黏土地基桶形基礎(chǔ)承載特性與參數(shù)敏感性分析

邢占清，黃立維，張金接，符　平

(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院， 北京 100044； 2.北京中水科工程總公司， 北京 100044)

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黏土地基桶形基礎(chǔ)承載特性與參數(shù)敏感性分析

邢占清1,2，黃立維1,2，張金接1,2，符平1,2

(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院， 北京 100044； 2.北京中水科工程總公司， 北京 100044)

為了研究黏土地基桶形基礎(chǔ)的承載特性，開展了離心模型試驗(yàn)和數(shù)值分析研究，得到了荷載位移曲線，揭示了其主要破壞模式，分析了土體參數(shù)、基礎(chǔ)尺寸對(duì)其承載特性的影響規(guī)律。結(jié)果表明，海上風(fēng)機(jī)桶形基礎(chǔ)的破壞模式主要為轉(zhuǎn)動(dòng)；土體修正劍橋模型參數(shù)回彈曲線斜率、泊松比、孔隙比、有效重度對(duì)承載特性影響較大，研究條件下桶形基礎(chǔ)的最優(yōu)高徑比約為0.57。

近海風(fēng)機(jī)；桶形基礎(chǔ)；承載特性；敏感性分析

風(fēng)力發(fā)電是目前技術(shù)最成熟、最具規(guī)?；_發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的可再生能源發(fā)電方式之一[1]，近年來(lái)我國(guó)海上風(fēng)電發(fā)展迎來(lái)了新機(jī)遇。我國(guó)東部沿海電網(wǎng)特點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式與歐洲類似，具有適宜大規(guī)模開發(fā)的基礎(chǔ)條件；國(guó)產(chǎn)化的海上專用機(jī)組研發(fā)成功，單機(jī)容量不斷增大，機(jī)組單位造價(jià)持續(xù)下降；基礎(chǔ)造價(jià)不斷下降，單樁、導(dǎo)管架和桶形基礎(chǔ)等結(jié)構(gòu)型式逐漸被工程界認(rèn)可接受，建設(shè)工期縮短、工程投資降低。桶形基礎(chǔ)為頂端封閉、下端開口的倒置桶狀結(jié)構(gòu)，水深適應(yīng)范圍較廣，是近20年來(lái)應(yīng)用于海洋工程有較好發(fā)展前景的基礎(chǔ)型式[2]。丹麥Frederi kshavn風(fēng)電場(chǎng)首次將桶形基礎(chǔ)應(yīng)用到海上風(fēng)機(jī)，充分說(shuō)明了類似條件下其作為海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的可行性，且體現(xiàn)出了較多的優(yōu)勢(shì)，如易于拆除、安裝工期短、費(fèi)用低等。限于國(guó)外技術(shù)保密，加上近海受臺(tái)風(fēng)影響、淤泥較為深厚的客觀條件，桶形基礎(chǔ)在我國(guó)海上風(fēng)電中的研究和應(yīng)用較為緩慢，截止目前僅道達(dá)重工在江蘇啟東某碼頭邊距岸不足20 m處安裝了一臺(tái)采用復(fù)合桶形基礎(chǔ)的2.5 MW海上風(fēng)電樣機(jī)，但運(yùn)行條件與真正的海洋環(huán)境存在較大的差異。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者圍繞桶形基礎(chǔ)承載特性開展了大量的研究工作，主要包括模型實(shí)驗(yàn)、極限平衡分析、有限元模擬等[3-7]，但針對(duì)水平荷載、豎向荷載、彎矩荷載共同作用下承載力較差的飽和黏土地層承載特性研究并不多見。另外，風(fēng)機(jī)運(yùn)行對(duì)桶形基礎(chǔ)水平向變形要求嚴(yán)格，需綜合運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬等多種手段開展研究[8]。為此，本文采用離心模型試驗(yàn)結(jié)合三維彈塑性有限元分析的手段，對(duì)近海風(fēng)機(jī)桶形基礎(chǔ)承載特性與參數(shù)敏感性進(jìn)行分析，以期為其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供必要的參考。

1　離心模型試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)設(shè)備

本文采用清華大學(xué)土工離心機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，有效旋轉(zhuǎn)半徑2 m，容量50 g·t，最大離心加速度250g。模型箱的有效內(nèi)部尺寸為600 mm×200 mm×535 mm(長(zhǎng)×高×寬)，一側(cè)為透明有機(jī)玻璃板，以方便觀測(cè)土體的變形。

1.2試驗(yàn)方案

設(shè)計(jì)了2組離心模型試驗(yàn)，研究飽和黏土地基桶形基礎(chǔ)承載變形特性，試驗(yàn)方案見表1。

表1　離心模型試驗(yàn)方案

1.3模型制作與布置

土樣取自江蘇響水近海，塑限ωp=27.8%、字母格式刷以后，看不全角標(biāo)液限ωL=47.4%、含水率ω=36.8%；室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)得到的不同固結(jié)壓力下干密度、孔隙比見圖1。

圖1不同固結(jié)壓力下土體干密度、孔隙比變化圖

方案1地基土為欠固結(jié)土，方案2地基土為28 kPa圍壓下固結(jié)土。采用鋁制圓桶模擬桶形基礎(chǔ)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿?duì)稱的一半，模型壁厚0.8 mm、質(zhì)量800 g。根據(jù)模型箱尺寸和桶形基礎(chǔ)的高度，確定模型比尺為50。

取土及足量水置于攪拌機(jī)中，浸泡1 d，在85 kPa真空度條件下攪拌約4 h，再浸泡1 d[9]。預(yù)先在模型箱中放入一定深度水，將攪拌飽和后的土樣緩慢移入模型箱中，放置土樣時(shí)保證土樣始終位于液面以下。移入土樣后加塑料排水墊層，上壓荷載板，分層分級(jí)進(jìn)行預(yù)壓固結(jié)。制備好地基后，將桶形基礎(chǔ)模型嵌到地基中。離心加速度加至50g后，分級(jí)施加水平靜載荷，直至破壞，折算至原型的水平荷載時(shí)程曲線見圖2。

圖2水平荷載時(shí)程曲線

水平荷載作用下，桶形基礎(chǔ)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)并傾斜。荷載較小時(shí)，土體處于彈性階段，變形逐漸增大但增幅較??；荷載大于臨界荷載時(shí)土體進(jìn)入塑形階段，基礎(chǔ)水平變形較大；荷載大于極限荷載后，土體變形較彈性階段變形增速達(dá)數(shù)倍，水平力迅速下降，變形遠(yuǎn)超海上風(fēng)機(jī)正常發(fā)電時(shí)的限制要求，圖3為試驗(yàn)結(jié)束后的照片。

試驗(yàn)得到的特征荷載值見表2。由表2可以看出，相同土性的地基，干密度不同，極限承載力相差較大。

表2　特征荷載值

2　承載變形特性數(shù)值模擬

利用ABAQUS有限元軟件對(duì)離心模型試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，在分析驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，對(duì)近海風(fēng)機(jī)桶形基礎(chǔ)承載變形特性開展研究。

圖3試驗(yàn)結(jié)束后基礎(chǔ)圖

2.1離心模型試驗(yàn)數(shù)值模擬

對(duì)2組離心模型試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，桶形基礎(chǔ)采用線彈性模型，參數(shù)見表3。地基土體采用修正劍橋模型，取制備完成后的地基土樣進(jìn)行等向固結(jié)試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)，得到土體參數(shù)見表4。

表3　桶形基礎(chǔ)參數(shù)

表4　地基土體參數(shù)

選取具有代表意義的桶形基礎(chǔ)頂部中心點(diǎn)水平位移進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見圖4。

由圖4可以看出：

(1) 離心模型試驗(yàn)和數(shù)值分析得到的桶形基礎(chǔ)中心點(diǎn)水平位移隨荷載的變化規(guī)律基本一致。

圖4桶頂中心荷載位移圖

(2) 方案1：水平荷載26 kN～56 kN離心模型試驗(yàn)荷載-位移曲線出現(xiàn)扭曲，可能是由位移測(cè)量誤差造成；不考慮該荷載范圍時(shí)，相同水平位移條件下離心模型試驗(yàn)的水平荷載和三維模擬得到的水平荷載相對(duì)誤差在16%以內(nèi)(誤差最大值15.75%發(fā)生在荷載較小的階段，離心模型與三維模擬荷載差值僅為0.79 kN)；呈現(xiàn)水平位移小相對(duì)誤差大、水平位移大相對(duì)誤差小的規(guī)律。離心模型試驗(yàn)極限荷載為71 kN，有限元計(jì)算得到的極限荷載為60 kN。

(3) 方案2：不同水平位移條件下離心模型試驗(yàn)和有限元分析得到的桶形基礎(chǔ)水平荷載差值最大為11 kN，相對(duì)誤差最大值為15.38%；基本呈現(xiàn)水平位移小相對(duì)誤差大、水平位移大相對(duì)誤差小的規(guī)律。離心模型試驗(yàn)極限荷載為142 kN，有限元計(jì)算得到的極限荷載為137 kN。

考慮到極端荷載作用下近海風(fēng)機(jī)桶形基礎(chǔ)頂部中心點(diǎn)水平位移在10 cm以內(nèi)，該范圍內(nèi)兩個(gè)方案極限荷載相對(duì)誤差均在15%左右。根據(jù)工程實(shí)踐，可以認(rèn)為桶形基礎(chǔ)中心點(diǎn)水平位移離心模型試驗(yàn)和三維有限元模擬互相驗(yàn)證、結(jié)果吻合較好。

2.2承載變形特性數(shù)值分析

以江蘇響水2 MW近海試驗(yàn)風(fēng)機(jī)參數(shù)及水文資料進(jìn)行分析，試驗(yàn)風(fēng)機(jī)離岸約3.5 km，水深約4 m，海床以下19 m深度內(nèi)以黏土為主。參考江蘇響水2 MW近海試驗(yàn)風(fēng)機(jī)廠家提供的資料，風(fēng)機(jī)輪轂中心距離塔筒底部61.5 m時(shí)，作用在塔筒底部的最大風(fēng)機(jī)荷載見表5。

表5　作用在塔筒底部的最大風(fēng)機(jī)荷載

計(jì)算波浪荷載、潮流荷載后，承載能力極限工況下作用在桶形基礎(chǔ)頂部的最大荷載為：豎向荷載3 040 kN，水平荷載782 kN，彎矩荷載60 523 kN·m。取直徑30 m、高17 m的鋼質(zhì)桶形基礎(chǔ)進(jìn)行分析，桶體采用線彈性本構(gòu)模型，地基土體采用修正劍橋模型，并考慮土體受荷后的排水特性，具體桶土參數(shù)見表6、表7。海上風(fēng)機(jī)桶形基礎(chǔ)直徑較大、入土深度相對(duì)較小、桶體抗彎剛度遠(yuǎn)大于地基剛度，水平荷載作用下桶基與無(wú)承臺(tái)短樁受力特性相似[10]。海上風(fēng)機(jī)對(duì)基礎(chǔ)變形要求較為嚴(yán)格，極限承載力的確定還須滿足基礎(chǔ)變形要求。以黏土地基70 m機(jī)組高度的近海風(fēng)機(jī)為例，根據(jù)《風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定》[11](FD 003-2007)取基礎(chǔ)沉降量允許值200 mm、傾斜率允許值5‰為變形限制條件。

表6　桶形參數(shù)

表7　土體參數(shù)

經(jīng)試算，地基土體水平向取6倍桶徑，豎向取3倍桶高；模型及荷載均具對(duì)稱性，采用1/2模型進(jìn)行分析，見圖5。對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束，土體底部施加固定約束，土體外周施加水平向位移約束，土體自重平衡后在表面施加排水邊界[12]。桶體采用C3D8單元，土體采用C3D8P單元。桶土間作用采用摩爾庫(kù)倫摩擦定理描述，摩擦系數(shù)由式M=6sinφ/(3-sinφ)、μ=tan(0.75φ)推求內(nèi)摩擦角后確定。

圖5　有限元計(jì)算模型圖

圖6　豎向位移圖(單位：m；位移放大比例：200)

圖7合位移等值線圖(單位：m)

據(jù)圖6、圖7分析結(jié)果可以得出：(1) 承載能力極限工況下靠近主動(dòng)側(cè)頂面桶土發(fā)生了脫離，右側(cè)土體有隆起現(xiàn)象；桶體中心點(diǎn)沉降量為3.5 mm，桶體水平位移為9.2 mm，桶體不均勻沉降量為19.1 mm，傾斜率為0.6‰；(2) 轉(zhuǎn)動(dòng)破壞是較大水平荷載、彎矩荷載共同作用下的桶形基礎(chǔ)的主要破壞模式，這與離心模型試驗(yàn)得到的結(jié)果一致；(3) 研究條件下桶體轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)距桶底3.19 m，為桶體入泥深度的0.81倍，這與孫曦源[13]對(duì)水平荷載作用下軟土中桶形基礎(chǔ)的研究結(jié)果較為接近；(4) 最大合位移出現(xiàn)在桶形基礎(chǔ)的右側(cè)，右側(cè)合位移變化梯度較大，轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)與中心的距離約為0.11倍桶徑。

3　參數(shù)敏感性分析

巖土工程中土體參數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果有著顯著的影響，由土體參數(shù)造成的誤差有時(shí)很大。修正劍橋模型參數(shù)通常由室內(nèi)試驗(yàn)獲取，但其結(jié)果受取樣的代表性、試樣的擾動(dòng)、試驗(yàn)的誤差等因素影響，試驗(yàn)得到的參數(shù)可能會(huì)與實(shí)際情況有一定的差別。另外，桶形基礎(chǔ)尺寸對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)運(yùn)行限制指標(biāo)影響顯著，且直接影響風(fēng)機(jī)運(yùn)行安全性和投資經(jīng)濟(jì)性，故分析時(shí)一并討論。

3.1劍橋模型參數(shù)的影響

張慶山等[14]對(duì)杭州淤泥質(zhì)黏土做了大量試驗(yàn)，認(rèn)為該地區(qū)黏土修正劍橋模型參數(shù)范圍為：M在0.6～0.9之間、λ在0.05～0.15之間、κ在0.01～0.03之間，依據(jù)其建議參數(shù)范圍進(jìn)行分析。為了比較各參數(shù)對(duì)桶形基礎(chǔ)變形的影響，分別取各參數(shù)中間值及其對(duì)應(yīng)的變形量作為基準(zhǔn)值，計(jì)算參數(shù)變化率和基礎(chǔ)變形變化率，將參數(shù)變化率和相應(yīng)桶頂水平位移變化率、桶基傾斜率變化率繪制在圖8、圖9中。

圖8　桶頂水平位移和劍橋模型參數(shù)間關(guān)系圖

圖9桶基傾斜率和劍橋模型參數(shù)間關(guān)系圖

由圖8、圖9可以看出：(1)M、λ、κ增減時(shí)，桶頂水平位移和桶基傾斜率也隨之增減；(2)κ影響最大，變化-50%、50%時(shí)水平位移變化率分別為-32%、31%，傾斜率變化率分別為-36%、30%；(3)λ影響次之，變化-50%、50%時(shí)水平位移變化率分別為-7%、11%，傾斜率分別為-8%、12%；(4)M影響最小，在-20%～20%范圍內(nèi)變化時(shí)，水平位移和傾斜率均小于2%。

3.2泊松比、初始孔隙比、浮重度的影響

圖10　桶頂水平位移和泊松比、初始孔隙比、浮重度間關(guān)系圖

圖11桶基傾斜率和泊松比、初始孔隙比、浮重度間關(guān)系圖

由圖10、圖11可以看出：①γ′、e0增減時(shí)水平位移和傾斜率呈反向增減，e0影響較大，變化-30%、30%時(shí)水平位移變化率分別為14%、-10%，傾斜率變化率分別為16%、-11%；②ν對(duì)水平位移和傾斜率影響較為復(fù)雜，變化-38%、20%時(shí)水平位移變化率分別為2%、17%，傾斜率變化率分別為-3%、20%。

3.3桶形基礎(chǔ)尺寸的影響

桶形基礎(chǔ)尺寸主要包括桶徑和桶高，其對(duì)桶頂水平位移變化率、桶基傾斜率的影響見圖12、圖13。

由圖12、圖13可以看出：(1) 桶徑增減時(shí)水平位移大致隨之增減；桶高增減時(shí)頂水平位移變化較為復(fù)雜；(2) 桶徑對(duì)水平位移影響顯著，其變化-27%、25%時(shí)水平位移變化率分別為121%、-37%；(3) 桶高對(duì)水平位移具有一定影響，其變化-35%、12%時(shí)水平位移變化率分別為23%、-15%；(4) 高徑比大于0.57時(shí)傾斜率降速明顯變小，從工程投資及承載角度而言高徑比0.57是本文研究條件下的最優(yōu)高徑比。

圖12　桶頂水平位移和基礎(chǔ)尺寸間關(guān)系圖

圖13桶基傾斜率和基礎(chǔ)尺寸間關(guān)系圖

4　結(jié)　論

(1) 以江蘇響水2 MW近海試驗(yàn)風(fēng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明淤泥質(zhì)黏土地基采用桶形基礎(chǔ)建設(shè)風(fēng)機(jī)是可行的。

(2) 黏土地基上桶形基礎(chǔ)的破壞形式為轉(zhuǎn)動(dòng)，破壞時(shí)基礎(chǔ)桶壁與主動(dòng)側(cè)土體會(huì)產(chǎn)生裂縫。

(3) 相同土性黏土地基土體干密度對(duì)基礎(chǔ)承載特性影響較大，桶形基礎(chǔ)沉放前若對(duì)地基土體進(jìn)行預(yù)壓固結(jié)會(huì)極大地提高基礎(chǔ)承載能力。

(4) 回彈曲線斜率、泊松比、土體孔隙比、土體有效重度對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大，應(yīng)慎重選用。

(5) 從工程投資及承載角度而言，研究條件下的桶形基礎(chǔ)最優(yōu)高徑比為0.57。

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Bearing Capacity and Parameter Sensitivity Analysis of Soft Clay Bucket Foundation

XING Zhanqing1,2, HUANG Liwei1,2, ZHANG Jinjie1,2, FU Ping1,2

(1.ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch，Beijing100044,China; 2.BeijingIWHREngineeringCorporation，Beijing100044,China)

In order to study the bearing capacity of the soft clay bucket foundation, centrifugal model and numerical analysis tests were carried out in this research. The load-displacement curve, main failure mode and the influence of the soil parameters and the basic dimensions were obtained. The main conclusions are: the main parameters affect the failure mode of the bucket foundation of off shore wind turbine areκ,ν,e0,γ, Under the research condition, the optimal bucket foundation height to diameter ratio is about 0.57.

offshore wind turbine; bucket foundation; bearing capacity; parameter sensitivity analysis

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.04.003

2016-03-01

2016-03-29

中國(guó)水利水電科學(xué)研究院科研專項(xiàng)“黏土地基近海風(fēng)機(jī)桶形基礎(chǔ)承載變形特性研究”(EM0145B17201500000)

邢占清(1981—)，男，內(nèi)蒙古卓資人，博士，高級(jí)工程師，主要從事近海風(fēng)電及地基處理方面的研究工作。

E-mail：xingzhq@iwhr.com。

TU442

A

1672—1144(2016)04—0011—06