New CPT-based Suction Bucket Jacket Installation Coefficients from Field Installation Measurements

Suction Bucket Jackets (SBJ) proved to be a valid alternative to Monopile foundation solution for offshore wind turbines. However, the existing literature related to SBJ installation is still quite limited. DNV-GL regulations provide the CPT-based method, where the cone resistance (qc) is correlated to the skirt friction and end-bearing via two empirical coefficients: a shaft friction factor (kf) and an end-bearing factor (kp). DNV-GL suggests the coefficients to compute the most probable and the highest expected predictions of resistance for sand and clay in the North Sea area. It was proved that these coefficients can lead to over-estimation of the soil resistance during installation. This work presents a strategy used to predict reliable installation values of SBJ foundations with the CPT-based method outlined in the DNV-GL regulations, starting from an extensive dataset related to an offshore wind farm in the East China Sea. A Cone Penetration Test (CPT) was available for one of the three legs at each SBJ location. From the recorded data, a CPT Interpretation was defined in order to understand the soil behavior at each Wind Turbine Generator (WTG) location. A unit subdivision was already represented in the dataset, and it was slightly adjusted thanks to the just mentioned interpretation of the in-situ tests realized in the case study Site. In addition to the existing soil unit characterization, design lower and upper bounds were defined for the Over Consolidation Ratio (OCR) in clay units, and for the Relative Density (Dr) in sands. After that, CPT-based method was computed. It was confirmed that DNV-GL suggested coefficients led to overpredict the soil resistance measured during installation. Based on back-calculation, the empirical coefficients kp and kf were determined in order to predict reliable values of Self-Weight Penetration (SWP) and Suction Pressures required to reach the target penetration depth of the SBJ installations. Different coefficients values were defined for SWP and Suction phases since differences in penetration rates were noted between them. Coefficients were differentiated also depending on the soil units. The distinction did not regard only sand and clays in general, but to improve the reliability of the predictions there were provided different coefficients also between Unit 1 and 2a for clays. Due to the significant installation measurement variability, different predictions were defined: Low Estimate (LE), Best Estimate (BE) and High Estimate (HE). The BE prediction had the purpose to match the mean SWP measured between the three jacket legs and to follow the suction pressures measured with a unique trend, to provide similar values as far as possible. The LE and HE predictions were defined in order to provide a range of values that includes the installation field measurements. The use of both LE and HE predictions is deemed to be the most recommended solution eventual real project design.

Le fondazioni Suction Bucket Jacket (SBJ) hanno dimostrato di essere una valida alternativa alla tipologia Monopile per le turbine eoliche offshore. Tuttavia, la letteratura esistente relativa all’installazione di fondazioni SBJ è ancora limitata. Le normative DNV-GL forniscono un metodo basato su prove CPT, dove la resistenza alla punta del cono (qc) è correlata all’attrito laterale e alla resistenza alla punta della fondazione tramite due coefficienti empirici: uno legato alla componente di attrito (kf) e uno relativo alla punta della fondazione stessa (kp). DNV-GL propone i coefficienti per il calcolo del valore più probabile e più elevato di resistenza prevista per la sabbia e l’argilla nel Mare del Nord. É stato dimostrato che i coefficienti presenti nelle normative DNV-GL possono portare a sovrastimare la resistenza del suolo durante l’installazione. Questo lavoro presenta una strategia utilizzata per calibrare i coefficienti kf e kp per prevedere valori affidabili relativi all’installazione di fondazioni SBJ con il metodo basato su prove CPT presente nelle normative DNV-GL, partendo da un ampio set di dati di installazione riguardante un parco eolico offshore situato nel Mar Cinese Orientale. Una CPT è disponibile per una delle tre gambe di ogni SBJ. I dati CPT sono stati usati per definire un’interpretazione stratigrafica basata su prova CPT al fine di comprendere il comportamento del suolo per ciascuna location che vede situato un generatore eolico. Una suddivisione in unità già presente nel set di dati fornito inizialmente è stata leggermente adeguata, attraverso alcune modifiche sviluppate grazie all’appena menzionata interpretazione delle prove CPT realizzate nel sito in analisi. In aggiunta alla caratterizzazione geotecnica esistente, valori limite di design sono stati definiti per il parametro relativo al Grado di Sovraconsolidazione (OCR) nelle unità di argilla, e per la Densità Relativa (Dr) nelle sabbie. Dopodiché, il metodo basato su prova CPT è stato implementato. È stato confermato che i coefficienti suggeriti dalle normative DNV-GL portano a sovrastimare i valori di resistenza alla penetrazione durante l’installazione rispetto ai dati misurati su campo. Avendo a disposizione i dati misurati su campo, i coefficienti empirici denominati kp e kf sono stati determinati in modo da prevedere valori affidabili di Penetrazione per Peso Proprio (SWP) e Pressioni di Suzione (Suction Pressures) necessarie a raggiungere la profondità di penetrazione di progetto per le fondazioni SBJ. Diversi valori dei coefficienti sono stati definiti distintamente per le due principali fasi tra SWP e Suction, dato che tra le due sono state notate differenze nella velocità di penetrazione della fondazione. I coefficienti sono stati differenziati anche a seconda della tipologia di unità. La distinzione non ha riguardato soltanto sabbia e argilla in generale, ma per migliorare l’affidabilità delle previsioni sono stati forniti coefficienti differenti anche tra le Unità 1 e 2a per le argille. Dal momento che le misurazioni in situ hanno mostrato una grande variabilità sia per quanto riguarda SWP sia per la pressione di suzione, è stato deciso di fornire diverse previsioni: Low Estimate (LE), Best Estimate (BE) e High Estimate (HE). La previsione denominata BE ha avuto come obiettivo quello di ottenere valori di SWP molto simili alla media tra le SWP misurate tra le tre gambe del jacket, e di seguire, per quanto sia possibile farlo con un unico trend, i valori misurati per le tre gambe delle necessarie pressioni di suzione. Al fine di fornire un range di valori che includa i valori di installazione misurati su campo, sono state rappresentate le previsioni LE e HE. L’utilizzo in simultanea dei coefficienti LE e HE è considerata la soluzione consigliabile per un eventuale fase progettuale di design della fondazione.