海上風機復合單樁基礎水平承載力數(shù)值分析

孔德森, 郭文婷, 吳艷崇

(1.山東科技大學山東省土木工程防災減災重點實驗室, 青島 266590; 2.山東科技大學土木工程與建筑學院, 青島 266590)

海上風能作為綠色、可再生能源,其充沛、廉價等諸多優(yōu)點受到世界各國廣泛關注[1-3]。中國具有綿長的海岸線以及廣闊的海域,具備海上風電發(fā)展的有力條件,大力發(fā)展海上風電事業(yè),實現(xiàn)能源轉型是中國未來發(fā)展所需。單樁基礎是海上風機最常采用的基礎形式,其安全便捷、工藝發(fā)展較為成熟[4]。但隨著風電裝機的逐漸增大,傳統(tǒng)的單樁基礎形式逐漸不能滿足復雜的承載需要,以單樁基礎和安裝在外圍的桶型基礎(摩擦輪)組成的復合樁基礎近年來受到廣泛關注。

復合樁基礎是一種新型的風電樁基礎,它是對單樁的一種優(yōu)化,具體是在單樁的基礎上增加摩擦輪以提高基礎的承載能力。Yang等[5-7]對復合樁基礎進行了離心機試驗以及數(shù)值模擬計算,得出復合樁橫向承載力明顯大于單樁的結論；Wang等[8-11]則對空心摩擦輪復合樁基礎和實心摩擦輪復合樁基礎的側向承載力以及震動液化等方面進行研究,結果表明:復合樁基礎比單樁基礎具有更大的循環(huán)承載力；離心試驗結果表明,復合樁基礎與單樁基礎相比,地基周圍的液化減弱；由于摩擦輪的存在,復合樁基礎橫向極限承載力和剛度明顯提高。

在已有研究基礎上開展海上風機復合樁基礎水平承載能力研究,利用ABAQUS軟件建立復合樁基礎三維有限元模型,對比分析復合樁基礎相較于傳統(tǒng)單樁基礎的水平承載力優(yōu)勢以及摩擦輪的作用機理；同時改變摩擦輪參數(shù),分析摩擦輪直徑、高度、厚度等對復合樁基礎承載能力的影響,以更好指導實際工程。

1 模型建立

1.1 復合樁基礎結構

復合樁基礎由傳統(tǒng)的單樁基礎和安裝在樁體外圍的摩擦輪兩部分組成,如圖1所示,模擬的復合樁基礎服役期間的結構布置如圖2所示。復合樁基礎中的單樁與摩擦輪均采用Q345B型鋼制作,摩擦輪的內徑D1與單樁的外徑D相同,單樁從摩擦輪內穿過,樁軸線與摩擦輪平面保持垂直。摩擦輪內部由4塊連接板連接,呈垂直分布。

圖1 復合樁基礎組成示意圖Fig.1 Composition diagram of composite pile foundation

1.2 樁-土有限元模型

有限元模擬中的土體環(huán)境和部分參數(shù)參考中國東部近海某海域風電場,ABAQUS有限元模擬軟件中輸入的模型參數(shù)取值如表1、表2所示。

建立的樁-土有限元模型如圖3所示。單樁和摩擦輪采用線彈性本構模型,土體采用Mohr-Coulomb彈塑性模型。土體厚度取1.25倍樁體埋深,直徑取樁體10倍外徑,以消除邊界效應影響。摩擦輪安置在土體表面,內部用土體填實。樁-土接觸面采用主從接觸面算法,單樁、摩擦輪與土體之間切向行為采用“罰”,摩擦系數(shù)為0.35,法向行為采用“硬”接觸；單樁與摩擦輪之間切向行為采用“罰”,摩擦系數(shù)為0.8,法向行為采用“硬”接觸。由于中心處是受力敏感位置,土體與摩擦輪從邊緣處沿徑向方向網(wǎng)格逐漸密集,樁體和土體采用C3D8R單元[12-15]。經(jīng)過多次迭代計算,初始地應力造成的最大豎向位移在10-5數(shù)量級之內,精度滿足繼續(xù)計算條件。

表1 土體參數(shù)Table 1 Soil parameters

表2 樁和摩擦輪參數(shù)Table 2 Parameters of pile and friction wheel

圖3 樁-土有限元模型Fig.3 Pile-soil finite element model

2 計算結果分析

通過樁身側向位移及樁身彎矩分布反映樁基礎的穩(wěn)定性和承載能力。故對單樁模型和復合樁基模型分別施加大小為1.5、6、12 MN 3組水平荷載H作用下,得到兩種樁型沿樁體埋深的位移和彎矩,以進行對比分析。其中0#樁為單樁基礎,3#樁為復合樁基礎。樁身側向位移對比如圖4所示,樁身彎矩對比如圖5所示。

圖4 單樁與復合樁基礎樁身側向位移對比Fig.4 Comparison of lateral displacement between single pile and composite pile foundation

圖5 單樁與復合樁基礎樁身彎矩對比Fig.5 Bending moment comparison of single pile and composite pile foundation

從圖4可以看出,復合樁基礎樁身位移變化趨勢與單樁基礎大體相似,且都在樁體埋深約40 m處出現(xiàn)正向位移,但越靠近樁頂,二者差別越大。在1.5 MN水平荷載作用下,復合樁基礎泥面處樁體側向位移相較于傳統(tǒng)單樁基礎減小9.1 mm,減少率達到55.59%；在6 MN水平荷載下,減少16.36 mm,減少率為30.84%;在12 MN水平荷載時,減少31.04 mm,減少率為26.31%。分析其原因:摩擦輪的存在有效限制了樁身的側向位移。即復合樁基相較于傳統(tǒng)單樁基礎樁身同一高度截面處側向位移顯著減小,且減小比例自樁底至樁頂逐漸減小,復合樁基礎因摩擦輪的存在可以發(fā)揮更好的水平承載性能。

從圖5可以看出,復合樁基礎彎矩變化趨勢與單樁基礎同樣大致相似,最大彎矩都均出現(xiàn)在埋深55 m處。對比分析二者最大彎矩：在1.5 MN水平荷載下,復合樁基礎樁身最大彎矩相較于傳統(tǒng)單樁基礎減小1.96 MN·m,減少率8.15%；在6 MN水平荷載下,最大彎矩減少8.27 MN·m,減少率為8.35%；在12 MN水平荷載下,最大彎矩減少22.3 MN·m,減少率為10.68%。同樣因摩擦輪的存在,有效限制了樁身變形,減小樁身彎矩。故得出結論:復合樁基礎中摩擦輪的存在可以有效限制樁身的橫向位移和樁體變形,相較于單樁基礎具有更高的安全穩(wěn)定性能。

3 摩擦輪影響因素分析

3.1 摩擦輪直徑影響

在ABAQUS軟件中分別建立摩擦輪直徑為8 m(1.6D,1#樁)、10 m(2D,2#樁)、12 m(2.4D,3#樁)、14 m(2.8D,4#樁)、16 m (3.2D,5#樁)5組模型,并對其施加0～12 MN范圍內的8級分級荷載,以計算得到摩擦輪參數(shù)對復合樁基礎水平承載能力的影響。

同樣以樁身側向位移和樁身彎矩反映樁基礎水平承載能力。不同摩擦輪直徑的復合樁基礎側向位移如圖6所示,樁身彎矩如圖7所示。從圖中可知,摩擦輪的存在有效改善了復合樁基礎的水平承載性能。且改變摩擦輪直徑,在同級荷載情況下,隨著摩擦輪直徑的變大,樁身側向位移逐漸減小,其中5#樁減小值最大,達到0.092 m,相較于傳統(tǒng)單樁基礎減小19.7%；且樁身位移同樣隨摩擦輪直徑的增大而減小,同樣為5#樁減小值最大,達到23.8 MN,相較于傳統(tǒng)單樁基礎減小11.4%。

圖6 不同摩擦輪高度的樁身泥面處側向位移Fig.6 Lateral displacement at mud surface of pile body with different friction wheel heights

圖7 不同摩擦輪高度的樁身彎矩Fig.7 Bending moment of different friction wheel heights

進一步將得到的數(shù)據(jù)進行無量綱化處理,U/U0表示同級荷載下1#～5#樁與0#樁泥面樁體側向位移比值,Mmax/M0表示同級荷載下1#～5#樁與0#樁身最大彎矩比值,如圖8所示。從圖8中可以得到:隨著摩擦輪直徑的增大,其可以提供給樁身更大的水平約束,可以更好地限制樁體側向位移和樁身變形,提高復合樁基礎承載能力和安全穩(wěn)定性能。且當摩擦輪直徑小于2.4倍單樁外徑前,樁身變形減少趨勢十分顯著,當其大于2.4倍樁徑后,變化趨勢則逐漸趨于平穩(wěn)。故在實際工程中,建議設計的摩擦輪直徑盡量低于3倍的單樁外徑,以最大化發(fā)揮摩擦輪的優(yōu)勢。

圖8 樁體變形(位移、彎矩)與摩擦輪直徑的關系Fig.8 Relationship between pile deformation (displacement, bending moment) and friction wheel diameter

圖9 不同摩擦輪厚度的樁身泥面處側向位移Fig.9 Lateral displacement of pile body mud surface with different friction wheel thicknesses

3.2 摩擦輪厚度影響

建立摩擦輪厚度分別為40(6#)、50(7#)、60(8#)、70(9#)、80 mm(10#)的5組有限元模型,同樣對其施加0～12 MN范圍內的8級分級荷載。得到不同摩擦輪厚度的復合樁基礎的泥面處側向位移和樁身彎矩分別如圖9和圖10所示。從圖中可知:同級荷載作用下,隨著摩擦輪厚度的變大,復合樁樁身側向位移逐漸減小,其中10#樁減小最大,達到0.034 m,相較于傳統(tǒng)單樁基礎減少約28.9%；同級荷載下,樁身彎矩同樣隨摩擦輪厚度的增加而減小,其中10#樁減小最大,為27.9 MN,相較于傳統(tǒng)單樁基礎減少13.4%。復合樁基礎自樁底向上至1.8D處,樁身承受彎矩開始出現(xiàn)顯著變化。

圖10 不同摩擦輪厚度的樁身彎矩Fig.10 Bending moment of pile body with different friction wheel thicknesses

同樣將得到的數(shù)據(jù)進行無量綱化處理,得到結果如圖11所示。得到結論:摩擦輪的存在很大程度上減小了樁體的變形,隨著摩擦輪厚度的變化,樁體側向位移與樁身彎矩均逐漸減小,但減小趨勢較緩,摩擦輪厚度的增加對復合樁基礎承載能力的提升有限。

圖11 樁體變形(位移、彎矩)與摩擦輪厚度的關系Fig.11 Relationship between pile deformation (displacement, bending moment) and friction wheel thickness

3.3 摩擦輪高度影響

建立摩擦力高度分別為0.5、1、1.5、2、2.5 m的5組有限元模型進行計算,在0～12 MN范圍內分為8級荷載施加分級荷載。得到不同摩擦輪高度的復合樁基樁身側向位移和樁身彎矩分別如圖12、圖13所示。由此得知,在水平荷載作用下,復合樁基礎樁身側向位移和樁身彎矩均小于傳統(tǒng)單樁基礎,且減小效果明顯。同級荷載下,隨著摩擦輪高度的增加,樁身水平位移逐漸減小。當摩擦輪高度為2.5 m時減少最多,為0.041 m,相較于傳統(tǒng)單樁基礎減少達到34.9%,效果顯著；樁身彎矩同樣隨摩擦輪高度增加而減少,同樣為2.5 m高摩擦輪的復合樁基模型減少最大,為37.8 MN,減少比例達到18.1%。復合樁基礎樁底向上至1.5D處,樁身承受彎矩開始出現(xiàn)顯著變化。

圖12 不同摩擦輪高度的樁身泥面處側向位移Fig.12 Lateral displacement at mud surface of pile body with different friction wheel heights

圖13 不同摩擦輪厚度的樁身彎矩Fig.13 Bending moment of pile body with different friction wheel thicknesses

將數(shù)據(jù)進行無量綱化處理以分析樁身變形隨摩擦輪高度變化的規(guī)律,得到結果如圖14所示。從圖14中可以看出,摩擦輪的有無對樁身變形的影響最大,且隨著摩擦輪高度的增加,樁身側向位移和樁身彎矩均逐漸減小。其原因為:摩擦輪高度的增加較大增加了摩擦輪與樁體的接觸面積,摩擦輪可以提供給樁體更大的水平抗力,從而約束樁體變形,提高復合樁基礎承載能力和安全穩(wěn)定性能。

圖14 樁體變形(位移、彎矩)與摩擦輪高度的關系Fig.14 Relationship between pile deformation (displacement, bending moment) and friction wheel height

4 結論

利用ABAQUS軟件建立海上風機復合樁基礎三維有限元模型,對比分析其相較于傳統(tǒng)單樁基礎的承載力優(yōu)勢,分析摩擦輪存在對樁體變形的約束作用,并改變摩擦輪參數(shù),分析其不同參數(shù)對復合樁基礎承載能力的影響,得到結論如下。

(1)相同受荷情況下,有摩擦輪存在的復合樁基礎承載能力明顯優(yōu)于傳統(tǒng)單樁基礎。且隨著所受荷載的增加,其效果愈加明顯。當水平荷載為12 MN時,復合樁基礎相較于傳統(tǒng)單樁,樁身側向位移減少26.31%,樁身最大彎矩減小10.68%,效果顯著。摩擦輪的存在有效限制了樁體變形,提高了樁基承載能力和安全穩(wěn)定性能。

(2)摩擦輪直徑的改變對于復合樁承載能力影響較大。隨著摩擦輪直徑的增加,復合樁基礎樁身位移和彎矩逐漸減小。摩擦輪直徑的增大充分發(fā)揮了其對樁體變形的約束作用。且當摩擦輪直徑小于2.4倍樁體外徑時,減少趨勢十分顯著,大于2.4倍樁體外徑后,其減少趨勢逐漸平穩(wěn)。

(3)摩擦輪厚度改變對于復合樁基礎承載能力的影響較弱。隨著摩擦輪厚度增加,復合樁基礎樁身側向位移與樁身彎矩逐漸減小,但其減小趨勢較緩,摩擦輪厚度的增加對摩擦輪的約束效果的提升有限。

(4)摩擦輪高度改變對于復合樁基礎水平承載能力影響較大,隨摩擦輪高度的增加,復合樁基礎樁身位移與彎矩均逐漸減小,當摩擦輪高度為2.5 m時,樁身位移與彎矩分別減小 34.9%和18.1%,摩擦輪充分發(fā)揮其對樁體變形的約束作用,效果顯著。