海上風電高樁承臺基礎承載特性數(shù)值模擬研究

沈曉雷，陳洪飛，王欣怡

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 311122；3.杭州定川信息技術有限公司，浙江 杭州 310016；4.浙江大學海洋學院，浙江 舟山 316021)

0 引 言

海上風能是海洋可再生能源中具備極大商業(yè)發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?，現(xiàn)階段近海海上風電處于重要戰(zhàn)略地位，國家《風電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》特別強調繼續(xù)開展江蘇、福建等東南沿海的海上風電發(fā)展。海上風電機組往往離岸距離較遠，需建設海上升壓站將海上風力發(fā)電機電能的電壓提升至常規(guī)的電壓[1]。高樁承臺式海上升壓站適用于離岸近、水深淺的近海區(qū)域。工程經驗表明，承臺的水平承載性能對于海上升壓站的安全穩(wěn)定性起著重要的作用，不少學者對此展開了研究[2-5]。吳春萍等[6]利用FLAC3D結合工程實例建模分析群樁承載力的影響因素；王建等[7]對地基與群樁承臺進行整體建模，提出了分析承臺基礎p-y曲線的迭代分析法；陳曉平等[8]利用文克爾地基模型，對不同樁徑、樁距、樁端約束群樁各個樁分別所受承載力的影響進行了研究；孟憲中等[9]基于有限元數(shù)值模型，對山東某海域海上風電高樁承臺進行了優(yōu)化設計。以上研究取得了一定的成果，然而，對海上高樁平臺的承載特性研究還比較少。

江蘇省海上風電累計裝機容量占全國海上風電累計裝機容量的71.5%，連續(xù)多年領跑全國，其主要海上風電項目位于岸外輻射沙洲海域，但是該海域試樁資料較為缺乏。為此，本文采用數(shù)值分析的方法，研究岸外輻射沙洲海域高樁承臺承載特性，可為該海域風電建設提供技術支持。

1 工程概況

江蘇竹根沙某海上風電項目位于竹根沙及北條子泥附近海域，東臺H2號海上風電場西南側，竹根沙H1號海上風電場西北側，風電場離岸距離39 km，海底地形變化平緩，場區(qū)高程-13～2.8 m，場區(qū)呈不規(guī)則多邊形，東西長約21 km，南北寬約6 km，風電場面積37 km2，規(guī)劃容量300 MW。風電場配套建設1座220 kV海上升壓變電站，升壓站設置于海域南側，整個風電場區(qū)的中心位置。風電場地理位置見圖1。

圖1 江蘇竹根沙風電站地理位置

本風電場的高樁承臺基礎采用20根直徑1.5～2.0 m的鋼管樁，采用直樁與斜樁結合，材質為Q355C，均按摩擦樁設計。承臺為八邊形，長、寬、高分別為36.0、23.0、3.0 m，承臺下部采用4根直徑為2.0 m、樁長54.0 m、壁厚30 mm的鋼管直樁，4根直徑為1.5 m、樁長51.5 m、壁厚30 mm的鋼管直樁和12根直徑為1.5 m、樁長51.5 m、壁厚30 mm的鋼管樁，以1∶5的斜度布置在承臺上。高樁承臺樁基布置見圖2。

圖2 高樁承臺樁基布置(單位：mm)

竹根沙海域場區(qū)內地基土以粉砂、粉砂夾粉土為主，根據土性及物理力學性質細分為8個亞層、3個夾層。各土層分布及物理力學參數(shù)見表1。

2 數(shù)值模型驗證

2.1 單樁數(shù)值模型

單樁模型選取為半圓柱形，半徑為30 m，深度60 m，底部和四周均全部約束，對稱面法向位移約束，頂面為自由面，采用六面體單元類型網格進行劃分。土體考慮為彈塑性體，選用M-C本構模型，樁則考慮為彈性樁。數(shù)值模型中，鋼管樁與周圍土體的接觸采用法向硬接觸，切向則通過罰函數(shù)來賦予相應的樁-土摩擦關系。由于工程上沒有樁-土體罰摩擦系數(shù)相關數(shù)據，通過建立單樁基礎數(shù)值模型，并對其進行水平荷載-水平位移和豎直荷載-沉降量的數(shù)值模擬計算，對參數(shù)進行優(yōu)化調整，得到樁-土罰摩擦系數(shù)。

2.2 數(shù)值模型參數(shù)驗證

為了選取合理的樁-土摩擦參數(shù)，采用輻射沙洲1.8 m鋼管樁水平承載性能現(xiàn)場試驗結果進行對照?，F(xiàn)場試驗樁樁長為51 m，樁徑為1.8 m，壁厚為25 mm，樁體埋深為29 m，試樁的水平力作用點位于樁頂以下0.5 m處，試樁的豎向力作用點位于樁頂?，F(xiàn)場試樁和數(shù)值模擬所得的樁頂水平荷載-水平位移曲線與豎直荷載-沉降量曲線見圖3。從圖3可以看出，現(xiàn)場試樁和ABAQUS數(shù)值模擬所得的荷載-位移曲線基本一致，表明表1中樁基模型計算參數(shù)選取基本合理。

圖3 現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬結果對比

3 高樁承臺承載特性分析

建立ABAQUS高樁承臺基礎數(shù)值模型，承臺材料為C45混凝土，鋼管群樁為彈性樁，Q335C材質，采用C3D8R單元進行建模，土體為彈塑性體服從M-C模型。模型的底部限制3個方向的位移，四周邊界面約束法向位移，頂面為自由面。

本次數(shù)值模擬試驗采用位移加載方式，在承臺上部平臺邊緣施加短軸方向位移荷載，得到高樁承臺基礎的荷載-位移(Q-s)曲線，見圖4。曲線上存在2個明顯的拐點，分別是A點(水平位移0.2 m處)與B點(水平位移0.9 m處)。

圖4 承臺水平位移-承載力關系

A、B點處的土體等效應變見圖5。從圖5可知，從開始加載至水平位移為0.2 m處(A點)，隨著水平位移的增加，荷載線性增加，表明A點之前，土體處于彈性狀態(tài)，還未發(fā)生破壞，但A點處樁周土體出現(xiàn)明顯的屈服區(qū)域，表明A點為承臺基礎處于彈性階段與屈服階段的分界點。當水平位移超過A點后，隨著位移的增加，承載力緩慢增大直到水平位移0.9 m處(B點)，B點處樁周土體的屈服范圍明顯大于A點，即在A點與B點之間，泥面處樁周土體的屈服范圍繼續(xù)增大。B點以后承載力曲線迅速下降，表明此時承臺在B點達到極限強度。因此，可推斷該承臺的極限荷載約為315 600 kN。

圖5 土的等效塑性應變

為了分析水平荷載下高樁承臺中單樁的受力情況，選取3根典型樁進行分析，分別為長軸方向斜樁6號樁、直樁9號樁和短軸方向斜樁12號樁。當高樁承臺基礎承受極限水平荷載時，3根樁的樁身塑性應力曲線見圖6。從圖6可知，樁所受到的應力主要集中于2個區(qū)域：第1個區(qū)域為泥面上樁的自由段部分，3根樁承受應力均在承臺連接處達到峰值，6號樁約為450 MPa，9號和12號樁約為350 MPa；第2個區(qū)域則是在泥面以下約8 m處，該處應力出現(xiàn)峰值，大小約為承臺連接處應力的1/2。6號樁在2個區(qū)域的應力峰值均高于9號樁和12號樁，表明6號樁位更易發(fā)生樁的屈服。各個樁在2個峰值以外區(qū)域包括樁底在內所承受應力都較小，可以判斷樁底地基良好，樁在泥面處也不會發(fā)生破壞。

圖6 樁身等效應力

樁-土之間的相互作用復雜，平行于樁身的側摩阻力對樁基的豎向承載力起了主導作用。選擇6、9、12號樁進行分析，升壓站上部組塊荷載作用下樁身所受到的側摩阻力見圖7。從圖7可知，3根樁的側摩阻力曲線趨勢相似，均在樁身位于泥面以下8～10 m處側摩阻力快速增加，并在樁身距泥面8～25 m區(qū)域維持穩(wěn)定，在25 m至樁底區(qū)域內側摩阻力迅速減小，樁底側摩阻力為0，可以判斷地基狀態(tài)良好。

圖7 樁身側摩阻力隨樁深變化

4 結 語

本文以江蘇岸外輻射沙洲某海上風電項目為研究背景，采用ABAQUS數(shù)值分析方法，開展了海上升壓站高樁承臺基礎承載特性數(shù)值模擬研究，主要結論如下：

(1)荷載-位移曲線上存在2個特征拐點，分別是彈性階段與屈服階段的分界點A點(水平位移0.2 m處)與極限荷載B點(水平位移0.9 m處)，該承臺基礎水平極限承載力為315 600 kN。

(2)樁身所受到的最大應力主要集中于2個區(qū)域：第1個區(qū)域為承臺連接處，6號樁約為450 MPa、9號和12號樁約為350 MPa；第2個區(qū)域則是在泥面以下約8 m處，其大小約為承臺連接處應力的1/2。

(3)泥面以下3根典型樁的側摩阻力曲線趨勢相似，均在樁身位于泥面以下8～10 m處側摩阻力快速增加，并在樁身距泥面8～25 m區(qū)域維持穩(wěn)定，在泥面以下25 m至樁底區(qū)域內側摩阻力迅速減小，可見地基狀態(tài)良好。