海上風(fēng)電樁桶復(fù)合基礎(chǔ)的豎向承載性能研究

黃周泉，吳 鋒，蘇靜波

(1.中交上海三航科學(xué)研究院有限公司，上海 200032;2.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098)

0 引言

近幾年我國(guó)海上風(fēng)電發(fā)展迅速，根據(jù)國(guó)家規(guī)劃，至2020年全國(guó)的海上風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量將達(dá)到5 000 MW［1］。風(fēng)電基礎(chǔ)作為海上風(fēng)機(jī)的重要組成部分，其成本約占工程總成本的20%～30%，因此成為海上風(fēng)電場(chǎng)成本之中起控制性作用的因素之一。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至目前單樁基礎(chǔ)在全球海上風(fēng)電基礎(chǔ)形式中占到80%，是運(yùn)用最多的風(fēng)電基礎(chǔ)形式。目前，我國(guó)采用的單樁基礎(chǔ)直徑普遍達(dá)到6 m以上，入土深度達(dá)到60 m以上。隨著海上風(fēng)機(jī)功率向著大型化的方向發(fā)展，單樁基礎(chǔ)的幾何尺寸將進(jìn)一步增加，進(jìn)而帶來單樁基礎(chǔ)制作與施工成本的大幅度提高。

樁桶復(fù)合基礎(chǔ)作為一種新型的海上風(fēng)電基礎(chǔ)，采用樁與桶相結(jié)合的復(fù)合基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式，無需過度增加樁體的幾何尺寸，即可有效地通過樁與桶體的結(jié)合，共同承擔(dān)基礎(chǔ)頂部的荷載，從而滿足海上風(fēng)電基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)要求，并且可以發(fā)揮出桶型基礎(chǔ)安裝方便、施工成本較低的優(yōu)點(diǎn)。

近年來對(duì)于樁桶復(fù)合基礎(chǔ)的研究已很多［2-3］，但以往的研究均集中于樁桶復(fù)合基礎(chǔ)在水平力或上拔力作用下的承載特性分析，很少有研究豎向荷載作用下樁桶復(fù)合基礎(chǔ)的承載性能。劉文白［4］研究了不同幾何尺寸樁桶復(fù)合基礎(chǔ)豎向荷載作用下的應(yīng)力分布變化，并根據(jù)不同幾何尺寸的樁桶復(fù)合基礎(chǔ)承載力提出結(jié)構(gòu)優(yōu)選方法，但研究均基于樁徑為1 m的小尺寸的樁桶復(fù)合基礎(chǔ)。本文基于ABAQUS，研究海上風(fēng)電樁桶復(fù)合基礎(chǔ)在豎向荷載作用下的承載特性，荷載分擔(dān)，工作性狀，破壞模式以及幾何尺寸對(duì)基礎(chǔ)承載性能的影響。

1 計(jì)算模型及參數(shù)選取

在進(jìn)行海上風(fēng)電基礎(chǔ)性能研究時(shí)，首先要確定基礎(chǔ)的幾何尺寸，海上風(fēng)電樁桶復(fù)合基礎(chǔ)作為一種新型基礎(chǔ)形式尚沒有工程實(shí)例，所以根據(jù)現(xiàn)有的海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)的幾何尺寸來確定所研究的樁桶復(fù)合基礎(chǔ)的大致幾何尺寸。

根據(jù)試算結(jié)果，確定本文中研究樁桶復(fù)合基礎(chǔ)的承載特性時(shí)所采用的結(jié)構(gòu)幾何尺寸如圖1所示。其中，桶體外徑D=12 m，桶體高度h=3 m，泥面以上預(yù)留連接段長(zhǎng)度l=3 m，桶壁厚度δb=50 mm;樁體的入土深度Z=40 m，泥面以上樁長(zhǎng)L=15 m，樁體外徑d=4 m，樁壁厚δp=50 mm;在樁體與桶體的連接部位留有0.1 m的間隙。為了對(duì)比樁桶復(fù)合基礎(chǔ)的承載性能，本文還建立了與樁桶復(fù)合基礎(chǔ)幾何尺寸相同的單樁基礎(chǔ)和桶型基礎(chǔ)。運(yùn)用ABAQUS建立樁桶復(fù)合基礎(chǔ)的有限元模型如圖1所示。

圖1 樁桶復(fù)合基礎(chǔ)計(jì)算模型

荷載的施加，首先在樁頂?shù)闹行奶幎x一個(gè)參考點(diǎn)，再將參考點(diǎn)與樁頂進(jìn)行耦合，豎向荷載施加在該參考點(diǎn)上。

研究中為消除邊界效應(yīng)的影響，計(jì)算區(qū)域在樁底以下取5倍樁徑范圍的土體，水平方向取5倍桶徑范圍的土體作為約束邊界?；A(chǔ)與土體之間設(shè)置摩擦接觸，摩擦系數(shù)為tan(0.75φ)，其中，φ為土體的內(nèi)摩擦角。

本文中為了研究海上風(fēng)電樁桶復(fù)合基礎(chǔ)的承載性能的規(guī)律性，同時(shí)為了簡(jiǎn)化計(jì)算，研究選取單一土體，土質(zhì)為典型的黏土，土質(zhì)參數(shù)如表1所示。土體采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，鋼采用理想彈塑性與硬化塑性結(jié)合的本構(gòu)模型，灌漿材料采用混凝土損傷塑性本構(gòu)模型。

表1 土質(zhì)參數(shù)

2 豎向承載力分析

基礎(chǔ)的豎向承載力是在基礎(chǔ)研究之中需研究者關(guān)注的首要問題。同樣為確保風(fēng)機(jī)能夠正常的工作，需要研究風(fēng)電基礎(chǔ)所能夠承受的豎向極限荷載。在工程設(shè)計(jì)中，當(dāng)豎向荷載—位移曲線(Q—S)中出現(xiàn)較為明顯的陡降段時(shí)，通常以轉(zhuǎn)折點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的豎向荷載的大小來確定基礎(chǔ)的極限承載力［5］。此外，我國(guó)風(fēng)電基礎(chǔ)的相關(guān)規(guī)范中規(guī)定，低、中壓縮性土體中基礎(chǔ)的允許沉降量為100 mm［6］。樁桶復(fù)合基礎(chǔ)以及與之幾何尺寸相同的單樁基礎(chǔ)、桶型基礎(chǔ)的Q—S關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 豎向荷載與豎向位移關(guān)系曲線

由圖2可知，三種類型的基礎(chǔ)豎向位移大小均隨著單一豎向荷載的增加而增加。其中單樁基礎(chǔ)的Q—S曲線有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，當(dāng)基礎(chǔ)頂部豎向荷載達(dá)到轉(zhuǎn)折點(diǎn)之后Q—S曲線出現(xiàn)明顯陡降，可以將Q—S曲線之中轉(zhuǎn)折點(diǎn)處所對(duì)應(yīng)的豎向荷載的大小，即1.8×104kN確定為單樁基礎(chǔ)的豎向承載力。當(dāng)桶型基礎(chǔ)與樁桶復(fù)合基礎(chǔ)的豎向沉降達(dá)到風(fēng)電基礎(chǔ)的允許沉降100 mm時(shí)，Q—S曲線沒有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，據(jù)此可以判斷，樁桶復(fù)合基礎(chǔ)的豎向承載力大于下沉量達(dá)到100 mm時(shí)所對(duì)應(yīng)的豎向荷載的大小(即5.1×104kN)。

3 豎向荷載下基礎(chǔ)的荷載分擔(dān)

海上風(fēng)電樁桶復(fù)合基礎(chǔ)之所以能夠承受豎向荷載，是由于受到桶頂阻力、桶內(nèi)側(cè)摩阻力、桶外側(cè)摩阻力、桶端阻力、樁內(nèi)側(cè)摩阻力、樁外側(cè)摩阻力、樁端阻力等土體的反力作用。通過研究豎向荷載下樁桶復(fù)合基礎(chǔ)的荷載分擔(dān)，可以為研究樁桶復(fù)合基礎(chǔ)中各部分幾何尺寸對(duì)基礎(chǔ)承載性能影響的大小提供依據(jù)。

樁桶復(fù)合基礎(chǔ)的土體反力見圖3。由圖3可知，樁桶復(fù)合基礎(chǔ)所受的豎向荷載主要由樁外側(cè)摩阻力和桶頂阻力承擔(dān)。當(dāng)樁頂豎向荷載小于2.5×104kN時(shí)，兩種反力隨著豎向荷載的增加近似于線性增加，其中，樁外側(cè)摩阻隨著豎向荷載增加的速度較快;當(dāng)樁頂豎向荷載大于2.5×104kN后，樁外側(cè)摩阻隨著豎向荷載增加的速度則明顯變緩，桶頂反力增加的速度則有所提高。

圖3 樁桶復(fù)合基礎(chǔ)的土體反力

樁桶復(fù)合基礎(chǔ)在不同豎向荷載作用下樁體與桶體對(duì)荷載的分擔(dān)狀況如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)豎向荷載小于2×104kN時(shí)，豎向荷載主要由樁體承擔(dān)，百分比約為70%，且變化幅度很小。當(dāng)豎向荷載大于2×104kN后，隨著豎向荷載的增加樁體的分擔(dān)作用逐漸減小，桶體的荷載分擔(dān)比逐漸增大。當(dāng)豎向荷載為5×104kN時(shí)，桶體的荷載分擔(dān)比達(dá)到了45.15%。

圖4 荷載分擔(dān)比

4 豎向荷載下基礎(chǔ)的工作性狀

根據(jù)以上分析，在豎向荷載作用下樁桶復(fù)合基礎(chǔ)所受的土體反力中樁外側(cè)摩阻承擔(dān)了較大一部分豎向荷載。單樁基礎(chǔ)和樁桶復(fù)合基礎(chǔ)的樁外側(cè)摩阻力如圖5所示。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)豎向荷載達(dá)到1.8×104kN之后，單樁基礎(chǔ)的樁外側(cè)摩阻力已完全發(fā)揮，繼續(xù)增加豎向荷載樁外側(cè)摩阻的數(shù)值穩(wěn)定在1.82×104kN左右。

當(dāng)豎向荷載達(dá)到2.5×104kN時(shí)，樁桶復(fù)合基礎(chǔ)的樁外側(cè)摩阻為1.71×104kN，樁外側(cè)摩阻力與豎向荷載的關(guān)系曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，此后樁外側(cè)摩阻隨著豎向荷載的增加而繼續(xù)增加。當(dāng)豎向荷載達(dá)到5×104kN時(shí)，樁外側(cè)摩阻達(dá)到了1.99×104kN。由此可見，樁桶復(fù)合基礎(chǔ)通過增加桶體，使得樁體的樁外側(cè)摩阻力能夠得到更好地發(fā)揮。

圖5 樁外側(cè)摩阻力

為了研究在單樁基礎(chǔ)外增加桶體能夠使得樁外側(cè)摩阻力能夠更好發(fā)揮的原因，圖6給出了樁外側(cè)土壓力隨深度變化的分布曲線。

從圖6可以發(fā)現(xiàn):

(1)當(dāng)基礎(chǔ)頂部沉降為0時(shí)，單樁基礎(chǔ)的樁側(cè)土壓力隨著深度的增加而增加，在樁底的位置有所減小;基礎(chǔ)頂沉降為50 mm和100 mm時(shí)，單樁基礎(chǔ)的樁側(cè)土壓力情況幾乎一致，土壓力大小相比沉降為0時(shí)有小幅增加，分布規(guī)律沒有明顯變化。

圖6 土壓力隨樁身分布

圖7 軸力隨樁身分布

(2)當(dāng)基礎(chǔ)頂部沉降為0時(shí)，樁桶復(fù)合基礎(chǔ)的樁側(cè)土壓力分布與單樁基礎(chǔ)一致;基礎(chǔ)頂沉降為50 mm時(shí)，在泥面以下－11.1～0 m深度范圍內(nèi)，樁桶復(fù)合基礎(chǔ)的樁側(cè)土壓力相比單樁基礎(chǔ)明顯增加;基礎(chǔ)頂沉降為100 mm時(shí)，在－13.3～0 m深度范圍內(nèi)，樁桶復(fù)合基礎(chǔ)的樁外側(cè)土壓力大小進(jìn)一步增加。這是由于樁桶復(fù)合基礎(chǔ)中桶體的下沉增加了樁體周圍土體的附加應(yīng)力，使得泥面以下一定范圍內(nèi)的樁外側(cè)土壓力明顯增加。從而提高了樁外側(cè)摩阻力，有效增加了樁體的承載性能。

樁桶復(fù)合基礎(chǔ)中樁體與單樁基礎(chǔ)的軸力分布情況如圖7所示。從圖7可以看出，在泥面以上的范圍內(nèi)，由于基礎(chǔ)自重，單樁基礎(chǔ)的樁身軸力由樁頂向下逐漸增大;在泥面以下的范圍內(nèi)，由于側(cè)摩阻力的作用，單樁基礎(chǔ)的軸力逐漸減小。泥面3 m以上的范圍內(nèi)，樁桶復(fù)合基礎(chǔ)中樁體的軸力分布與單樁基礎(chǔ)完全重合;在泥面以上3 m至泥面以下2 m的范圍內(nèi)，樁桶復(fù)合結(jié)構(gòu)中的樁體軸力發(fā)生明顯減小;泥面2 m以下的范圍內(nèi)，樁體軸力逐漸減小。其中，單樁基礎(chǔ)的軸力最大值出現(xiàn)在泥面位置的樁身截面上，與之不同的樁桶結(jié)構(gòu)的樁體軸力最大值則出現(xiàn)在樁體與桶體連接段頂端的樁身截面上。

5 豎向荷載下基礎(chǔ)的破壞模式

研究表明，隨著基礎(chǔ)沉降的增加，單樁基礎(chǔ)的樁端土體逐漸形成接近于“球”形的塑性區(qū)域。樁桶復(fù)合基礎(chǔ)不同沉降的情況下土體的塑性應(yīng)變?cè)茍D如圖8所示。當(dāng)沉降小于30 mm時(shí)，樁底周圍出現(xiàn)塑性區(qū)，塑性區(qū)的形狀大致呈現(xiàn)“球”形;塑性應(yīng)變的大小隨著沉降的增加而增加。當(dāng)沉降達(dá)到40 mm時(shí)，樁底的塑性應(yīng)變進(jìn)一步增大，桶體下面的土體出現(xiàn)塑性區(qū);塑性區(qū)由桶體端部向桶體內(nèi)部并向下延伸。當(dāng)沉降繼續(xù)增加時(shí)，桶側(cè)的土體出現(xiàn)塑性區(qū)，此時(shí)桶體以下土體形成連貫的“倒圓錐”形剪切破壞區(qū)。

圖8 土體塑性應(yīng)變

6 結(jié)論與建議

本文通過有限元開展海上風(fēng)電樁桶復(fù)合基礎(chǔ)豎向承載性能的研究。主要結(jié)論與建議如下:

(1)海上風(fēng)電樁桶復(fù)合基礎(chǔ)通過樁體與桶體的復(fù)合能夠有效提高單樁基礎(chǔ)的承載力，同時(shí)發(fā)揮桶形基礎(chǔ)施工方便、經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn)。

(2)樁桶復(fù)合基礎(chǔ)所受的土體反力中，樁外側(cè)摩阻力和桶頂阻力起主要作用。當(dāng)豎向荷載較小時(shí)，豎向荷載主要由樁體承擔(dān)，隨著豎向荷載的增加桶體的分擔(dān)作用逐漸提高。

(3)樁桶復(fù)合基礎(chǔ)中桶體的下沉增加了樁體周圍土體的附加應(yīng)力，使得泥面以下一定范圍內(nèi)的樁外側(cè)土壓力明顯增加，從而提高了樁外側(cè)摩阻力，有效增加了樁體的承載性能。

(4)樁桶復(fù)合基礎(chǔ)中樁體的軸力最大值出現(xiàn)在樁體與桶體連接段頂端的樁身截面上;在連接段范圍內(nèi)樁體軸力明顯減小。

(5)當(dāng)豎向沉降較小時(shí)，樁底出現(xiàn)球形塑性區(qū);隨著沉降增加，桶體以下土體形成連貫的“倒圓錐”形剪切破壞區(qū)。

［1］國(guó)家發(fā)展改革委，國(guó)家能源局．電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃(2016—2020年)發(fā)布稿［EB/OL］．國(guó)務(wù)院，2016［2016-12］．http:∥cape．ndrc．gov．cn/zcfg/201701/P020170112341246054484．pdf．

［2］劉文白，李小強(qiáng)．上拔荷載作用下樁-桶基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)尺寸效應(yīng)的數(shù)值模擬［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2008，27(增刊2):3465-3470．

［3］丁紅巖，胡彩清，張浦陽(yáng)，等．樁-筒組合基礎(chǔ)在單層黏土中水平承載性能分析［J］．海洋工程，2014，32(2):30-37．

［4］劉文白，王大山，趙龍．下壓荷載作用下樁-桶基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2010，32(增刊2):216-219．

［5］JTS 167-4—2012 港口工程樁基規(guī)范［S］．

［6］FD 003—2007 風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定(試行)［S］．