自升式海上風(fēng)電安裝平臺(tái)插樁深度計(jì)算方法

王徽華

（江蘇龍?jiān)凑袢A海洋工程有限公司，江蘇 南通 226014）

0 引 言

隨著環(huán)保要求日益嚴(yán)苛，風(fēng)能作為一種綠色能源越來(lái)越受到重視。由于海上的風(fēng)況遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于陸地，當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電正逐步由陸地延伸到海上，海上風(fēng)能的開(kāi)發(fā)和利用已成為世界新能源發(fā)展的亮點(diǎn)。風(fēng)電安裝船作為建設(shè)海上風(fēng)電場(chǎng)的關(guān)鍵裝備，其開(kāi)發(fā)利用也得到關(guān)注和重視。自升式風(fēng)電安裝船是一種全新的海洋工程船，主要用于運(yùn)輸和吊裝海上風(fēng)電設(shè)備。該船將運(yùn)輸船、海上作業(yè)平臺(tái)、起重船及生活供給船的各項(xiàng)功能融為一體，可獨(dú)立完成海上風(fēng)電設(shè)備的運(yùn)輸和安裝作業(yè)，因此在海洋風(fēng)電安裝領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。該船通過(guò)將樁腿插入海底來(lái)支撐船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行海上風(fēng)機(jī)的吊裝，樁腿入泥深度直接影響平臺(tái)的吊裝性能，因此開(kāi)展自升式海上風(fēng)電安裝平臺(tái)的入泥深度研究意義重大。

當(dāng)前相關(guān)研究人員已針對(duì)海底土層承載力的計(jì)算開(kāi)展較多工作。袁凡凡等[1]開(kāi)展層狀地基土的承載力計(jì)算，在邁耶霍夫和漢納成層土地基極限承載力計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出多層土的極限承載力計(jì)算。楊軍[2]采用數(shù)值模擬的方法開(kāi)展自升式平臺(tái)插拔樁土體數(shù)值模擬研究，得到入泥深度和拔樁力。張兆德等[3]采用有限元分析模型開(kāi)展樁靴貫入土層的過(guò)程研究，得到樁土交界面處土體流動(dòng)的動(dòng)力反應(yīng)特性。本文在經(jīng)典土力學(xué)的基礎(chǔ)上，采用層狀土的承載能力計(jì)算理論開(kāi)展海洋風(fēng)電安裝平臺(tái)插樁入泥深度的計(jì)算，并將其與實(shí)際的施工記錄及非線性有限元分析結(jié)果相對(duì)比，驗(yàn)證方法的準(zhǔn)確性。

1 自升式風(fēng)電平臺(tái)樁靴入泥深度計(jì)算

1.1 樁靴入泥過(guò)程描述

預(yù)壓加載時(shí)樁靴的貫入是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，貫入深度一般根據(jù)地基土承載力沿土層的變化曲線和樁靴承擔(dān)的荷載來(lái)確定。地基土承載力沿土層的分布曲線是通過(guò)假想樁靴位于土層中不同的位置（見(jiàn)圖1），由地基承載力公式計(jì)算得出的。

海上自升平臺(tái)樁靴承載力計(jì)算的特點(diǎn)為：

1) 樁靴自身尺寸較大，在計(jì)算承載力時(shí)，需考慮樁靴承載影響范圍內(nèi)土層強(qiáng)度的變化，即按多層土（層內(nèi)均質(zhì)）地基或強(qiáng)度隨土層深度線性變化的地基土進(jìn)行承載力評(píng)價(jià)；

2) 樁靴貫入深度較大，需考慮地基土可能回流到樁靴上部對(duì)承載力的影響。

圖1 樁靴入泥過(guò)程

SNAME[4]和ISO[5]推薦采用淺基礎(chǔ)承載力計(jì)算公式評(píng)價(jià)樁靴承載力及貫入深度，并考慮層狀地基對(duì)承載力的影響。

1.2 計(jì)算流程

1) 以基礎(chǔ)位于層間分界面上為前提，計(jì)算各層土所能提供的承載力，計(jì)算結(jié)果用于下一步計(jì)算時(shí)判斷土層的軟硬和計(jì)算最終承載力；

2) 從海床泥面開(kāi)始，針對(duì)不同的貫入深度，根據(jù)地基土層的情況（軟硬的組合）計(jì)算承載力；

3) 根據(jù)不同貫入深度得到承載力，繪制承載力沿地基深度的變化曲線，根據(jù)樁腿預(yù)壓荷載確定貫入深度，判斷穿刺風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 土層承載力計(jì)算

1.3.1 均質(zhì)地基承載力計(jì)算

均質(zhì)土地基極限承載力的一般計(jì)算式[6]為

式(1)中：c為地基土的黏聚力；q為基礎(chǔ)底面以上荷載，一般為基礎(chǔ)底面以上土重；Nc，Nq，Nγ為地基承載力系數(shù)，與地基土類型有關(guān)；sc，sq，sγ為基礎(chǔ)形狀修正系數(shù)，與基礎(chǔ)形狀及地基土類型有關(guān)；dc，dq，dγ為基礎(chǔ)埋深修正系數(shù)，與基底深度及地基土類型有關(guān)。

1.3.2 層狀地基承載力計(jì)算

1) 上硬下軟的雙層及多層地基的承載力采用MEYERHOF等[7]提出的層狀地基承載力計(jì)算公式計(jì)算，即

式(2)中：Hi為第i層土的厚度；iφ為第i層土的內(nèi)摩擦角；D為基礎(chǔ)底面的埋深；iγ為第i層土的重度；ksi為第i層土的沖剪系數(shù)，根據(jù)上下土層的強(qiáng)度比和第i層土的內(nèi)摩擦角，由MEYERHOF等[7]提供的計(jì)算圖確定；cai為第i層土的黏結(jié)力，根據(jù)第i層土的黏聚力和上下土層的強(qiáng)度比，由MEYERHOF等[7]提供的計(jì)算圖確定。

2) 采用式(1)和式(2)進(jìn)行層狀土的承載力計(jì)算。

2 穿刺破壞判斷

對(duì)于存有軟弱下臥層的海洋地基，上部堅(jiān)實(shí)土層提供的承載力受軟弱下臥層的影響。在平臺(tái)吊裝作業(yè)或風(fēng)暴自存狀態(tài)下，受環(huán)境荷載影響，樁靴對(duì)地壓力可能暫時(shí)超過(guò)設(shè)定的對(duì)地壓力值，或樁靴地基因處于偏心受荷狀態(tài)而導(dǎo)致地基承載力有所下降。此時(shí)若堅(jiān)實(shí)土層提供的極限承載力不足，樁靴地基可能會(huì)發(fā)生穿刺破壞。

圖2為穿刺破壞示意，在樁靴地基極限承載力隨樁靴貫入深度的變化曲線上出現(xiàn)承載力隨貫入深度下降段，當(dāng)樁靴承擔(dān)的最大荷載超過(guò)上部土層的最大極限承載力時(shí)，樁靴地基會(huì)發(fā)生穿刺破壞。

由于環(huán)境荷載的不確定性，難以給出樁靴可能出現(xiàn)的最大對(duì)地壓力及荷載偏心程度的確定值。一般采用在平臺(tái)設(shè)計(jì)工況下得到的最大樁腿荷載乘以一定的安全系數(shù)K進(jìn)行穿刺破壞的校核。

圖2 穿刺破壞示意

式(3)中：Fmax為樁靴位于堅(jiān)實(shí)土層中計(jì)算出的最大承載力；FDmax為設(shè)計(jì)指定（預(yù)計(jì)）的樁腿預(yù)壓力。

根據(jù)SNAME[4]的推薦，當(dāng)硬土層提供的極限承載力安全系數(shù)K≥1.5時(shí)，穿刺不會(huì)發(fā)生，該位置適合平臺(tái)插樁。

3 計(jì)算結(jié)果

選取如東龍?jiān)丛囼?yàn)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算分析，其中某機(jī)位的海底地質(zhì)情況如下。

1) Q4-①層粉砂：主要由新近沉積的粉砂及粉土組成，含少量貝殼碎屑，層厚7.1m，飽和、松散，中等壓縮性土。

2) Q4-②-2層粉砂：偶見(jiàn)貝殼碎屑，局部夾黏土薄層，層厚5.60m（本計(jì)算調(diào)整為3.6m），稍密，中等壓縮性土。

3) Q4-③-夾1層狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土：淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土與粉土呈互層狀，其中淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土單層厚2～30mm，流塑；粉土單層厚1～20mm，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土與粉土厚度比為2:1～5:1，見(jiàn)少量腐殖質(zhì)及貝殼殘片。層厚12.5m，屬高壓縮性土，工程性質(zhì)差。

4) Q3-⑥-1層粉砂：見(jiàn)少量貝殼碎屑，局部夾粉土和薄層可塑狀黏土，層厚19.80m，中密～密實(shí)，中等壓縮性土。

5) Q3-⑥-3層粉細(xì)砂：含少量貝殼碎屑，局部夾粉土和薄層狀黏土，本次揭露層厚14.6m，密實(shí)，屬中等壓縮性土。

風(fēng)機(jī)采用“龍?jiān)凑袢A2號(hào)”進(jìn)行吊裝，其設(shè)計(jì)樁靴壓力為3.773×107N。各土層的參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 各層土的參數(shù)

首先開(kāi)展均勻地質(zhì)下各層土的承載力計(jì)算，即不考慮各層土之間的相互影響，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 樁靴位于各層土表面時(shí)的承載力

考慮相鄰?fù)翆拥挠绊懀M(jìn)行層狀土的承載力計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3中實(shí)線為樁靴貫入土層后其土層極限承載力與入泥深度的變化曲線，點(diǎn)劃線分別為3.773×107N和5.660×107N，可見(jiàn)該機(jī)位的入泥深度很小。考慮到表面浮泥的影響，入泥深度很小，僅為0.5m，實(shí)際的入泥深度為0.6m（根據(jù)施工記錄），這與實(shí)際入泥深度相差很小，沒(méi)有穿刺風(fēng)險(xiǎn)。

此外，采用非線性有限元數(shù)值模擬方法對(duì)自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)的樁腿入泥深度進(jìn)行校核。地基土采用理想彈塑性模型描述，屈服準(zhǔn)則采用ABAQUS內(nèi)建的Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。有限元模型圖見(jiàn)圖4。在海底表面插樁，計(jì)算得到的載荷-位移曲線見(jiàn)圖5。

圖3 樁靴所在位置土壤承載力隨樁靴貫入深度的變化

圖4 有限元模型圖

圖5中，曲線在7.644×107N左右時(shí)急劇下降，可選用該值作為極限承載力，相應(yīng)的樁靴沉降量為80mm。由圖5可知，樁靴位于第一層土上時(shí)，該層土的承載力已經(jīng)遠(yuǎn)大于樁腿的預(yù)壓載荷，因此可以認(rèn)為：由有限元計(jì)算可得的插深約為 0，考慮海底的浮泥影響，可認(rèn)為插泥深度為0.5m。結(jié)果表明，本文提出的理論計(jì)算方法與非線性有限元分析結(jié)果及實(shí)際插樁入泥深度相吻合。

圖5 載荷-位移曲線

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)自升式海洋風(fēng)電安裝平臺(tái)的施工特點(diǎn)，提出一種用于評(píng)估其樁腿入泥深度的計(jì)算方法，并與實(shí)際的插樁入泥深度相比較，得出以下結(jié)論：

1) 利用該方法可較為快速地開(kāi)展樁腿入泥深度評(píng)估，可為風(fēng)電施工企業(yè)節(jié)省較多的成本；

2) 計(jì)算結(jié)果與實(shí)際的施工記錄相比，誤差較小，可為海上風(fēng)電的施工提供較為準(zhǔn)確的依據(jù)。

【 參 考 文 獻(xiàn) 】

[1] 袁凡凡，閆澍旺，孫萬(wàn)禾.關(guān)于成層土地基極限承載力的計(jì)算方法[J].水利學(xué)報(bào)，2001, 32 (3): 41-45.

[2] 楊軍.自升式平臺(tái)插拔樁土體數(shù)值模擬及平臺(tái)強(qiáng)度計(jì)算[D].北京：中國(guó)石油大學(xué)，2010.

[3] 張兆德，張心.土體流動(dòng)對(duì)自升式平臺(tái)樁靴極限承載力的影響[J].船舶與海洋工程，2015, 31 (3): 16-21.

[4] SNAME.Guidelines for site specific assessment of mobile jack-up units: Technical and research bulletin5-5A[S].1997.

[5] ISO.Petroleum and natural gas industries–offshore structures–part 4: Geotechnical and foundation design considerations: ISO 19901-4[S].2003.

[6] 錢家歡，殷宗澤.土工原理與計(jì)算[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，1996.

[7] MEYERHOF G G, HANNA A M.Ultimate bearing capacity of foundations on layered soils under inclined load [J].Canadian Geotechnical Journal, 1978, 15: 565-572.