桩基础技术规范

1T/CAEEXXX—2025海上风电大直径单桩基础技术规范本文件规定了海上风电大直径单桩基础（桩径≥6m，以下简称“单桩”）在勘察、设计、制造、沉桩、检测、防腐、运行维护全过程的技术要求与质量控制。本文件适用于我国近海与潮间带风电场单桩基础的新建、改扩建及检测维护工程。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T12464海洋调查规范GB50007建筑地基基础设计规范GB50205钢结构工程施工质量验收规范GB/T50476混凝土结构耐久性设计标准GB51395海上风力发电场勘测标准GB/T700碳素结构钢GB/T1591低合金高强度结构钢GB/T19830石油天然气工业用钢管GB/T50568海上风电场设计标准NB/T10105海上风电场工程风电机组基础设计规范DL/T5497海上风电场岩土工程勘察规范ISO19901-4海上结构物—岩土设计与勘察ISO19901-2海上结构物—地震设计程序及准则APIRP2A-WSD海上固定平台规划、设计和建造推荐作法DNV-GL-ST-0126Supportstructuresforwindturbines3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1大直径单桩LargeDiameterMonopile桩外径不小于6m、壁厚不小于60mm、桩长一般大于60m的钢管桩基础，通过锤击、振动或负压下沉入海床，承担风电机组荷载并传递至地基3.2冲刷防护ScourProtection在桩周一定范围内铺设抛石、混凝土块体或人工草垫等，防止海流及波浪引起的局部冲刷。3.3P-Y曲线P-YCurve描述桩土水平相互作用力P与桩侧向位移y之间关系的非线性曲线。3.4锤击应力HammeringStress2T/CAEEXXX—2025沉桩过程中由打桩锤在桩顶产生的瞬时轴向压应力。3.5防腐层Anti-corrosionCoating涂敷或包覆在桩外表面的金属或非金属防护层，用以减缓海水腐蚀。3.6外加电流阴极保护ImpressedCurrentCathodicProtection(ICCP)通过外部直流电源向阳极提供电流，使钢结构极化以达到防蚀目的的技术。3.7设计使用年限DesignServiceLife单桩基础结构的设计使用年限不低于25年；当风机寿命延长时，应同步评估基础剩余寿命。3.8过渡段TransitionPiece连接桩顶与塔筒底部的钢-混组合结构，用于调平、防腐密封及电缆穿越。4符号与单位D——桩外径，mt——桩壁厚，mmL——桩总长，mLe——入土深度，mfyk——钢材屈服强度标准值，MPaE——钢材弹性模量（N/mm²)γM——材料分项系数UC——UnityCheck，承载力/抗力比γ′——土体浮重度（kN/m³)cu——土体不排水抗剪强度（kPa）θmax——风机基础顶部水平转角限值（rad）Δmax——风机基础顶部水平位移限值（mm）SLS——正常使用极限状态ULS——承载能力极限状态5基本规定5.1设计原则单桩基础应满足安全、适用、耐久、经济、施工可行原则，并考虑极端环境组合、地震、疲劳、冲刷、腐蚀、船舶撞击等工况。5.2设计使用年限与耐久性主体结构50年，防腐蚀设计年限不低于25年；在浪溅区、潮差区及全浸区分别采取涂层、阴极保护及包覆措施，运行期内应可实施维护、延寿。5.3极限状态设计应采用分项系数的极限状态法，包括：a)承载能力极限状态（ULS）；b)正常使用极限状态（SLS）。5.4可靠度指标结构构件可靠度指标β不小于3.7；对脆性破坏模式β不小于4.2。6环境作用与设计荷载T/CAEEXXX—202536.1风荷载按GB50009计算，重现期取50年。6.2波浪荷载采用Morison方程或势流理论；不规则波按JONSWAP谱模拟，重现期50年。6.3海流荷载流速垂向分布按幂指数模型，海流与波浪共线组合。6.4地震作用按GB51395、GB18306进行场地地震安全性评价，水平地震影响系数αmax按II类场地取值，竖向地震作用取水平作用的0.65倍。6.5荷载组合按永久荷载、可变荷载（风、波浪、海流）、偶然荷载（地震、冰荷载）分类，采用分项系数法ULS：1.35G+1.5W+1.2F+1.0E（G为永久荷载，W风，F波浪流，E地震）；SLS：1.0G+1.0W+1.0F。6.6疲劳荷载采用等效疲劳损伤法或时域雨流计数法；风速威布尔参数A=10m/s，k=2.2。7工程勘察7.1勘察阶段划分a)勘察阶段应与设计阶段匹配，按以下阶段开展：b)场址可行性研究阶段：钻探孔间距不大于3km；c)初步设计阶段（初勘）：钻探孔间距不大于500m；d)施工图设计阶段（详勘）：为核心勘察阶段；e)施工补充勘察：根据施工实际情况开展。7.2各阶段勘察要求7.2.1钻孔要求施工图设计阶段（详勘）中，每台风机应布置不少于1个控制性钻孔，孔深需进入持力层不小于桩径的5倍或30m。7.2.2原位测试各阶段钻孔应进行原位测试，包括但不限于：静力触探（CPT）、十字板剪切、波速测试、SCPT、PS-logging；必要时需补充扁铲侧胀、地震CPT测试。7.3试验与分析7.3.1室内试验需开展粒度分析、固结、UU/CU/CD三轴、动三轴、界面剪切、有机质含量、电阻率等测试。7.3.2地震评价场地地震动参数按Ⅱ类场地50年超越概率10%、2%进行场地地震安全性评价。7.3.3地层模型应建立三维地层模型，提供P-Y、T-Z、Q-Z曲线参数；模型深度不小于桩端以下1倍桩径。T/CAEEXXX—202547.4岩土参数与地基设计典型土类划分为软黏土、硬黏土、砂土、粉土、岩石等，具体参数详见附录A。7.4.1桩基承载力a)轴向承载力：采用APIRP2A推荐的β-法（砂土）和α-法（黏土）计算，极限承载力Qu=Qs+Qp，安全系数γR取2.0（ULS）；采用荷载-沉降曲线拐点法确定极限承载力时，γR可降低至1.8。b)水平承载力：采用p-y曲线法，软黏土推荐Matlock（1970）方法，砂土推荐Reese（1974）方法，参数按附录B取值；水平极限承载力Hult应满足Hult≥γF・H(γF=1.5）。7.4.2沉降与转角采用有限元法或弹性地基梁法计算；长期沉降不大于0.02D，差异沉降不大于0.001L。7.4.3冲刷深度按Breusers公式估算：ds=1.5D・tanh(h/D)（h为水深设计冲刷深度不小于计算值的1.3倍。7.4.4软弱夹层处理当桩端以上5D范围内存在cu<25kPa的软弱夹层时，应进行专项稳定性分析，必要时采用桩端加糙、水泥搅拌桩加固或延长桩长。8单桩结构设计8.1材料钢材宜选用S355、S390、S420或S460海洋结构钢，化学成分与力学性能符合GB/T19830或EN10225；冲击韧性一般情况下，-40℃纵向冲击功≥50J，寒区按-50℃执行（该温度下纵向冲击功≥50J）；低温区（-20℃以下）须保证冲击功KV2≥50J。8.2焊接材料所有焊接材料的型号及性能应与相应母材相匹配，其熔敷金属的力学性能需符合设计规定，且不应上述焊接材料的选用及性能指标应符合AWSD1.1或ISO3834-2标准的要求。8.3防腐与阳极材料8.3.1防腐层：工厂喷涂三层熔结环氧（FBE）或双层液体环氧+改性聚烯烃，总干膜厚度≥1000μm；潮差区及飞溅区附加玻璃钢防蚀护套；8.3.2阳极材料：ICCP用MMO/Ti阳极（设计寿命25年，输出电流可调牺牲阳极用Al-Zn-In合金（电容量≥2600A・h/kg）。8.4单桩结构设计极限状态分类ULS：结构强度、稳定性、桩基承载力；SLS：桩顶水平位移、泥面转角、自振频率、疲劳；FLS：疲劳极限状态；ALS：异常极限状态（船舶撞击、地震、冰载）。8.5桩径与壁厚8.5.1桩径D≥6m，壁厚t≥60mm；采用变壁厚设计，泥面以下2D范围内壁厚增加≥20%；8.5.2局部屈曲：大直径薄壁管的径厚比（D/t）应满足以下限值：水下区不应大于120，浪溅区不应大于100；并按GB50017《钢结构设计标准》或NB/T10313《海上风电结构设计标准》中关于局部屈T/CAEEXXX—20255曲的验算要求进行校核。8.6承载力计算8.6.1竖向承载力：采用静力触探法、α-β法或API法计算，其极限状态（ULS）安全系数应≥2.0，正常使用状态（SLS）安全系数应≥3.0。8.6.2水平承载力：采用P-Y曲线法计算（宜采用现场静力触探（CPT）数据，经SCPT或PISA模型修正）；泥面转角限值为0.25°,桩顶位移限值为桩径（D）的1/10。8.6.3桩-土刚度：运行期结构自振频率应避开1P±10%和3P±10%区间（注：1P、3P通常指风机叶片通过频率及三倍通过频率）。8.7结构强度校核轴压与弯压组合（DNV公式）：≤fy/γM（其中，安全系数γM取1.15）。8.8节点设计8.8.1过渡段：长度不应小于1.5倍桩径（D），调平精度允许偏差为±2mm；灌浆连接高度不应小于1.2倍桩径（D），灌浆料28天抗压强度不应低于80MPa。8.8.2法兰连接：桩顶法兰平面度允许偏差≤1mm；螺栓预紧力应按0.7×fu×As（fu为螺栓抗拉强度极限，As为螺栓有效截面积）控制。8.9疲劳设计8.9.1采用SN曲线：T形焊接接头应选用DNVGL-RP-C203规范中的F3曲线或E级曲线。8.9.2分析方法：采用时域雨流计数法或频域谱法；设计累积损伤度应满足D≤1.0。8.9.3安全系数：极限状态（ULS）：γf取3.0；疲劳极限状态（FLS）：γf取10.0。8.10特殊工况设计8.10.1地震：按设计谱法或时程法计算，桩身最大曲率延性系数μ≤3；8.10.2碰撞：当遭遇5000t级船舶以0.5m/s速度侧向碰撞时，允许结构发生局部塑性变形，但需确保整体结构稳定性不受影响。9制造与加工9.1钢板预处理喷砂Sa2.5，粗糙度50-75μm，4h内喷涂底漆。9.2卷制与焊接9.2.1采用四辊卷板机或JCOE、UOE工艺，圆度偏差不应大于桩径（D）的1/200，椭圆度偏差不应大于5mm。9.2.2纵缝采用埋弧自动焊（SAW），需进行100%射线检测（RT）+100%超声检测（UT）；环缝需进行超声检测（UT）+磁粉检测（MT）；所有焊缝均需全熔透，超声检测（UT）按《GB/T11345焊缝无损检测超声检测技术、检测等级和评定》执行，合格等级为Ⅰ级。9.3尺寸公差外径±5mm；壁厚+3/-0mm；桩顶法兰平面度≤1mm（整体）或≤1mm/m（每米）；桩长+100/-0mm；桩端垂直度≤1:200，周长偏差±3mm。9.4临时措施与标识T/CAEEXXX—20256制造及运输过程设置临时内支撑或加强环，防止椭圆变形；每根桩喷涂唯一编号、尺寸、重量、制造日期、检验章。10运输与储存10.1运输要求采用5000t级及以上甲板驳运输；桩身支垫间距不应大于15m，支点需避开焊缝位置；绑扎角度不应大于45°；海上运输过程中，加速度限值为0.3g（g为重力加速度）。10.2储存规范储存场地需平整，设置枕木支撑；桩体分层堆放时，堆放层数不应超过2层；发现防腐层有破损处，应立即进行修补。11施工与质量控制11.1沉桩施工11.1.1设备：液压打桩锤能量不应小于4000kJ；当桩径（D）≥10m时，推荐采用IHCS-4000型液压锤；需配备自动锤击记录系统；GPS-RTK定位精度允许偏差为±50mm。11.1.2沉桩控制：桩身最大压应力不应超过0.9fyk（fyk为钢材屈服强度标准值），最大拉应力不应超过0.7fyk；最后10击的平均贯入度不应大于2mm/击；或桩体达到设计标高且承载力安全系数满足要求（两者满足其一即可）。11.1.3垂直度：成桩后，桩顶中心平面位置偏差不应大于75mm；桩身垂直度偏差不应大于1:150（即每150mm长度内垂直度偏差≤1mm）。11.2大直径单桩施工允许偏差a)桩顶中心平面位置±75mmb)桩顶标高±50mmc)垂直度（任意方向）≤1:150d)椭圆度≤5mm11.3冲刷防护施工抛石粒径的特征值（d50）应取0.5～1.0倍的设计特征粒径（ds抛石层厚度为2～3倍d50；铺设高程应低于设计冲刷面0.5m。11.4过渡段灌浆采用高强微膨胀灌浆料，其强度等级不应低于C100；灌浆过程需一次连续灌注，不得中断；灌浆压力控制在0.2～0.4MPa，施工环境温度应保持在5℃~35℃。11.5桩顶处理桩顶切割面平面度偏差不应大于1mm/m；法兰焊接接头需进行100%超声检测（UT法兰水平度偏差不应大于1.5mm/m。12防腐与阴极保护12.1腐蚀环境分区按ISO12944-2划分为C5-M（浪溅区、潮差区）和Im2（全浸区）。12.2防腐体系12.2.1通用涂层：底漆采用环氧富锌漆，干膜厚度不应小于60μm；中间漆采用环氧云铁漆，干膜厚度不应小于250μm；面漆采用聚氨酯漆，干膜厚度不应小于140μm；系统总干膜厚度不应小于45012.2.2浪溅区加强涂层：可采用“3层环氧玻璃鳞片+2层聚氨酯”体系，总干膜厚度不应小于800T/CAEEXXX—2025712.2.4检测：按GB/T13452.2进行漏点检测，24h无漏点为合格。12.3阴极保护12.3.1初始电流密度110mA/m²,平均电流密度55mA/m²,末期电流密度75mA/m²。12.3.2外加电流阴极保护（ICCP）系统：恒电位仪输出0-300A/0-24V；参比电极采用Ag/AgCl型，每根桩配置数量不应少于3套；阳极屏蔽层半径不应小于1.5m。12.3.3牺牲阳极：设计寿命25年，预留10%余量，净质量按公式W=(I×L×8760)/(u×C)（其中，I为电流强度，L为设计寿命，u为阳极电流效率，C为阳极理论电容量）。12.3.4保护电位：全浸区：-800mV～-1050mV（相对于Ag/AgCl参比电极）；ICCP系统试运行期间：24h内电位应稳定在-0.85V～-1.05V（相对于Ag/AgCl参比电极）。12.3.5监测：实施保护电位远程监测，数据实时上传至SCADA系统；数据存储周期不应少于10年。12.4腐蚀裕量与防海生物12.4.1腐蚀裕量：浪溅区、潮差区取3mm；全浸区取1mm；泥下区不考虑；12.4.2防海生物：潮差区及全浸区设置电解海水防污系统或低表面能涂层。13检测与验收13.1性能检测13.1.1高应变检测检测比例100%；桩身完整性系数β≥0.9；承载力≥1.2倍设计特征值。13.1.2静载试验抽检比例≥1%且不少于3根；试验方法按JTS237或ASTMD1143；试验荷载≥1.5倍设计荷载。13.2几何与防护检测13.2.1几何复测桩顶标高允许偏差±50mm，水平位置允许偏差±50mm，垂直度复测偏差不应大于1:200。13.2.2防腐层检测电火花检漏15kV无漏点；厚度检测每10m²不少于1点；附着力≥5MPa。13.2.3阴极保护检测外加电流阴极保护（ICCP）系统试运行24h内，保护电位需达到-0.85V～-1.05V（相对于Ag/AgCl参比电极）。13.3竣工资料要求需包含桩基竣工图、沉桩记录、检测报告、质保书、设备说明书及维护手册。14监测与预警14.1监测内容14.1.1必测项目及方法T/CAEEXXX—20258a)桩身应力：在桩顶以下1D、3D、8D（D为桩径）处设置光纤光栅传感器，同步监测桩顶加速度及应变；b)倾斜监测：安装双向倾斜仪，监测频率1Hz，数据实时回传。c)冲刷深度：采用多波束测深系统，每6个月扫测一次。d)腐蚀状态：监测腐蚀电位，每5年检查牺牲阳极剩余重量。14.1.2监测系统要求采用光纤光栅或MEMS传感器；采样频率≥1Hz；数据需实现无线远传。14.2预警值设定a)水平转角≥0.3°或位移≥100mm时，启动黄色预警。b)水平转角≥0.5°或位移≥150mm时，启动红色预警并停机。15维护与评估15.1定期巡检每年不少于2次常规巡检，台风、地震后需进行专项巡检。15.2专项维护15.2.1冲刷维护当冲刷深度>1.0D时，采用抛石、砂袋、固化土或防冲刷板进行修复。15.2.2防腐维护涂层破损>25cm²或>1%面积时，现场采用高压水喷射至Sa2.5级后补涂；阳极消耗>80%设计质量时需及时更换。15.3结构评估a)运行第5、10、15、20年需进行结构安全评估，采用实测数据反演桩土参数。b)运行满10年时需进行安全等级复评，必要时进行加固、更换过渡段或延寿设计。16健康监测与数字化交付16.1BIM+GIS应用建立桩基BIM模型，关联设计、制造、沉桩、检测全生命周期数据，并与风电场GIS平台对接。16.2数字孪生系统基于实时监测数据与AI算法，实现剩余寿命预测，优化运行维护策略。16.3数据共享要求监测数据需接入国家海上风电大数据平台，格式符合GB/T37562标准。17安全、环保与节能17.1安全管控a)施工船舶需满足SOLAS要求。b)沉桩作业设置500m警戒区。c)噪声控制符合GB12523标准。17.2环保措施T/CAEEXXX—20259a)采用低噪声液压锤。b)施工悬浮物浓度增量≤10mg/L。c)废油、废渣回收率达100%。17.3节能优化a)优化桩径壁厚设计，减少用钢量5%以上。b)采用高效ICCP（外加电流阴极保护）系统，节电10%以上。T/CAEEXXX—2025附录A（资料性）典型地质剖面与土性参数A.1软黏土土性参数：不排水抗剪强度cu=15～40kPa；有效重度γ′=6～8kN/m³；不排水模量系数m=0.6。说明：软黏土含水量高、孔隙比大，抗剪强度较低（cu数值反映此特性）；有效重度小，体现轻质、疏松特征；m=0.6表明其刚度较低、压缩性较高。A.2中密砂土性参数：有效内摩擦角φ′=32°~38°；有效重度γ′=9～10kN/m³；压缩模量k=20MN/m说明：中密砂颗粒排列较密实，φ′处于中等偏高范围，抗剪性能较好；γ′高于松散砂，反映密实度较高；k=20MN/m³表明压缩性中等，整体稳定性优于松散砂。A.3硬黏土土性参数：不排水抗剪强度cu=80～150kPa；有效重度γ′=7～9kN/m³；不排水模量系数m=0.3~0.4。说明：硬黏土密实度高、黏聚力强，cu显著高于软黏土，抗剪性能更优；m数值较小（0.3～0.4表明土体刚度较大、压缩性较低。A.4松散砂土性参数：有效内摩擦角φ′=28°~32°；有效重度γ′=8～9kN/m³；压缩模量k=5～15MN/m说明：松散砂颗粒排列疏松，φ′略低于中密砂，抗剪性能较弱；k数值较小，反映其压缩性高于中密砂。A.5粉土土性参数：有效内摩擦角φ′=25°~30°；有效重度γ′=8～9.5kN/m³；孔隙比e=0.7～0.9。说明：粉土兼具黏性土和砂土特性，φ′介于两者之间；e为孔隙比，数值越大表明土体越疏松。A.6砾石土性参数：有效内摩擦角φ′=35°~45°；有效重度γ′=10～12kN/m³；压缩模量k=50~100MN/m³。说明：砾石颗粒粗大、级配良好，φ′大（抗剪性能强），k高（低压缩性），属于高强度土类。A.7全风化岩土性参数：不排水抗剪强度cu=100～200kPa；有效重度γ′=9～11kN/m³；不排水模量系数m=0.2～0.3。说明：全风化岩已接近土状，cu较高（力学性能较好），m数值小（刚度较大），常用于地基持力层。A.8中风化岩土性参数：单轴抗压强度σc=10～30MPa；有效重度γ′=11～13kN/m³；抗拉强度fr=1.5~5MPa。说明：中风化岩完整性较好，σc和fr反映其接近岩石的力学性能，适用于重要结构地基。T/CAEEXXX—2025（规范性）水平受荷桩p-y曲线取值B.1软黏土水平抗力公式：式中参数：J=0.5（刚度系数，反映软黏土低刚度特性）；ε50=0.02（对应50%抗剪强度的应变值，表明其变形能力较强cu为不排水抗剪强度，σ′v为有效上覆压力。公式说明：综合体现软黏土在水平荷载下的非线性抗力特性，兼顾初始抗力与位移相关的刚度贡献。B.2砂土水平抗力公式：式中参数：A=3.0-0.8(z/D)≥0.9（随深度变化的系数，(z/D)为相对深度，体现抗力随深度增加的特性pu为极限水平抗力（由砂土内摩擦角和有效重度计算，反映极限承载能力）。公式说明：通过tanh函数模拟抗力随位移增长的非线性关系，适用于中密砂的受力特征，位移较小时抗力增长较快，接近极限值后趋于平缓。B.3硬黏土水平抗力公式：式中参数：J=0.3～0.4（刚度系数，小