波浪荷載作用下風(fēng)機樁基礎(chǔ)與土相互作用分析

付鵬，胡安峰，涂強，南博文，謝康和

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波浪荷載作用下風(fēng)機樁基礎(chǔ)與土相互作用分析

付鵬1, 2，胡安峰1, 2，涂強3，南博文1, 2，謝康和1, 2

(1. 浙江大學(xué) 軟弱土與環(huán)境土工教育部重點實驗室，浙江 杭州，310058； 2. 浙江大學(xué) 濱海和城市巖土工程研究中心，浙江 杭州，310058； 3. 中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司，四川 成都，610031)

采用三維數(shù)值分析方法，建立考慮流固耦合的三維樁?土模型；同時考慮波浪作用在樁上的水平荷載和波浪對海床的直接作用，研究2種形式的波浪荷載耦合作用下海上風(fēng)機樁基礎(chǔ)與土相互作用；根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，研究2種荷載耦合作用下海上風(fēng)機樁基礎(chǔ)的變形與內(nèi)力分布、樁側(cè)土體超靜孔壓及樁土界面接觸應(yīng)力的變化規(guī)律，探討不同波浪參數(shù)對單樁基礎(chǔ)性狀的影響，并與只考慮樁受荷時的計算結(jié)果進行對比分析。研究結(jié)果表明：當(dāng)考慮波浪對海床的作用時，樁身將產(chǎn)生附加水平位移，同時也會引起樁側(cè)土體超靜孔壓和樁土界面接觸應(yīng)力的循環(huán)變化。

波浪荷載；海上風(fēng)機；樁基礎(chǔ)；水平位移；超靜孔壓

海上風(fēng)電作為一種可再生能源，具有巨大的開發(fā)潛力[1?2]。目前已建成的海上風(fēng)電場中，海上風(fēng)機通常采用大直徑單樁基礎(chǔ)[3]。在設(shè)計海上風(fēng)機樁基礎(chǔ)時，波浪荷載是需要考慮的主要環(huán)境因素之一。波浪對樁?土系統(tǒng)的作用主要體現(xiàn)在2個方面：1) 波浪作用于樁上的水平荷載；2) 波浪直接作用于海床，在海床表面產(chǎn)生附加壓應(yīng)力和超靜孔壓。已有不少研究者對海上風(fēng)機樁基礎(chǔ)的水平受荷特性進行研究。MATLOCK等[4?5]通過現(xiàn)場試驗提出了水平受荷樁的?(土反力?水平位移)曲線法。KOUDA等[6?8]通過離心機試驗研究了水平荷載作用下樁基礎(chǔ)的承載特性。目前，數(shù)值分析方法也被大量應(yīng)用于樁基礎(chǔ)特別是大直徑樁基礎(chǔ)的分析。BROWN等[9]利用三維有限元模型分析了水平荷載作用下樁?土系統(tǒng)的響應(yīng)規(guī)律。ACHMUS等[10]結(jié)合循環(huán)動三軸試驗結(jié)果，提出了剛度衰減模型，分析了在長期水平循環(huán)荷載作用下海上風(fēng)機大直徑樁基礎(chǔ)的側(cè)向變形。對于波浪荷載作用下海床的變形和孔壓響應(yīng)問題，國內(nèi)外許多研究者進行了研究。JENG等[11]得出了在波浪荷載作用下有限厚度海床響應(yīng)解析解。鐘佳玉等[12]通過波流水槽模型試驗，研究了波浪荷載作用下砂質(zhì)海床的孔壓響應(yīng)問題。WANG等[13]基于物理模型試驗分析了作用于樁上的波浪力，并結(jié)合數(shù)值模型研究了樁身變形及彎矩的分布規(guī)律。胡翔等[14]對在波浪荷載作用下海底單樁與海床的相互作用進行了分析，其研究結(jié)果表明波浪荷載直接作用于海床時也會對樁基礎(chǔ)的變形產(chǎn)生顯著的影響。目前的研究都是對這2種形式的波浪荷載分別進行分析，為了更合理地研究海上風(fēng)機樁基礎(chǔ)在波浪荷載作用下的性狀，必須考慮2種荷載的耦合效應(yīng)。本文作者采用數(shù)值分析方法，同時考慮波浪在海床表面產(chǎn)生的壓應(yīng)力、超靜孔壓和波浪作用在樁基礎(chǔ)上的水平荷載，對2種荷載耦合作用下樁基礎(chǔ)的特性進行分析，并探討不同波高、水深對樁基性狀的影響。

1 計算模型及參數(shù)

1.1 樁土模型參數(shù)

鋼管樁直徑=5 m，壁厚p=4 cm，埋深p=30 m。ACHMUS等[15]指出若土體模型邊界至樁身的距離大于12倍樁徑，模型底部至樁底的距離大于3倍樁徑，則可以忽略邊界條件對數(shù)值計算結(jié)果的影響。取土體模型厚度為60 m，半徑為70 m。土體采用Mohr-Coulomb 模型模擬，并引入孔壓單元模擬土體流固耦合。建模分析中將鋼管樁等效為實心樁，樁土模型參數(shù)如表1所示。

表1 樁土模型參數(shù)

1.2 波浪荷載模擬

采用Airy線性波理論描述波浪運動，波浪沿方向前進，樁軸線沿方向，分別計算波浪作用在樁上的水平荷載及波浪對海床的作用，計算模型如圖1所示。

圖1 計算模型

1.2.1 對海床的作用

在海床表面施加大小相同的壓應(yīng)力和孔壓，表達(dá)式如下：

式中：為海床表面的壓應(yīng)力；w0為海床表面的孔壓；為時間；水重度w=10 kN/m3；波高=3 m；周期= 10 s；波長=100 m；水深=20 m；波數(shù)=2π/；角頻率=2π/。

1.2.2 對樁的作用

采用Morison公式計算波浪作用在樁上的水平荷載。該公式將樁體受到的波浪力分為2個部分：一部分是由波浪水質(zhì)點的水平速度引起的拖曳力，另一部分是由波浪水質(zhì)點的水平加速度引起的慣性力。在樁體長度增量d上的總力為

1.3 三維有限元模型的建立

考慮到荷載及物理模型的對稱性，將樁?土模型設(shè)計為半圓柱體。在網(wǎng)格劃分時，靠近樁的區(qū)域網(wǎng)格劃分較密，遠(yuǎn)離樁的區(qū)域網(wǎng)格劃分較稀?？偣灿? 304個單元，6 500個節(jié)點。在樁?土之間設(shè)置接觸面，采用庫侖摩擦模型模擬接觸面的摩擦行為，摩擦因數(shù)在數(shù)值上設(shè)為土體內(nèi)摩擦角的2/3[15]。模型四周為水平支座，底部為固定支座；底部及四周設(shè)置為不透水邊界。樁?土三維有限元模型如圖2所示。

圖2 三維有限元模型

2 計算結(jié)果分析

2.1 模型驗證

2.2 樁身水平位移

樁身水平位移是評價海上風(fēng)機樁基礎(chǔ)承載能力的一個重要指標(biāo)。圖4所示為=7.5 s時考慮2種波浪荷載耦合作用和只考慮樁受荷這2種工況下的樁身位移對比。從圖4可以看出：當(dāng)考慮波浪對海床的作用時，樁身會產(chǎn)生水平方向的附加位移，且在20~30 m埋深范圍內(nèi)附加位移較大，這與圖3所示土體變形規(guī)律基本一致。圖5和圖6所示分別為樁頂和樁底水平位移在2種工況下隨時間的變化。結(jié)合圖4~6可以看出：波浪荷載作用于海床上引起的樁身附加位移與水平荷載作用下樁頂位移方向一致，只有樁受荷時，樁頂水平位移幅值為2.1 mm；在耦合荷載作用下，樁頂水平位移幅值為3.6 mm，附加位移為1.5 mm。同時可以看出樁身平移方向與水平荷載作用下樁底位移方向相反，2種工況下樁底位移存在半個周期的相位差。

圖3 本文模型計算結(jié)果與GATMIRI模型 計算結(jié)果對比

1—考慮荷載耦合；2—只考慮樁受荷。

1—考慮荷載耦合；2—只考慮樁受荷。

2.3 樁身彎矩及樁頂轉(zhuǎn)角

圖7所示為=7.5 s時，考慮2種波浪荷載耦合作用和只考慮樁受荷這2種工況下的樁身彎矩對比。從圖7可以看出：相比于只有樁受荷的情況，耦合荷載作用下樁身彎矩更小，且在樁身中部兩者相差最大。

為了保證風(fēng)機機組的正常運行，樁頂轉(zhuǎn)角必須控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。例如，我國要求海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)在泥面處的轉(zhuǎn)角不超過0.17°。圖8所示為2種工況下的樁頂轉(zhuǎn)角隨時間的變化。從圖8可以看出：當(dāng)考慮波浪荷載耦合作用時，樁頂轉(zhuǎn)角幅值比只考慮樁受荷時的幅值減小20%，這對于保障風(fēng)機的正常運行是非常有利的。

2.4 樁側(cè)摩阻力及土體超靜孔壓

圖9所示為2種波浪荷載耦合作用時不同深度下樁側(cè)摩阻力變化曲線。從圖9可以看出：不同深度下樁側(cè)摩阻力均隨時間呈周期性變化。在15 m深度范圍內(nèi)，隨著深度增加，樁側(cè)摩阻力幅值越大，不同深度下樁側(cè)摩阻力周期變化幅度大致相同。圖10所示為耦合荷載作用時，不同深度下的樁側(cè)土體超靜孔壓變化曲線。圖11所示為=10 s時，樁側(cè)土體超靜孔壓分布。由圖10和圖11可知：樁側(cè)土體會產(chǎn)生呈周期變化的超靜孔壓，且在樁側(cè)0~5 m深度范圍內(nèi)超靜孔壓較大。在考慮波浪荷載長期循環(huán)作用時，樁側(cè)摩阻力及樁側(cè)土體超靜孔壓周期變化會弱化樁土相互作用，對樁基礎(chǔ)的承載力和變形產(chǎn)生不利影響[18]。

1—考慮荷載耦合；2—只考慮樁受荷。

1—考慮荷載耦合；2—只考慮樁受荷。

埋深/m：1—5；2—10；3—15。

埋深/m：1—0；2—5；3—10；4—15。

圖11 樁周土體超靜孔壓分布云圖(t=10 s)

3 波浪參數(shù)的影響規(guī)律

為了更深入地研究波浪荷載對風(fēng)機樁基礎(chǔ)的影響規(guī)律，下面將探討不同波浪高度和不同水深條件下樁基礎(chǔ)的變形特性。

3.1 波高的影響

圖12和圖13所示分別為當(dāng)水深=20 m時不同波高對考慮荷載耦合作用與只考慮樁受荷時樁身位移的影響。以樁頂位移為例進行分析，由圖12~13可知：隨著波高從3 m增加到5 m，當(dāng)只有樁受荷時，樁頂位移從2.1 mm增加到3.6 mm；而在耦合荷載作用下，樁頂位移從3.6 mm增加到6.3 mm。2種工況下樁頂位移分別增加71.4%和75%。說明波高的變化對2種荷載效應(yīng)的影響基本一致。

H/m：1—3；2—4；3—5。

H/m：1—3；2—4；3—5。

3.2 水深的影響

圖14和圖15所示分別為波高=3 m時不同水深對考慮荷載耦合作用與只考慮樁受荷時樁身位移的影響。同樣選取樁頂位移為例進行分析，由圖14~15可知：當(dāng)只有樁受荷時，水深10，15和20 m對應(yīng)的樁頂位移分別為1.4，1.8和2.1 mm。而當(dāng)2種波浪荷載耦合作用時，水深10，15和20 m對應(yīng)的樁頂位移分別為3.8，3.7和3.6 mm。在3種水深條件下，波浪荷載作用在海床引起的樁頂水平附加位移分別為2.4，1.9和1.5 mm。結(jié)果表明，水深越深，水平荷載引起的樁身位移越大，波浪荷載作用在海床上引起的樁身附加位移越小，說明在淺水區(qū)更應(yīng)注重2種形式的波浪荷載對樁基礎(chǔ)的耦合作用。

d/m：1—10；2—15；3—20。

d/m：1—10；2—15；3—20。

4 結(jié)論

1) 相比于只考慮樁受荷的情況，考慮波浪荷載耦合作用時樁身會產(chǎn)生附加水平位移，且在深度為1/5波長左右，附加位移最大。同時，樁身彎矩與樁頂轉(zhuǎn)角均會減小，2種工況下樁身中部彎矩相差較大。

2) 樁土界面接觸應(yīng)力及樁側(cè)土體超靜孔壓均會發(fā)生周期性變化，樁周0~5 m深度范圍內(nèi)超靜孔壓較大，不同深度下樁側(cè)摩阻力變化幅度大致相同。在考慮波浪荷載長期循環(huán)作用時這種周期變化會弱化樁土相互作用，對樁基礎(chǔ)的承載力和變形產(chǎn)生不利影響。

3) 隨著波高增加，2種工況下樁身位移變化規(guī)律大致相同，表明波高變化對2種荷載效應(yīng)的影響基本一致。隨著水深增加，水平荷載引起的樁身位移增大，波浪荷載作用在海床上引起的樁身附加位移減小，說明在淺水區(qū)更應(yīng)重視2種形式的波浪荷載對樁基礎(chǔ)的耦合作用。

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(編輯 伍錦花)

Behavior of monopile supported offshore wind turbines under wave load

FU Peng1, 2, HU Anfeng1, 2, TU Qiang3, NAN Bowen1, 2, XIE Kanghe1, 2

(1. Key Laboratory of Soft Soils and Geoenvironmental Engineering of Ministry of Education, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China; 2. Research Center of Coastal and Urban Geotechnical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China; 3. China Railway Eryuan Engineering Group Co. Ltd., Chengdu 610031, China)

A 3D finite element model considering fluid-soil coupling for monopile foundation of offshore wind turbine was proposed to study the interactive behavior of pile and soil under wave load. Effects of waves on both pile and seabed were considered in this model. Based on simulation results, deformation and internal force of monopile were investigated. Moreover, response of pore pressure within soil around pile and contact stress of the interface between pile and soil were discussed. The effects of wave height and water depth on monopile behavior were studied, and the model considering only the lateral load on pile was compared with the model considering the coupling effect of wave load. The results show that there is additional lateral displacement of monopile when considering the coupling effects of wave load. Furthermore, pore pressure within soil around pile and contact stress of the interface between pile and soildisplay cyclic variations with time.

wave load; offshore wind turbine; monopile; lateral displacement; excess pore pressure

10.11817/j.issn.1672?7207.2018.08.022

TU443

A

1672?7207(2018)08?2009?07

2017?08?10；

2017?10?10

國家自然科學(xué)基金資助項目(51778572)；浙江省自然科學(xué)基金資助項目(LY14E080016)(Project(51778572) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(LY14E080016) supported the Natural Science Foundation of Zhejiang Province)

胡安峰，博士，副教授，從事海洋巖土工程與樁基工程研究；E-mail：anfenghu@zju.edu.cn