海上風(fēng)機變徑單樁基礎(chǔ)水平承載特性數(shù)值分析

郭健，王皓，駱光杰，朱洪澤，蘇凱,3,4*

(1.浙江華東工程咨詢有限公司，杭州 310014；2.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，武漢 430072；3.武漢大學(xué)水工巖石力學(xué)教育部重點實驗室，武漢 430072；4.武漢大學(xué)海綿城市建設(shè)水系統(tǒng)湖北省重點實驗室，武漢 430072)

隨著溫室效應(yīng)的加劇，風(fēng)能作為一種清潔能源，受到了越來越多的關(guān)注，發(fā)展風(fēng)電已經(jīng)成為中國可再生能源發(fā)展戰(zhàn)略中的重要環(huán)節(jié)[1]。海上風(fēng)機由于其特殊的地理位置，在服役期間常受到來自風(fēng)、洋流、波浪等多種荷載的作用，對基礎(chǔ)承載能力有較高要求。且由于海上的惡劣施工環(huán)境，海上風(fēng)機投資成本遠(yuǎn)大于陸上風(fēng)機，其中基礎(chǔ)安裝費用就可占總成本的15%～30%[2]。因此海上風(fēng)機在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的選型以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面便有更加嚴(yán)格的要求。單樁基礎(chǔ)由于結(jié)構(gòu)簡單且施工速度較快的優(yōu)點，在海上風(fēng)電場中得到了廣泛應(yīng)用，具有廣闊開發(fā)與利用前景。一般情況下，海上風(fēng)機樁基礎(chǔ)設(shè)計主要由基礎(chǔ)水平向承載力和變形控制，風(fēng)機樁基礎(chǔ)的水平承載性能是研究的重點[3-4]。

目前對樁體水平承載能力計算最廣泛的方法為載荷-位移(p-y)曲線法，該方法通過極限地基反力法與彈性地基反力法，對樁土間相互作用進(jìn)行模擬與計算。但有研究表明在大直徑單樁基礎(chǔ)計算時，p-y曲線法的結(jié)果存在較大誤差[5-6]，Achmus等[7]通過對單樁基礎(chǔ)在水平荷載作用下的模擬得出的荷載-位移曲線，對比p-y曲線法計算結(jié)果，建議在大樁徑條件下盡量使用數(shù)值模擬進(jìn)行計算；吳同坤等[8]通過模型試驗研究了水平荷載作用下高樁基礎(chǔ)的承載特性，并采用數(shù)值方法研究了影響高樁基礎(chǔ)水平承載特性的主要因素；張浦陽等[9]研究了嵌巖樁基礎(chǔ)的水平承載特性，提出了承受水平荷載下的嵌巖樁最佳嵌巖深度；潘晨晨等[10]、Templeton[11]利用ABAQUS研究了不同因素對單樁水平承載性能的影響，并開展了室內(nèi)試驗，證明了數(shù)值模擬的可靠性。

隨著投入使用的風(fēng)電裝機量增大，傳統(tǒng)的單樁形式承載性能難以滿足承載要求，孔德森等[12]通過數(shù)值模擬方法研究了海上風(fēng)機復(fù)合樁基礎(chǔ)水平承載能力，對比分析了復(fù)合樁基礎(chǔ)的承載性能優(yōu)勢；丁紅巖等[13]通過數(shù)值模擬方法研究了單樁與導(dǎo)管架相結(jié)合的基礎(chǔ)形式，可以有效提單樁的水平承載能力；但新型單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，施工安裝難度較大，樁身變徑措施較為簡單，常將變徑段設(shè)于海平面1 m以下，可有效減小水平荷載作用；唐娜等[14]對比了變徑獨立樁與通長樁的水平承載力，驗證了變徑措施的有效性。

然而，現(xiàn)有研究成果中尚未對變徑樁結(jié)構(gòu)的水平承載能力進(jìn)行深入研究，實際設(shè)計中常依據(jù)工程經(jīng)驗對變徑樁進(jìn)行設(shè)計，也未進(jìn)行系統(tǒng)比較。鑒于此，現(xiàn)基于ABAQUS建立深厚砂土地質(zhì)下的變徑樁模型，并研究變徑樁尺寸參數(shù)對水平承載特性的影響和優(yōu)化措施，希望通過研究為后續(xù)海上風(fēng)機單樁基礎(chǔ)設(shè)計提供理論指導(dǎo)。

1 工程背景及有限元模型建立

1.1 工程背景

參考江蘇某海上風(fēng)電場工程，工程布置100臺單機容量4 MW風(fēng)力發(fā)電機組，風(fēng)機基礎(chǔ)采用單樁基礎(chǔ)形式。風(fēng)電場海域地質(zhì)屬黃海濱海相沉積地貌單元，根據(jù)1985國家高程基準(zhǔn)，海底泥面高程在-18.6～0 m。地質(zhì)勘測得到風(fēng)電場地基土物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示，地基持力層為⑥-3中砂土層。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)表

1.2 有限元數(shù)值計算模型

對變徑樁模型進(jìn)行適當(dāng)簡化，其結(jié)構(gòu)示意如圖1(a)所示。根據(jù)工程資料，樁頂直徑DT=6.0 m，樁底直徑DB=6.5 m，上部高度H1=22 m，變徑段長度H2=15 m，總樁長H=84 m，樁基埋深55 m，以此鋼管樁作為典型樁進(jìn)行研究。

利用ABAQUS建立變徑單樁基礎(chǔ)三維有限元模型，模型采用笛卡爾坐標(biāo)系，考慮邊界條件影響，土體徑向模型取20倍單樁底部直徑長度，土層計算厚度取2倍基礎(chǔ)埋深[15]。采用C3D8R三維8節(jié)點縮減積分六面體單元對樁體和土體進(jìn)行劃分，樁體網(wǎng)格尺寸為1 m，土體網(wǎng)格方面，劃分密度沿徑向變化，靠近樁體部分土地網(wǎng)格尺寸為0.75 m，網(wǎng)格劃分后如圖1(b)所示。

DT、DB分別為樁頂和樁底直徑，由于樁基頂部與塔筒連接，一般情況下頂部直徑不做改變；H1、H2和H分別為單樁上部長度、過渡段長度以及樁基總長度

1.3 模型設(shè)置與材料參數(shù)

地基土模型底部采用全約束，側(cè)面采用徑向約束，頂部為自由面，土體采用Mohr-Coulomb模型。鋼管樁材料為Q355鋼材，密度為7 850 kg/m3，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3。通過樁土表面屬性定義面面接觸，采用主-從接觸算法，設(shè)置樁體為主面，土體為從面，切向采用Coulomb摩擦模型，法向采用硬接觸，摩擦因數(shù)取u=tan(0.75φ)，其中φ為土體內(nèi)摩擦角[16]。

采用位移加載法模擬水平荷載，通過在樁頂設(shè)置耦合點，對耦合點定義位移約束，輸出耦合點反力得出單樁的荷載-位移曲線，為進(jìn)行各因素承載性能比較，本文取樁頂水平位移量0.5 m。以樁頂水平位移S=0.05DB為控制標(biāo)準(zhǔn)，作為樁頂水平變形的極限狀態(tài)，對應(yīng)的樁頂荷載即為樁的極限水平承載力[17]。

2 計算結(jié)果分析

綜合樁身水平位移與樁身彎矩分布可以判斷單樁基礎(chǔ)的水平承載能力與穩(wěn)定性，因此對通長樁以及變徑單樁施加0～0.5 m水平位移荷載，得到兩類型單樁荷載-位移變化曲線如圖2所示。并根據(jù)荷載位移對應(yīng)關(guān)系獲取相同水平荷載作用下兩類型樁體沿樁體埋深的位移與彎矩分布，取水平荷載值為2、6、10 MN，得出樁身位移對比如圖3所示，樁身彎矩對比如圖4所示。根據(jù)荷載-位移曲線，可以看出通長樁與變徑樁基礎(chǔ)樁頂位移與荷載變化趨勢大致相同，均為緩變型，在初始階段基本為直線，隨后曲線斜率逐漸減小，無明顯轉(zhuǎn)折點。

圖2 通長樁與變徑樁荷載-位移曲線

這是由于在初始變形階段樁周土體發(fā)生彈性變形，隨著荷載增加，部分樁周土體發(fā)生塑性變形，隨變形產(chǎn)生的反力增量逐漸減小。變徑樁荷載-位移曲線斜率整體大于通長樁，在兩類型樁基樁頂受到0.5 m位移荷載時，變徑樁樁頂反力較通長樁增加了1.2 MN，約增加12%。從圖3可以看出，變徑樁基礎(chǔ)樁身位移變化趨勢與通長樁基礎(chǔ)大體相似，均在樁高約26 m(埋深29 m)處出現(xiàn)正向位移，在樁頂處，兩類型樁基位移差別最大。詳細(xì)位移差別如表2所示，可以看出相對于通長樁，變徑單樁基礎(chǔ)在同級荷載作用下位移均有較為明顯減小，減小率為11%左右，因此，采用樁身變徑措施，能有效減小單樁受水平荷載作用下的樁身位移，且減小比例自泥面到樁頂處基本保持一致。

表2 分級荷載下變徑樁與通長樁位移對比

圖3 通長樁與變徑樁樁身位移曲線

由圖4可知，變徑樁與通長樁在受水平荷載作用下，其樁身彎矩分布與變化規(guī)律大致相同，最大彎矩均出現(xiàn)在樁高約47 m(埋深8 m)處。在2 MN水平荷載作用下，相較于通長樁，變徑樁樁身最大彎矩減小量約為5.6 MN·m，減小率約為8.07%，此后再隨著水平荷載增大，樁身彎矩最大值無明顯變化。采用變徑措施不改變樁身彎矩分布情況，但可小幅度減小樁身彎矩幅值。

圖4 通長樁與變徑樁樁身彎矩分布曲線

總體而言，采用樁身變徑措施可以有效減小樁身位移與提高基礎(chǔ)承載能力，相較于通長樁，變徑樁具有更好的水平承載能力。

3 水平承載特性影響因素分析

3.1 底部樁徑影響

為研究樁徑與壁厚對樁體水平承載力的影響，在保證變徑段位位置、長度以及整體用鋼量相同的條件下，采用以下不同樁徑與壁厚的單樁基礎(chǔ)進(jìn)行計算，參數(shù)如表3所示。其中3號樁為參考典型樁型。

表3 不同樁徑的樁體尺寸

圖5為樁號1、3、5、7的單樁，在樁頂施加相同水平位移荷載下的基礎(chǔ)荷載-位移曲線，可以看出，在6.0～7.5 m樁徑范圍內(nèi)，樁的承載性能是遞增的。由圖6可知，變徑樁的水平承載力隨底部樁徑的增大而逐漸增大，基本呈線性增長的趨勢。對比6 m樁徑的通長樁，7.5 m底部樁徑的變徑樁水平極限承載力了約53%。樁徑增大能夠顯著提高變徑樁的水平承載能力。

圖5 不同底部樁徑下單樁荷載-位移曲線

圖6 單樁極限水平承載力隨樁徑的變化曲線

根據(jù)荷載位移對應(yīng)關(guān)系獲取相同水平荷載作用下兩類型樁體沿樁體埋深的位移分布，取水平荷載值為10 MN，得出在同級荷載下樁身位移對比如圖7所示，可以看出，隨著底部樁徑增大，樁身整體位移均有所減小，其關(guān)鍵部位位移變化如圖8所示，隨底部樁徑增大，樁頂位移逐漸減小，其位移值逐漸趨向一穩(wěn)定值；泥面處位移整體來看逐漸減小，但在較小直徑范圍內(nèi)，增大底部直徑，泥面處位移有所增大。因此在變徑單樁的實際設(shè)計中，仍需要結(jié)合壁厚以及樁身位移等因素綜合確定合適的樁徑大小。

圖7 不同底部樁徑下樁身位移曲線圖

圖8 不同底部樁徑下樁身關(guān)鍵部位位移變化曲線

3.2 變徑段埋深影響

以3號樁為基礎(chǔ)，僅改變變徑段埋深，使得變徑段完全脫出泥面至沒入泥面，各變徑段埋深方案如表4所示。

表4 不同變徑段埋深的樁體尺寸

其數(shù)值計算結(jié)果如下，圖9為不同變徑段埋深下樁體荷載-位移曲線，可以看出樁基在水平荷載下的位移變化規(guī)律無明顯變化，表明變徑段高度變化對樁土變化規(guī)律沒有影響。圖10為樁體極限水平承載力隨變徑段埋深高度變化情況，隨著變徑段埋深增加單樁水平承載力逐漸降低，相比于0 m埋深，15 m埋深下水平承載力降低約0.40 MN，降低率約為5%。這是由于變徑段位置在樁體中整體下移減小了單樁整體剛度，并且下部大直徑樁段長度降低，也會減弱砂土對樁體的嵌固效果。在7.5～10 m的埋深內(nèi)，水平承載力未有明顯降低，在其他埋深范圍內(nèi)，水平承載力基本呈線性變化。

圖9 不同變徑段埋深下的荷載-位移曲線

圖10 單樁極限水平承載力隨變徑段埋深的變化曲線

除研究樁基承載力大小變化規(guī)律，也應(yīng)對樁身泥面及以下位移進(jìn)行考慮，由于各樁號下樁體位移變化規(guī)律基本一致，因此僅對在樁頂施加0.5 m位移荷載作用下，變徑段埋深高度為0 m與15 m的樁身泥面下變形分布如圖11所示，其變化規(guī)律基基本沒有改變，且隨著變徑段埋深增大，樁身泥面處位移有所減小，相對比零埋深，15 m埋深下泥面處位移減小了約21.0 mm，減小率約為12.47%。因此，對于變徑單樁變徑段埋深高度選取，應(yīng)綜合樁體水平承載力、用鋼量以及泥面下樁身位移等因素進(jìn)行確定。

圖11 樁體水平位移曲線

3.3 變徑段長度影響

以樁號3為基準(zhǔn)，保持其他條件不變，改變變徑段長度，其具體尺寸參數(shù)與編號如表5所示。

表5 不同變徑段長度的樁體尺寸

計算得到不同變徑段長度變徑單樁基礎(chǔ)的水平極限承載力與泥面下樁身位移分布，如圖12、圖13所示。在相同樁頂位移條件下，隨著變徑段長度增大，變徑單樁極限水平承載能力小幅度減小。其中變徑段長度為25 m下的單樁水平承載能力最小，為7.39 MN，相較于變徑段為5 m的單樁僅減少約0.05 MN；泥面下樁身位移方面，其分布與變化規(guī)律未發(fā)生改變，對比5 m與25 m變徑段長度下泥面樁身位移，變徑段25 m的變徑樁泥面位移增大約0.82 mm?？梢钥闯龈淖冏儚蕉伍L度對單樁水平承載力及樁身變形幾乎沒有影響，對比計算結(jié)果可知：增大變徑段長度對樁身承載力的提升十分有限。

圖12 單樁極限水平承載力隨變徑段長度的變化曲線

圖13 樁體水平位移曲線

4 結(jié)論

通過數(shù)值模擬方法，對比分析了海上風(fēng)機變徑單樁基礎(chǔ)相較于通長樁基礎(chǔ)的承載力優(yōu)勢，并進(jìn)一步分析了變徑樁變徑段尺寸參數(shù)對變徑樁基礎(chǔ)承載能力的影響，得出如下主要結(jié)論。

(1)在相同水平位移荷載作用下，變徑樁樁頂水平反力明顯大于通長樁，其水平極限承載力也大于通長樁；在相同水平荷載作用下，相較于通長樁，變徑樁基礎(chǔ)樁身位移有較為顯著的減小，最大彎矩方面有較小幅度減小?？傮w而言變徑樁基礎(chǔ)具有更好的承載能力與穩(wěn)定性。

(2)變徑段直徑改變對樁基承載能力有較大影響。隨著底部樁徑的增大，單樁基礎(chǔ)的水平極限承載力逐漸增大，其增大趨勢基本呈線性；在相同荷載作用下樁身關(guān)鍵位移隨樁徑增大有明顯減小，但隨樁徑變化幅度逐漸減小。

(3)變徑段埋深改變也對樁基承載能力有較為明顯的影響。隨著埋深增大，樁身泥面處及以下位移有所減小，樁基極限水平承載力逐漸減小。

(4)變徑段長度對于變徑樁承載能力影響較小。隨著變徑段長度增加，變徑樁水平承載力逐漸減小，樁身泥面及以下位移逐漸增大，但其變化趨勢較小，改變變徑樁長度對樁身承載能力提升與優(yōu)化作用有限。