大直徑單樁水平受荷機(jī)制數(shù)值研究

周 紅 群

(杭州藍(lán)翔購物有限公司，浙江 杭州 310051)

大直徑單樁水平受荷機(jī)制數(shù)值研究

周 紅 群

(杭州藍(lán)翔購物有限公司，浙江 杭州 310051)

大直徑單樁基礎(chǔ)是目前使用最廣泛的海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式。目前，水平受荷樁的分析與設(shè)計(jì)普遍采用基于Winkler地基模型的p—y曲線法，即將土體簡化為一系列分布彈簧，將樁基簡化為梁單元。但是，現(xiàn)有規(guī)范中給出的p—y曲線是基于試樁樁徑主要不超過1.2 m、長徑比大于20的現(xiàn)場水平荷載試驗(yàn)結(jié)果得到，并不適用于大直徑剛性短樁?；谌S有限元模型，對大直徑單樁的水平受荷機(jī)制展開研究。研究表明，API遠(yuǎn)遠(yuǎn)高估了大直徑單樁基礎(chǔ)的初始剛度，而低估了土體極限抗力。大直徑大樁基礎(chǔ)的破壞模式分為淺層的楔形破壞和深層的面內(nèi)轉(zhuǎn)動。

大直徑單樁，水平受荷，數(shù)值分析，p—y曲線

0 引言

目前，國內(nèi)外海上風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)形式主要包括：重力式基礎(chǔ)、吸力桶基礎(chǔ)、超大直徑單樁基礎(chǔ)、三腳架基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)和群樁基礎(chǔ)等[1,2]。在歐洲已完成的3 589座海上風(fēng)機(jī)中，大直徑單樁基礎(chǔ)占了81%以上?？紤]到未來10年～15年內(nèi)海上風(fēng)機(jī)的建設(shè)主要集中在25 m～35 m的水深內(nèi)，因此大直徑單樁基礎(chǔ)未來仍是工程人員的首選。

相比于傳統(tǒng)的陸上樁基，海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)受到風(fēng)、浪、流的聯(lián)合作用，基礎(chǔ)以水平受荷為主。海上風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)國內(nèi)外目前最常用的是美國石油協(xié)會(API)規(guī)范中的p—y曲線法，即將地基沿樁深度方向離散為一系列彈簧，而樁被簡化為一維梁桿單元。砂土中的API規(guī)范是基于直徑0.61 m，埋深21 m，長徑比為34.4的2組靜力和5組循環(huán)現(xiàn)場試驗(yàn)得到[3]，樁基屬于細(xì)長樁，并不適用于大直徑單樁。

本文選取典型的大直徑單樁基礎(chǔ)，采用三維有限元模型，對大直徑剛性短樁的水平受荷性能進(jìn)行研究，揭示基礎(chǔ)破壞模式和樁—土間荷載傳遞機(jī)制，為工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 三維有限元模型及參數(shù)

本文采用有限元軟件ABAQUS建立海上風(fēng)機(jī)大直徑單樁基礎(chǔ)的分析模型。基于目前已建海上風(fēng)機(jī)，本文選用一個典型的單樁基礎(chǔ)尺寸，樁基直徑為6 m，壁厚7 cm，埋深30 m。樁基材料為鋼材，彈性模量取210 GPa,泊松比為0.3。為了簡化分析過程，樁基采用具有相同的抗彎剛度的圓柱體模擬。如圖1所示為土體與樁體的有限元網(wǎng)格。樁體采用8節(jié)點(diǎn)6面體減縮積分單元(C3D8R)，土體采用8節(jié)點(diǎn)6面體單元(C3D8)模擬。土體直徑為120 m(20倍樁徑)，深度為60 m(2倍埋深)，側(cè)向邊界限制軸向和切向位移，土體底部邊界固定。樁體與土體界面采用庫侖摩擦接觸，樁土界面允許脫開，界面摩擦系數(shù)為0.53。

砂土采用滿足摩爾—庫侖屈服準(zhǔn)則的理想彈塑性模型模擬。摩爾—庫侖模型的屈服面方程如下:

式中：J——偏應(yīng)力不變量；

c——土體粘聚力；

p′——平均有效應(yīng)力；

θ——應(yīng)力洛德角；

φ——土體內(nèi)摩擦角。

本模型的土體參數(shù)：泊松比為0.3，粘聚力0.1 kPa，土體重度為1 500 kg/m3，土體彈性模量取20 MPa。

2 結(jié)果分析

如圖2所示，為樁頭荷載—位移響應(yīng)。同時，圖中也包含了基于API規(guī)范計(jì)算得到的樁基荷載—位移響應(yīng)?？梢钥吹交贏PI規(guī)范建議的p—y曲線計(jì)算得到的樁頭響應(yīng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高估了基礎(chǔ)的初始剛度，而低估了基礎(chǔ)的極限承載力。

為了定量評估API規(guī)范與3D有限元模型分析結(jié)果間的差異，根據(jù)Kulhawy等[4]的建議，采用雙曲線法擬合有限元計(jì)算的力—位移結(jié)果：

式中：a，b——常數(shù)，樁體初始樁頭剛度和水平極限承載力即a和b；

F,δ——樁頭的荷載和位移。

從表1可以看到API計(jì)算得到的初始剛度是3D有限元計(jì)算結(jié)果的6倍，而極限承載力僅僅為3D有限元結(jié)果的70%。由此可見，目前API規(guī)范建議的p—y曲線并不適用于大直徑單樁基礎(chǔ)，使用該p—y曲線會使設(shè)計(jì)偏于不保守。

表1 樁基初始剛度和極限承載力

如圖3所示為大直徑單樁基礎(chǔ)在水平荷載作用下的位移云圖和樁身變形。可以看到，基礎(chǔ)的破壞模式分為兩部分，即淺層的楔形破壞和深層的平面轉(zhuǎn)動?；A(chǔ)的轉(zhuǎn)動中心位于0.75D～0.8D左右。相比于大直徑單樁，API規(guī)范給出的p—y曲線是針對柔性樁提出，并假設(shè)基礎(chǔ)的破壞模式為淺層楔形破壞和深層的繞樁流動，因此無法正確預(yù)測基礎(chǔ)響應(yīng)。

3 結(jié)語

本文結(jié)合基于三維有限元模擬，針對大直徑單樁基礎(chǔ)的水平受荷機(jī)制和失效模式展開了研究。計(jì)算表明：

1)現(xiàn)有API規(guī)范給出p—y曲線并不適用于大直徑單樁基礎(chǔ)。使用API規(guī)范會高估基礎(chǔ)的初始剛度，而低估極限承載力參考文獻(xiàn)；

2)大直徑單樁在水平荷載作用下表現(xiàn)為淺層的楔形破壞和深層的面內(nèi)轉(zhuǎn)動，樁體整體破壞模式為剛性轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動中心位置在0.75D左右。

[1] 倪云林,辛華龍,劉 勇.我國海上風(fēng)電的發(fā)展與技術(shù)現(xiàn)狀分析[J].能源工程,2009,4(5):33-34.

[2] 楊 超.海上風(fēng)機(jī)樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2009.

[3] Cox W R, Reese L C, Grubbs B R. Field testing of laterally loaded piles in sand[A].Offshore Technology Conference. Offshore Technology Conference[C].1974.

[4] Kulhawy F H, Chen Y J. A thirty-year perspective of Broms’ lateral loading models, as applied to drilled shafts[A].Proceedings, Bengt B. Broms’ Symposium in Geotechnical Engineering[C].1995:13-15.

Numericalanalysisonthelateralloadingmechanismoflargediametermonopile

ZhouHongqun

(HangzhouLanxiangCo.,Ltd,Hangzhou310051,China)

Large diameter monopile is the most widely used foundation in offshore wind turbine market. Winkler model basedp—ycurve method is the most adopted method in the design of laterally loaded pile. However, thep—ycurve in current industry standard was developed from field lateral loading test results mainly on flexible piles with diameters not greater than 1.2 m and ratios of pile embedded length to outer diameter larger than 20, which is not applicable to large diameter rigid short monopile. To reveal the load resistance mechanism of the monopile under lateral loading, three-dimensional finite element analysis was performed in this thesis. The analysis results show that the failure mechanism of large diameter monopile comprise of two parts: wedge failure at shallow depth and plane rotation at depth. Furthermore, the API overestimate the initial stiffness and underestimated the ultimate soil resistance ofp—ycurves.

large diameter monopile, laterally loading, numerical analysis,p—ycurve

1009-6825(2017)29-0103-03

2017-08-03

周紅群(1991- ),男

TU473.1

A