圓盤(pán)式混合單樁基礎(chǔ)的承載特性研究

郭文文，金 晨，湯徐偉，李 函，江朝華

(1.河海大學(xué)水利工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，江蘇 南京 210098；2.上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海 200125)

海上風(fēng)電基礎(chǔ)作為海上風(fēng)機(jī)重要組成部分，在不同工況環(huán)境條件下受到了波浪、風(fēng)、地震、沖擊等各種動(dòng)力荷載的交互作用[1]。海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式主要有樁基礎(chǔ)、重力式基礎(chǔ)以及三角架基礎(chǔ)[2]。目前應(yīng)用最多的是結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單的單樁基礎(chǔ)[3]。隨著海上風(fēng)電場(chǎng)向大規(guī)模化、深水化、離岸化發(fā)展，風(fēng)機(jī)承受的荷載將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)典型單樁基礎(chǔ)提供的支撐，混合單樁基礎(chǔ)成為專(zhuān)家學(xué)者研究的熱點(diǎn)。

圓盤(pán)式混合單樁基礎(chǔ)屬于一種新型的海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式。Stone[4]等人通過(guò)研究表明，圓盤(pán)式混合單樁基礎(chǔ)相較于單樁基礎(chǔ)，水平承載力和剛度有明顯地提高。Lehane[5]等人通過(guò)離心模型試驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬，研究不同豎向荷載作用下圓盤(pán)式混合單樁基礎(chǔ)塔筒頂端的位移和彎矩，通過(guò)對(duì)比單樁基礎(chǔ)、重力式圓盤(pán)基礎(chǔ)和混合基礎(chǔ)下的承載能力，發(fā)現(xiàn)混合基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度和承載能力遠(yuǎn)大于其他兩種基礎(chǔ)。

目前，對(duì)于圓盤(pán)式混合單樁基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、承載性能及機(jī)理等的研究還處于初級(jí)階段。本文采用ABAQUS有限元軟件建立了海上風(fēng)機(jī)圓盤(pán)式混合單樁基礎(chǔ)模型，考慮材料非線(xiàn)性和樁土相互作用，對(duì)該基礎(chǔ)形式的承載特性進(jìn)行研究，研究成果對(duì)圓盤(pán)式混合單樁基礎(chǔ)的應(yīng)用和推廣具有一定的指導(dǎo)意義。

1 工程概況

本文依托江蘇省啟東市海上風(fēng)電工程進(jìn)行研究。根據(jù)實(shí)際工程中的實(shí)測(cè)資料，土體的浮容重為9.6 kN/m3，泊松比為0.35，內(nèi)摩擦角為31°，粘聚力為32 kPa。啟東市海域2.5 MW海上風(fēng)機(jī)基本參數(shù)為：機(jī)艙輪轂和風(fēng)葉質(zhì)量為127 t；塔筒上部為圓臺(tái)結(jié)構(gòu)，高58 m，底外徑4.34 m，頂外徑2.68 m，壁厚38 mm，塔筒下部為圓柱體，高19.5 m，外徑4.34 m，壁厚50 mm。

2 有限元模型建立

本文2.5 MW風(fēng)機(jī)圓盤(pán)式混合單樁基礎(chǔ)的尺寸參考Anastasopoulos[6]的尺寸，即重力式圓盤(pán)采用C30混凝土，直徑15 m，高2.5 m。鋼管樁直徑5 m，入土樁長(zhǎng)15 m。塔筒與基礎(chǔ)的連接位置即法蘭連接處距泥面線(xiàn)的高度為19.2 m。保持法蘭位置不變，泥面以上的樁長(zhǎng)19.2 m，塔筒總高度77.5 m。本文著重研究下部基礎(chǔ)，圓盤(pán)以上樁長(zhǎng)和風(fēng)機(jī)塔筒采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行簡(jiǎn)化，機(jī)艙和葉片用集中質(zhì)量點(diǎn)代替。根據(jù)規(guī)范，鋼管樁的壁厚取80 mm。重力式圓盤(pán)與鋼管樁通過(guò)灌漿連接，灌漿厚度為100 m。由于結(jié)構(gòu)均為圓柱形，土體邊界亦取為圓柱形。為消除邊界效應(yīng)的影響，土體的寬度取為150 m，厚度取為22.5 m。

圖1 圓盤(pán)式混合單樁基礎(chǔ)風(fēng)機(jī)的網(wǎng)格劃分示意

2.1 材料參數(shù)的選取

樁基和重力式圓盤(pán)簡(jiǎn)化為線(xiàn)彈性模型，土體的本構(gòu)采用非線(xiàn)性模型，即摩爾-庫(kù)倫模型(Mohr-Coulomb Model)來(lái)模擬，Mohr-Coulomb模型是基于摩爾庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則，當(dāng)剪切面上的剪應(yīng)力與正應(yīng)力的比值達(dá)到最大時(shí)，材料發(fā)生屈服并破壞。土體的各參數(shù)均與實(shí)測(cè)資料一致。模型材料屬性匯總見(jiàn)表1。

2.2 接觸和邊界條件設(shè)置

各接觸面間的接觸方式設(shè)置為：圓盤(pán)以上樁長(zhǎng)與下部樁基接觸面采用耦合約束；圓盤(pán)與灌漿、灌漿與樁基均采用綁定約束；樁與土體、圓盤(pán)與土體均采用面面硬接觸，且摩擦系數(shù)均取為0.4。在整個(gè)模型中規(guī)定重力的方向?yàn)閆軸負(fù)方向。

表1 模型材料屬性匯總

2.3 單元選擇與網(wǎng)格劃分

除上部塔筒及圓盤(pán)以上樁部分采用梁?jiǎn)卧?，其余樁基、重力式圓盤(pán)、灌漿與土體均采用六面體八節(jié)點(diǎn)線(xiàn)性減縮積分單元——C3D8R來(lái)模擬。在水平向，將土體劃分為4個(gè)區(qū)域，從樁徑之內(nèi)、圓盤(pán)直徑之內(nèi)、3倍圓盤(pán)直徑之內(nèi)到3倍圓盤(pán)直徑以外，網(wǎng)格依次由密到疏；在豎直方向，土體劃分為兩個(gè)區(qū)域，樁長(zhǎng)之內(nèi)的部分網(wǎng)格密集，樁長(zhǎng)以外的部分網(wǎng)格較疏。單元總數(shù)在70 000～80 000之間。圖1為圓盤(pán)式混合單樁基礎(chǔ)風(fēng)機(jī)模型的網(wǎng)格劃分示意。

3 承載能力校核

3.1 環(huán)境荷載下的靜力校核

3.1.1靜力荷載的選取

偏安全考慮，風(fēng)機(jī)在海洋環(huán)境下所受的風(fēng)、浪、流荷載選取翟少華[7]文中實(shí)測(cè)得到的啟東市海域2.5 MW海上風(fēng)機(jī)的兩種工況下的環(huán)境荷載合力。結(jié)構(gòu)靜力校核考慮將荷載最不利組合施加于樁基頂端，風(fēng)機(jī)塔筒和上部結(jié)構(gòu)的自重以集中力形式施加于樁基頂端，基礎(chǔ)頂端荷載如下：①在風(fēng)機(jī)不工作的極限承載狀態(tài)下，彎矩為90 000 kN·m，豎向力為-8 263 kN，水平力為900 kN；②在風(fēng)機(jī)正常工作的正常使用狀態(tài)下，彎矩為66 600 kN·m，豎向力為-2 730 kN，水平力為666 kN。其中，豎向力包含風(fēng)機(jī)塔筒和上部結(jié)構(gòu)的自重。

3.1.2靜力計(jì)算結(jié)果分析

為了說(shuō)明圓盤(pán)式混合單樁基礎(chǔ)的優(yōu)越性，取不加入重力式圓盤(pán)的單樁基礎(chǔ)進(jìn)行對(duì)比，除重力式圓盤(pán)的有無(wú)之外，其余參數(shù)均保持一致。

3.1.2.1 剛度校核

表2列出了兩種基礎(chǔ)在兩種狀態(tài)下的泥面處水平、豎向位移和基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)角。

表2 位移和轉(zhuǎn)角計(jì)算結(jié)果

由表2可知，圓盤(pán)式混合單樁基礎(chǔ)的各項(xiàng)參數(shù)均滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，且均小于單樁基礎(chǔ)，在環(huán)境荷載下表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)；單樁基礎(chǔ)的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)角均不滿(mǎn)足要求。

3.1.2.2 強(qiáng)度校核

兩種基礎(chǔ)在環(huán)境荷載下的應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

本文采用許用應(yīng)力法對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核，即取材料屈服強(qiáng)度的0.6為材料的許用應(yīng)力[8]，圓盤(pán)式混合單樁基礎(chǔ)在兩種工況下的應(yīng)力最大值均在容許范圍內(nèi)，且均比單樁基礎(chǔ)的鋼管樁的應(yīng)力最大值小，體現(xiàn)了圓盤(pán)式混合單樁基礎(chǔ)的優(yōu)越性。

3.2 基礎(chǔ)的承載特性研究

3.2.1承載力的確定方法

在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于承載力以變形作為控制標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)DNV-OS-J101 《Design of Offshore Wind Turbine Structures》[9]規(guī)定，在本文中，定義泥面線(xiàn)處水平位移100 mm、豎向位移200 mm、轉(zhuǎn)角0.04 rad處的承載力為基礎(chǔ)的極限承載力。

3.2.2單一荷載作用下圓盤(pán)式混合單樁基礎(chǔ)的承載特性

3.2.2.1 水平承載特性研究

利用ABAQUS進(jìn)行數(shù)值分析時(shí)，采用位移加載的方法在下部基礎(chǔ)頂端施加水平位移荷載，從而得到圓盤(pán)式混合單樁基礎(chǔ)水平荷載和水平位移的關(guān)系曲線(xiàn)。為說(shuō)明該基礎(chǔ)的優(yōu)越性，將重力式圓盤(pán)、單樁基礎(chǔ)、兩者數(shù)值疊加與圓盤(pán)式混合單樁基礎(chǔ)的水平荷載與水平向位移關(guān)系進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖2。

圓盤(pán)式混合單樁基礎(chǔ)與單樁基礎(chǔ)在水平位移加載前期，水平力呈線(xiàn)性增加，樁基變形處于彈性變形階段；隨著水平位移逐漸增大，水平力的增量呈減小趨勢(shì)，樁基變形由可恢復(fù)的彈性變形和不可恢復(fù)的塑性變形組成。對(duì)于重力式圓盤(pán)基礎(chǔ)，水平位移—荷載曲線(xiàn)存在明顯的拐點(diǎn)和極值點(diǎn)。當(dāng)基礎(chǔ)水平位移大于0.02 m時(shí)，重力式圓盤(pán)變形達(dá)到破壞階段失去承載能力，基礎(chǔ)水平承載力達(dá)到極限狀態(tài)后水平位移繼續(xù)增大而水平力有略微下降的趨勢(shì)。

圖2 水平荷載與位移關(guān)系曲線(xiàn)

從圖2可以看出，在相同的水平位移下，圓盤(pán)式混合單樁基礎(chǔ)的水平力明顯大于其他兩種結(jié)構(gòu)，圓盤(pán)基礎(chǔ)的水平承載能力最差。圓盤(pán)的加入明顯提高了基礎(chǔ)的水平承載能力，另外，當(dāng)基礎(chǔ)水平位移小于0.02 m時(shí)，圓盤(pán)式混合單樁基礎(chǔ)的水平力等于單樁和圓盤(pán)基礎(chǔ)兩者水平力的疊加值；而當(dāng)水平位移繼續(xù)增大時(shí)，混合基礎(chǔ)的水平承載力大于其他兩種基礎(chǔ)水平承載力的疊加值。

3.2.2.2 豎向承載特性研究

豎向位移荷載的施加方法與水平位移荷載相同。幾種基礎(chǔ)的豎向荷載與豎向沉降關(guān)系如圖3所示。

圖3 豎向荷載與位移關(guān)系曲線(xiàn)

從圖3可以看出：

(1)3種結(jié)構(gòu)的豎向力隨著基礎(chǔ)沉降量的增加而持續(xù)增長(zhǎng)。隨著沉降量的增加，圓盤(pán)以下、樁內(nèi)及樁基礎(chǔ)底部土體逐漸變得更加密實(shí)，土體自身的承載能力得以增加，進(jìn)而加強(qiáng)基礎(chǔ)的豎向承載能力。

(2)當(dāng)豎向力為0時(shí)，3種基礎(chǔ)均有一定的豎向位移，這是由于結(jié)構(gòu)本身在自重作用下會(huì)產(chǎn)生一定的豎向位移。與水平承載特性相同，當(dāng)豎向位移相同時(shí)，圓盤(pán)式混合單樁基礎(chǔ)的豎向力高于其他兩種結(jié)構(gòu)，圓盤(pán)基礎(chǔ)的豎向承載力大于單樁基礎(chǔ)?；A(chǔ)泥面線(xiàn)豎向位移為0.20 m時(shí)，圓盤(pán)的加入使得單樁基礎(chǔ)的豎向力從33.53 MN提高4.3倍到142.9 MN，豎向承載力大大提升。與水平承載特性不同的是，圓盤(pán)式混合單樁基礎(chǔ)的豎向承載能力略小于單樁和重力式圓盤(pán)基礎(chǔ)兩者豎向承載能力的疊加值。

3.2.2.3 彎矩承載特性研究

彎矩荷載的施加是通過(guò)在荷載模塊設(shè)置轉(zhuǎn)角邊界條件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。圖4是幾種基礎(chǔ)的彎矩-基礎(chǔ)轉(zhuǎn)角曲線(xiàn)。

從圖4可以看出：

(1)基礎(chǔ)的彎矩荷載與水平荷載變形關(guān)系相似，當(dāng)基礎(chǔ)轉(zhuǎn)角較小時(shí)，三種結(jié)構(gòu)的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線(xiàn)近似成直線(xiàn)型增加；隨著轉(zhuǎn)角繼續(xù)增加，彎矩增量逐漸減小。

(2)轉(zhuǎn)角一定時(shí)，圓盤(pán)式混合單樁基礎(chǔ)的彎矩明顯大于其他兩種結(jié)構(gòu)，圓盤(pán)基礎(chǔ)的抗彎承載能力最弱。當(dāng)基礎(chǔ)轉(zhuǎn)角為0.04 rad時(shí)，混合單樁基礎(chǔ)的抗彎承載力分別約為單樁基礎(chǔ)的1.7倍和圓盤(pán)基礎(chǔ)的7.7倍。整個(gè)加載過(guò)程混合單樁基礎(chǔ)的彎矩均大于單樁和重力式圓盤(pán)基礎(chǔ)兩者彎矩的疊加值，且轉(zhuǎn)角越大，混合單樁基礎(chǔ)的優(yōu)勢(shì)越明顯。

圖4 彎矩荷載—轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線(xiàn)

為更好地解釋彎矩變化規(guī)律，將各個(gè)基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度與轉(zhuǎn)角的變化曲線(xiàn)繪于圖5。

從圖5可以看出：

(1)當(dāng)基礎(chǔ)轉(zhuǎn)角小于10-3rad時(shí)，所有基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度幾乎不發(fā)生變化，即整個(gè)基礎(chǔ)處于彈性階段。轉(zhuǎn)角繼續(xù)增大，基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度明顯減小，當(dāng)轉(zhuǎn)角足夠大時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度最終將減小為0時(shí)，基礎(chǔ)完全破壞失效。

(2)轉(zhuǎn)角較小時(shí)，圓盤(pán)基礎(chǔ)與單樁基礎(chǔ)的彎矩轉(zhuǎn)角曲線(xiàn)幾乎重合，這是因?yàn)閮烧叩霓D(zhuǎn)動(dòng)剛度相近。隨著轉(zhuǎn)角的增加，圓盤(pán)基礎(chǔ)最先達(dá)到極限承載力，也是由于圓盤(pán)基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度下降速度較快，最先趨近于0。這也是圓盤(pán)式混合單樁基礎(chǔ)較其他兩種基礎(chǔ)彎矩疊加值大的原因。

圖5 轉(zhuǎn)動(dòng)剛度與轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線(xiàn)

3.2.3水平和彎矩荷載(H-M)復(fù)合加載下圓盤(pán)式混合單樁基礎(chǔ)的承載特性研究

海上風(fēng)機(jī)主要承受較大的風(fēng)、浪產(chǎn)生的水平荷載和彎矩荷載，且對(duì)于海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，豎向荷載主要來(lái)源于風(fēng)機(jī)的自重，在本文中忽略風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中豎向荷載的變化，因此豎向荷載是一定值，僅按上部結(jié)構(gòu)自重考慮。風(fēng)機(jī)采用較輕的材料制造，因此相比于風(fēng)、浪產(chǎn)生的水平荷載與彎矩荷載，豎向荷載是較小的。因此僅分析豎向荷載恒定的情況下水平和彎矩荷載(H-M)復(fù)合加載下基礎(chǔ)的承載性能。塔筒所受的水平荷載傳遞至塔筒底部引起彎矩荷載，因此，對(duì)于實(shí)際工程情況，水平荷載和彎矩荷載的方向是一致的。對(duì)H-M破壞包絡(luò)線(xiàn)也僅分析第1象限。將一系列水平荷載和抗彎承載力一一對(duì)應(yīng)繪制成H-M的破壞包絡(luò)圖。結(jié)合前文對(duì)水平承載力的分析，取水平力為0、5、10、15、20 MN進(jìn)行分析。此時(shí)的彎矩與轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖6，彎矩隨水平荷載的增加而減小。當(dāng)轉(zhuǎn)角較小時(shí)，水平力對(duì)彎矩的影響尚不明顯；當(dāng)轉(zhuǎn)角逐漸增大，水平力增大，彎矩明顯減小，該規(guī)律從H-M破壞包絡(luò)圖(見(jiàn)圖7)也可看出。當(dāng)水平力較大時(shí)(如水平力為20 MN)，彎矩達(dá)到極限值后隨轉(zhuǎn)角的增大呈略微下降的趨勢(shì)。

圖6 不同水平荷載作用下基礎(chǔ)彎矩轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線(xiàn)

圖7 水平荷載與彎矩荷載的破壞包絡(luò)圖

4 結(jié) 論

圓盤(pán)式混合單樁基礎(chǔ)是一種能適應(yīng)海上風(fēng)電場(chǎng)向深水化發(fā)展，解決單樁基礎(chǔ)為風(fēng)機(jī)提供足夠支撐問(wèn)題的新型海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式，該新型基礎(chǔ)集合了單樁基礎(chǔ)和重力式基礎(chǔ)的優(yōu)勢(shì)，能為風(fēng)機(jī)提供更高的承載力。本文通過(guò)利用ABAQUS軟件，考慮了土體的彈塑性與樁土相互作用，建立圓盤(pán)式混合單樁基礎(chǔ)的有限元模型，對(duì)結(jié)構(gòu)的水平、豎向、彎矩單一荷載下的承載特性以及水平-彎矩復(fù)合加載下的承載特性進(jìn)行分析。主要結(jié)論如下：

(1)兩種環(huán)境荷載下，圓盤(pán)式混合單樁基礎(chǔ)各項(xiàng)參數(shù)均滿(mǎn)足規(guī)范要求，在泥面處水平位移、豎向位移、基礎(chǔ)轉(zhuǎn)角等剛度以及混凝土應(yīng)力、鋼管樁應(yīng)力等強(qiáng)度均小于單樁基礎(chǔ)，表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性。

(2)單一荷載施加于基礎(chǔ)，圓盤(pán)式混合單樁基礎(chǔ)較單樁基礎(chǔ)和重力式圓盤(pán)基礎(chǔ)這兩種基礎(chǔ)有更好的承載性能。圓盤(pán)的加入使得單樁基礎(chǔ)的水平承載能力、豎向承載能力、抗彎承載能力有顯著提高，圓盤(pán)式混合單樁基礎(chǔ)的水平承載能力和抗彎承載力較單樁基礎(chǔ)和重力式圓盤(pán)兩種基礎(chǔ)的疊加值大，但豎向承載能力略小于單樁基礎(chǔ)和重力式圓盤(pán)兩種基礎(chǔ)的疊加值。水平-彎矩荷載同時(shí)施加于基礎(chǔ)，基礎(chǔ)的抗彎承載力隨水平荷載的增加呈線(xiàn)性減小。當(dāng)轉(zhuǎn)角較小時(shí)，水平力對(duì)彎矩的影響尚不明顯，隨著轉(zhuǎn)角的增大，水平力增大，彎矩減小越明顯。