何 奔,姜貞強,王曉強,潘曉東,袁宗浩,史 吏
(1.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司,浙江 杭州 311100;2.浙江工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院, 浙江 杭州 310023)
海洋風(fēng)機的基礎(chǔ)形式眾多,水深30 m以內(nèi)的近海海域多采用重力淺基礎(chǔ)、吸力筒基礎(chǔ)或單樁基礎(chǔ)[1]。為進一步增強基礎(chǔ)的水平承載性能,近年來工程界提出了一種新型基礎(chǔ)形式——大直徑單樁-筒體組合基礎(chǔ)。p—y曲線是公認的描述風(fēng)機樁基礎(chǔ)非線性水平變形(y)和水平承載力(p)的有效分析方法,p—y曲線法最早由Matlock[2]依據(jù)黏土中小直徑短樁的水平受荷模型試驗提出。近年來,不少專家學(xué)者利用單元體試驗[3]、數(shù)值模擬[4-5]和模型試驗[6-7]等多種手段,對不同土體和結(jié)構(gòu)參數(shù)影響下的風(fēng)機基礎(chǔ)p—y曲線進行了研究。在大直徑單樁方面,孫冬梅[4]和何奔[5]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有p—y曲線并不能直接適用于大直徑單樁,并結(jié)合模型試驗提出了適用于軟黏土中大直徑單樁的修正p—y曲線;朱斌等[6]和黃茂松等[8]對大直徑單樁在靜力和循環(huán)荷載下的p—y曲線進行研究,并對美國石油協(xié)會(API)規(guī)范推薦p—y曲線進行修正[9]。在樁-筒組合基礎(chǔ)研究方面,劉潤等[10]分析了單樁和筒體各部分對樁-筒組合基礎(chǔ)豎向和水平承載能力的貢獻;呂陽等[11]利用ALE(任意拉格朗日-歐拉法)技術(shù)研究了黏土中吸力筒沉貫過程中的大變形問題,分析了沉貫阻力和土塞高度等問題;通過模型試驗;Andersen等[12]發(fā)現(xiàn)增大吸力筒基礎(chǔ)埋深,能提高吸力筒的水平抗傾覆能力;黃周泉等[13]分析了豎向荷載作用下樁-筒組合基礎(chǔ)樁外側(cè)摩阻力、土壓力及樁身軸力的分布規(guī)律,得到了筒體加固對樁-筒組合基礎(chǔ)豎向承載力的提升程度;劉文白等[14]對豎向荷載下的樁-筒組合基礎(chǔ)幾何尺寸進行了優(yōu)化組合。
由以上綜述可知:相較于大直徑單樁和吸力筒基礎(chǔ),目前針對樁-筒組合基礎(chǔ)的研究較少,且多限于豎向承載特性。筆者在ABAQUS中建立樁-筒組合基礎(chǔ)的三維有限元分析模型,研究筒體對大直徑單樁水平和抗傾覆承載能力的提升程度,并根據(jù)模擬結(jié)果對API規(guī)范推薦的p—y曲線進行修正,使其適用于樁-筒組合基礎(chǔ)的水平受荷計算。
以位于杭州灣平湖海域的某海上風(fēng)電場工程為研究背景,該風(fēng)電場涉海面積約48 km2,規(guī)劃容量300 MW。風(fēng)場中心點離岸約20 km,水深為8~12 m。場區(qū)內(nèi)海底地形變化較小,海底灘面最大坡度小于1°,適合采用單樁基礎(chǔ)或者吸力筒基礎(chǔ)。將單樁基礎(chǔ)與吸力筒基礎(chǔ)結(jié)合,得到樁-筒組合基礎(chǔ),如圖1所示。在實際施工中,為了避免施工中支腿船和穩(wěn)樁平臺無法施工,先進行樁基礎(chǔ)施工。第一步,將樁基礎(chǔ)下沉到指定深度后停止下壓;第二步,將筒基礎(chǔ)套入樁基礎(chǔ)中,采用負壓使筒基礎(chǔ)下沉至泥面與筒蓋位于同一水平面;第3步,抽出筒基礎(chǔ)護筒與樁基礎(chǔ)之間間隙中的泥漿,并進行水泥灌漿填充,連接樁基礎(chǔ)與筒基礎(chǔ),完成施工[15]。
圖1 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram
模型中鋼管樁樁徑d=6 m,樁長l=50 m(其中入土深度為30 m),管樁厚徑比δ/d=1%(壁厚δ=6 cm);由于筒體為單樁基礎(chǔ)的加固結(jié)構(gòu),為節(jié)省材料,壁厚δ=2 cm,直徑D、高度h見表1;地基長度和寬度為25d,樁底以下土層深度為8.3d,靜力分析中可以忽略邊界效應(yīng)的影響[16]。
表1 模型筒參數(shù)Table 1 Parameters of the bucket 單位:m
風(fēng)機基礎(chǔ)樁體和筒體均為鋼材(Q345C),考慮為理想彈塑性材料,其屈服強度=325 MPa,楊氏模量E=2.1×108kPa,泊松比υ=0.25。土體采用摩爾-庫倫(M-C)本構(gòu)模型。利用風(fēng)電場勘察取樣土體,以有效總應(yīng)力法進行室內(nèi)單元體試驗,獲得了土的物理力學(xué)參數(shù),具體參數(shù)見表2。
表2 土的物理學(xué)參數(shù)Table 1 Parameters of the soil
土體的單元類型采用八節(jié)點六面體減縮積分單元(C3D8R),并增強沙漏剛度,此單元對位移求解精度更高并且不會產(chǎn)生剪切自鎖。樁體和筒體的單元均采用四結(jié)點曲面通用殼(S4),采用有限膜應(yīng)變,殼單元更加適合分析大直徑鋼管樁的特性。
由于實際工程中樁體和筒體內(nèi)護筒之間采用的是水泥灌漿連接,因此模型中采用“Tie”的方式連接樁與筒,將其接觸面設(shè)置為剛性連接,模擬實際工作中的樁-筒基礎(chǔ)在位情況;樁體/筒體與土體的接觸面設(shè)為面-面接觸對,遵循摩爾庫倫摩擦定律,法向行為選為“Hard”Contact,摩擦特性選為“Penalty”,摩擦系數(shù)由土體內(nèi)摩擦角決定,按tan(0.75φ)[17]取值。土體側(cè)面限制水平向位移,底面完全固定,頂面自由無約束。
在實際狀況中,土體內(nèi)部有地應(yīng)力存在,在進行樁的水平加載前必須進行初始地應(yīng)力平衡。具體分析步驟如下:第一步,創(chuàng)建自動地應(yīng)力平衡分析步,對完整的土體施加重力使之平衡,以創(chuàng)建初始地應(yīng)力場;第二步,創(chuàng)建靜力分析步,激活樁體和筒體,同時進行樁土接觸的設(shè)置;第三步,對樁頂部進行水平位移(荷載)加載,以考慮樁在海浪沖擊及上部結(jié)構(gòu)傳遞下來的水平荷載。
針對近海風(fēng)機電場超大直徑單樁,Zhu等[18]基于常重力條件下剛性樁無量綱比尺對應(yīng)關(guān)系,取杭州某基坑粉土,開展了模型比尺為1∶30的樁基模型試驗。筆者選取上述模型試驗中密實度為88%的一組粉土作為數(shù)值模擬對象。
利用ABAQUS 1∶1建立數(shù)值模型,進行有限元數(shù)值建模,整個地基模型為長方體,長方體地基的長和寬為樁基直徑的20倍,樁底距模型底部為5倍樁徑,本構(gòu)模型選取為M-C,模型樁的參數(shù)與粉土的計算參數(shù)見表3。
表3 驗證模型的參數(shù)Table 3 Parameters of verification model
圖2給出了當加載點高度分別為1D,3D,6D時,數(shù)值模擬所得加載點荷載位移曲線與試驗結(jié)果的對比。當加載高度為1D時,數(shù)值模擬結(jié)果與模型試驗結(jié)果擬合較好。由圖2可知:在加載的前段曲線兩者幾乎一致;當加載高度為3D時,模擬結(jié)果與實驗結(jié)果有著一定差距,但荷載位移曲線的變化規(guī)律仍然較為一致;當加載高度為6D時,同樣可觀察到兩種方法計算結(jié)果幾乎重合。圖3為樁身無量綱轉(zhuǎn)動中心深度的數(shù)值模擬結(jié)果和試驗結(jié)果的對比[18]。當荷載較小時,模型試驗得到的無量綱轉(zhuǎn)動中心位置呈現(xiàn)出較大的離散性,但隨著荷載的逐漸增大,轉(zhuǎn)動中心的位置逐漸趨于穩(wěn)定,其變化范圍為0.75L~0.85L。圖3所示的數(shù)值模擬結(jié)果顯示:在整個加載過程中無量綱轉(zhuǎn)動中心位置并沒有出現(xiàn)太大的離散性,其變化范圍為0.70L~0.75L。數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果[18]相比,無量綱轉(zhuǎn)動中心位置的聚集性更好,且總體變化規(guī)律與室內(nèi)模型試驗結(jié)果較為一致。以上分析表明:ABAQUS模擬的結(jié)果能正確反應(yīng)實際工況下的無量綱轉(zhuǎn)動中心變化規(guī)律。經(jīng)過上述分析可以得出:數(shù)值模擬的結(jié)果與Zhu等[18]試驗結(jié)果非常接近。因此,模擬靜力使用M-C本構(gòu)模型模擬土體,采用面-面接觸的土體/結(jié)構(gòu)接觸設(shè)置模擬土體/結(jié)構(gòu)之間的接觸行為具有相當?shù)目煽啃浴?/p>
圖2 荷載—位移曲線Fig.2 Load-displacement curves at loading point
圖3 無量綱轉(zhuǎn)動深度Fig.3 Locations of rotational centers
根據(jù)《風(fēng)電場工程技術(shù)標準:風(fēng)電機組地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)定(試行)》(FD 003—2007)和實際工程中對于風(fēng)機基礎(chǔ)泥面處轉(zhuǎn)角的控制,在樁頂部加載0.17 m水平位移,控制樁基礎(chǔ)在泥面處轉(zhuǎn)角在0.5°以內(nèi)[19]。為對比分析筒體對單樁基礎(chǔ)的加固效果,除樁-筒數(shù)值模型外,筆者還建立了大直徑單樁基礎(chǔ)模型,并在第三步分析結(jié)束以后,讀取樁身的水平位移、剪力和彎矩情況,并與樁-筒模型進行比較。
單樁基礎(chǔ)在水平荷載作用下,主要由3d~5d深度范圍內(nèi)的土體提供水平抗力[20],為此在該深度范圍內(nèi)設(shè)置筒體最為有效。計算中筒高選取為h=1d,2d,3d,筒徑選取為D=3d,4d,5d,對上述尺寸的樁-筒組合基礎(chǔ)進行建模,并通過位移加載控制樁基礎(chǔ)在泥面處轉(zhuǎn)角為0.5°,分析不同D和h下筒體對單樁基礎(chǔ)的加固效果。
表4給出了大直徑單樁和不同尺寸的樁-筒基礎(chǔ)的水平承載力。從表4可以得到:筒徑每增加1倍樁徑可以提升約49.07%的水平承載力,筒高每增加1倍樁徑可以提升約28.17%的水平承載力。經(jīng)過對比分析,增加筒徑的加固效果相較于增加筒高的效果高19%~23%。因此,在規(guī)范允許的變形條件下,筒體對單樁基礎(chǔ)有著很顯著的加固效果,筒徑D和筒高h是影響加固效果的兩大因素,相較于筒高,筒徑對樁-筒組合基礎(chǔ)水平承載力影響更大。
表4 承載力提升情況Table 4 The increment of bearing capacity
3.2.1 基礎(chǔ)水平位移規(guī)律
圖4為5種加載工況下單樁基礎(chǔ)與樁-筒組合基礎(chǔ)(D=18 m,h=12 m)水平位移沿深度的變化曲線。根據(jù)Poulos and Hull的判定標準[21]進行驗算,直徑d=6 m、厚徑比δ/d=1%的單樁為剛性樁。如圖4所示,單樁基礎(chǔ)的變形模式為典型的剛性單樁。單樁基礎(chǔ)在進行筒體加固后,基礎(chǔ)上部剛度有較為顯著的增加,在水平荷載作用下,基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)動中心明顯上移,整個樁-筒組合基礎(chǔ)的位移特征與剛性單樁的位移特征相似。
圖4 基礎(chǔ)水平位移Fig.4 Lateral displacement of the foundation
3.2.2 基礎(chǔ)土反力分布規(guī)律
樁-筒組合基礎(chǔ)的加固段在增加基礎(chǔ)剛度的同時,相應(yīng)也會承擔更大部分的水平土反力。圖5展示了5 種加載工況下單樁基礎(chǔ)與樁-筒組合基礎(chǔ)(D=18 m,h=12 m)土反力的分布情況。單樁基礎(chǔ)樁周土反力沿深度方向分布較為均勻,主要由2d深度以內(nèi)的樁周土提供土反力。樁-筒組合基礎(chǔ)與單樁基礎(chǔ)呈現(xiàn)明顯不同的情況,在相同的荷載條件下,筒體加固段的基礎(chǔ)承擔了絕大部分的土反力,基礎(chǔ)的其余部分承受的土反力相較于加固段明顯減小。結(jié)合3.2.1中的基礎(chǔ)水平位移規(guī)律可發(fā)現(xiàn):樁-筒組合基礎(chǔ)的土反力轉(zhuǎn)折點深度與單樁基礎(chǔ)明顯不同,單樁基礎(chǔ)的土反力轉(zhuǎn)折點深度與其轉(zhuǎn)動中心深度一致,樁-筒基礎(chǔ)土反力轉(zhuǎn)折點深度與筒體底端相同。
圖5 基礎(chǔ)土反力分布Fig.5 The soil reaction force distribution of the foundation
綜合上述分析可知:增加筒徑可以擴大基礎(chǔ)對樁周土的影響范圍,使得更多的淺層土體為基礎(chǔ)的水平承載力提升作貢獻;而增加筒高則不然,超過2d深度的樁周土對基礎(chǔ)水平承載力提升的作用本身就不大。因此,增加筒高對基礎(chǔ)水平承載力的提升效果遠不如增加筒徑。
表5給出2.25 m和3.75 m深度處大直徑單樁(d=6 m)及不同尺寸組合下的樁-筒基礎(chǔ)的水平極限土反力Pult,并將樁-筒基礎(chǔ)的水平極限土反力與單樁基礎(chǔ)進行對比。由表5可知:在淺層土體中,API規(guī)范低估了大直徑單樁的水平極限土反力;增加筒體加固形成樁-筒基礎(chǔ)后,水平極限土反力可提升7倍以上;在筒體加固的深度范圍內(nèi),增加筒體的高度會對某一深度處的水平極限土反力提升起到負作用。本節(jié)通過ABAQUS有限元模擬計算得到的樁-筒組合基礎(chǔ)不同深度處的p—y曲線。計算筒體加固段樁身受到的水平極限土反力,記錄于表6,可以看出樁-筒組合基礎(chǔ)加固段樁身受到的水平極限土反力隨深度增加而顯著提高。
表5 pult提升情況Table 5 The increment of pult
表6 樁側(cè)土體水平極限土反力Table 6 Lateral limit soil reaction
與此同時,為判斷樁徑d對筒體加固深度范圍內(nèi)p—y曲線的影響,建立厚徑比δ/d=1%,加固筒直徑D=18 m,高度h=12 m的有限元模型進行分析,可得到圖6所示樁-筒組合基礎(chǔ)加固段的p—y曲線。可圖6可知:在筒直徑和高度不變的情況下,樁徑的變化對樁-筒組合基礎(chǔ)加固段樁身受到的水平極限土反力影響甚微,而且隨深度增大影響明顯減小。因此,在修正p—y曲線時,暫不考慮筒高范圍內(nèi)樁徑影響。
圖6 樁-筒組合基礎(chǔ)p—y曲線圖Fig.6 p-y curve of pile-bucket combination foundation
由以上分析可知:樁-筒組合基礎(chǔ)的樁身位移、土反力分布以及p—y曲線的形式與單樁相似,在建立樁-筒組合基礎(chǔ)的p—y曲線時,可以根據(jù)API規(guī)范推薦的單樁p—y曲線進行修正。
API規(guī)范推薦的靜力作用下,黏土中的p—y曲線表達式為
(1)
式中:p為距離地表深度為z處,樁身受到的水平土反力,kN/m;pult為樁身沿深度方向單位長度上的水平極限土反力,kN/m;y為距離地表深度為z時,樁身的水平變位,m;y50為樁周土達到水平極限土反力一半時,對應(yīng)的樁身水平變位,m;ε50為原狀土樣的室內(nèi)三軸試驗中,豎向最大應(yīng)力的一半處發(fā)生應(yīng)變;d為計算寬度,單樁基礎(chǔ)中為樁的直徑,m。
靜力作用下的水平極限土反力值pult的計算式為
(2)
式中:Su為原狀土試樣的不排水抗剪強度,kPa;γ為土的重度,kN·m-3;zr為水平極限土反力轉(zhuǎn)折點深度,m;J為經(jīng)驗系數(shù),取0.25~0.35,一般在正常固結(jié)的黏土中取0.5。
由式(1,2)可知:pult,y50是建立樁-筒組合基礎(chǔ)p—y曲線的關(guān)鍵參數(shù)。參考胡燁之等[22]提到的大直徑加翼樁p—y曲線修正方法,對以上參數(shù)進行修正,即可得到樁-筒組合基礎(chǔ)的p—y曲線。
根據(jù)式(2)可知:土體深度小于zr時,樁身受到的水平極限土反力與不排水抗剪強度Su、土體重度γ、深度z以及計算寬度d相關(guān)。不排水抗剪強度反映了土體的強度特征,其值與深度z有關(guān)。由于3.2.1節(jié)已經(jīng)驗證,樁-筒組合基礎(chǔ)中的樁徑對p—y曲線加固段影響微小,在樁-筒組合基礎(chǔ)中計算寬度可以認為與筒徑相同。土體參數(shù)與計算寬度已知的情況下,API規(guī)范推薦曲線中水平極限土反力可以轉(zhuǎn)化為與深度z有關(guān)的一元函數(shù)。在式(2)中添加修正系數(shù)后可得
(3)
式中:ds為計算寬度;D為筒直徑,m。
錢家歡等[23]通過三軸壓縮試驗(UU,CU,CD)結(jié)合工程實踐的方式,發(fā)現(xiàn)限定應(yīng)力范圍內(nèi)使用M-C破壞理論計算巖土問題與實測結(jié)果較為符合。水平極限土反力轉(zhuǎn)折點以上土體應(yīng)力較小,可采用與深度呈現(xiàn)線性關(guān)系的抗剪強度計算公式,即
su=c+γztanφ
(4)
將式(4)代入式(3)可得
(5)
根據(jù)上文土反力分布結(jié)果,水平極限土反力轉(zhuǎn)折點位于筒體底端,同級荷載作用下,樁-筒組合基礎(chǔ)筒加固段范圍外土反力分布與單樁吻合較好[25]。因此,API規(guī)范中對于zr以下的pult計算公式仍可適用于樁-筒組合基礎(chǔ)。樁-筒組合基礎(chǔ)的zr即筒體底端所對應(yīng)的深度。
依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,使用最小二乘法求解式(5)中待定系數(shù)A,B,C,然后反解出e,f,g,并建立水平極限土反力轉(zhuǎn)折點深度以上的公式,即
(6)
修正后p—y曲線的水平極限土反力值與該文有限元模擬結(jié)果見圖7,可以發(fā)現(xiàn)修正后結(jié)果與有限元模擬結(jié)果擬合趨勢一致。
圖7 修正后的pult和y50Fig.7 Modified pult and y50
樁周土達到水平極限土反力一半時,對應(yīng)的樁身水平變位為y50,下文稱作樁身變位特征值。樁身變位特征值是p—y曲線的另一個重要參數(shù)。表7給出了不同樁-筒幾何尺寸下數(shù)值模擬得到的樁身變位特征值y50。由表7可知:樁身變位特征值與深度z存在線性關(guān)系,為此可引入一個與深度z相關(guān)的無量綱系數(shù)k,重新構(gòu)造y50,y50和k的計算式分別為
表7 樁體特征位移Table 7 Displacement of pile 單位:m
(7)
采用最小二乘法求解式(7)中待定系數(shù)m,n,得到y(tǒng)50修正后公式,即
y50=[0.030(z/h)+0.004]ds
(8)
式中h為筒高。
圖7給出了修正后的樁身變位特征值與數(shù)值模擬結(jié)果的對比,可發(fā)現(xiàn)二者較為吻合。
API規(guī)范中采用p/pult—y/y50無量綱曲線來反映描述樁土相互作用的p—y曲線,這種曲線形式能更加直觀地體現(xiàn)樁身土反力與樁身水平變位之間的關(guān)系。根據(jù)API規(guī)范所給出的計算公式對p/pult—y/y50進行修正是定量分析樁-筒組合基礎(chǔ)p—y曲線的有效途徑。
將式(1)移項并改寫系數(shù),可得
(9)
根據(jù)y50的定義以及數(shù)值逼近方法,求出待定系數(shù)a,b,得到適用于樁-筒組合基礎(chǔ)的p—y曲線計算公式,即
(10)
將有限元模擬得到的結(jié)果繪制成p/pult—y/y50曲線,如圖8所示。由圖8可知:樁-筒組合基礎(chǔ)的p/pult—y/y50曲線與API規(guī)范推薦曲線在未達到水平極限土反力之前都是典型的冪函數(shù)分布。有限元模擬結(jié)果與API規(guī)范完全吻合。API規(guī)范曲線達到水平極限土反力時,y/y50值遠大于有限元模擬結(jié)果,這導(dǎo)致API規(guī)范推薦曲線割線斜率與有限元模擬結(jié)果差距懸殊。
圖8 p/pult-y/y50曲線Fig.8 p/pult-y/y50 curve
采用修正后的p—y曲線公式,計算筒徑D=18 m的樁-筒組合基礎(chǔ)的pult與y50,繪制p/pult—y/y50曲線,并與有限元模擬結(jié)果進行對比,如圖9所示。由圖9可知:p—y曲線修正良好,基本能夠正確反映水平荷載作用下樁-筒組合基礎(chǔ)水平土反力與樁身水平變位的關(guān)系。
圖9 修正后p—y曲線Fig.9 Modified p-y curve
筆者采用數(shù)值模擬的方式建立了不同幾何尺寸下的樁-筒組合基礎(chǔ)模型,并通過與大直徑單樁基礎(chǔ)的對比,從水平承載力、土反力和位移分布等多個角度定量分析了筒體對大直徑單樁基礎(chǔ)的加固效果;通過修正土體極限土反力、樁身變位特征值,提出了適用于樁-筒組合基礎(chǔ)的p—y曲線,得到以下結(jié)論:1) 樁-筒組合基礎(chǔ)的內(nèi)力分布與單樁基礎(chǔ)規(guī)律一致;2) 筒體對樁體有顯著的加固效果,通過對基礎(chǔ)進行水平加載,可知筒體直徑D相較于筒體高度h對加固效果的影響更顯著;3) 樁-筒組合基礎(chǔ)能更有效地利用3d~5d深度范圍內(nèi)土體的水平土反力,從而提高基礎(chǔ)的水平承載能力;4) 在筒體加固范圍內(nèi),同一深度處樁-筒組合基礎(chǔ)水平極限土反力遠大于單樁基礎(chǔ),樁身變位特征值y50隨深度呈線性變化;5) 對樁-筒組合基礎(chǔ)p—y曲線表達式進行修正,得到樁-筒組合基礎(chǔ)的p—y曲線,其形式與API規(guī)范推薦的單樁基礎(chǔ)p—y曲線一致,均為典型的冪函數(shù)分布。