基于現(xiàn)場試樁的海上風電場嵌巖樁基承載力分析研究

熊文亮

(福建永福電力設計股份有限公司，福建 福州 350108)

0 引言

隨著國家“30·60”戰(zhàn)略目標的制定，我國海上風電進入了規(guī)模化建設階段。根據(jù)全球風能委員會GWEC發(fā)布的最新數(shù)據(jù)，2020年全球海上風電新增裝機容量6.067GW，其中，中國新增容量超過3GW，占全球新增一半以上。但隨著2022年財政補貼的全面告別，我國海上風電行業(yè)正式進入了平價時代，淺灘及近海的開發(fā)為平價提供可能。福建海域地質(zhì)條件極為復雜，特別是近海多為巖基海床，其覆蓋層厚度及組成變化大，基巖埋深及風化程度變化大。目前國內(nèi)已建和在建的風機嵌巖基礎的工程經(jīng)驗較少。

樁基承載特力的研究方法主要有試驗法、理論分析方法、有限元法[1]。其中試驗分為原型試驗和小模型試驗，目前國內(nèi)已有完成的海上嵌巖樁試樁工程。理論分析法有p-y曲線法及m法等，是目前最常用的計算水平荷載作用下樁體荷載傳遞特性的方法，其中p-y曲線法對非巖石土能較好地反映樁土共同作用的變形特性，且考慮了土體非線性效應，很多學者對其進行了研究，但不適用于巖石地基[2]。有限元法是隨著電子計算機的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計算方法。本文將福建海域嵌巖試樁工程的試驗數(shù)據(jù)與有限元模型計算進行比較，對福建海域海上嵌巖基礎承載特性開展研究，目前，對于土體地基中的基礎和豎向承載嵌巖樁已有較多的研究，而在嵌巖樁水平承載力方面的試驗和研究仍有較多不足，根據(jù)工程經(jīng)驗及已有的相關研究成果，本文提出一種符合工程設計的地基反力法計算方法。

1 嵌巖試樁工程概況

1.1 工程概況

1.2 地質(zhì)概況

場區(qū)地層上部主要為海積堆積的淤泥、淤泥質(zhì)黏土、粉細砂、中粗砂、粉質(zhì)粘土等構(gòu)成，下伏基巖巖性主要為花崗巖。試驗區(qū)主要巖土層物理力學參數(shù)見表1。

表1 巖土層物理力學性能指標建議值

2 有限元模型

樁—土相互作用分析設計采用通用巖土有限元計算軟件PLAXIS 3D，用于巖土中樁—土作用分析計算，樁—土作用采用程序中的界面單元進行模擬，有限元模型如圖1所示，建模時樁土相關參數(shù)見表2～表3，對于程序中界面單元，選擇強度折減系數(shù)Rinter為主要的界面參數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗，砂土Rinter取值為0.65～0.8，粘性土Rinter取值為0.5～0.8，淤泥質(zhì)土及淤泥Rinter取值1.0[3]。

圖1 樁—土相互作用有限元模型

表2 有限元建模主體結(jié)構(gòu)參數(shù)

表3 有限元建模土體參數(shù)

3 地基反力法計算方法

在水平荷載作用下，基巖中的樁身在水平向變形非常小，適宜選用m法進行計算；對于非巖石土，p-y法已在工程實踐中得到大量運用及驗證，因此，針對覆蓋層，本文采用p-y法進行計算。

①當?shù)鼗翆訛轲ね習r，土體p-y曲線計算公式如下[4]：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，γ為土的有效重度(kN/m3)；J為經(jīng)驗系數(shù)，取值范圍為0.25～0.50，其中正常固結(jié)軟黏土建議取0.50；D為樁徑或樁的寬度(m)；cu為未擾動黏土土樣的不排水抗剪強度(kPa)；p為泥面以下X深度處作用于單位長度樁上的水平土抗力標準值(kN/m)；pu為泥面以下X深度處單位長度樁側(cè)極限水平土抗力標準值(kN/m)；y為泥面以下X深度處樁側(cè)面水平變形(mm)；yc為樁周土達極限水平土抗力之半時，相應樁的側(cè)向水平變形(mm)；X為泥面以下樁的任一深度(m)；XR為極限水平土抗力轉(zhuǎn)折點的深度(m)。

②當?shù)鼗翆訛樯巴習r，土體p-y曲線計算公式如下[4]：

pus=(C1X+C2D)γX

(5)

pud=C3·D·γ·X

(6)

(7)

(8)

C3=Ka[(tanβ)8-1]+K0tanφ′(tanβ)4

(9)

(10)

(11)

K0=0.4

(12)

(13)

(14)

式中，γ為土的有效重度(kN/m3)；pus為淺層土的單位樁長的極限水平土抗力標準值(kN/m)；pud為深層土的單位樁長的極限水平土抗力標準值(kN/m)；X為泥面以下樁的任一深度(m)；XR為淺層土與深層土分界線深度(m)通過聯(lián)立求解式(5)與式(6)計算得到；φ′為砂土內(nèi)摩擦角(°)；K為地基反力初始模量(MN/m3)，與內(nèi)摩擦角存在相關關系，可按表4確定；y為泥面以下X深度處樁側(cè)面水平變形(mm)。

表4 K取值

③當?shù)鼗翆訛閹r石時，土體m曲線計算公式如下[5]：

當時，中山先生經(jīng)過旅途的輾轉(zhuǎn)周折，所帶的費用已分文不剩了，眼看著連一口面包都吃不上。于是，一些熱心的留學生便慷慨解囊，你湊一點，我湊一點，湊了三四十個英鎊送給中山先生，以暫時維持他的基本生活。不料三天之后，大伙兒再去看望他時，卻見他已將這些錢買了一大堆新書。一見面，中山先生便津津有味地指著書告訴眾人說，這是什么書，那是什么書，這本書怎樣怎樣好，那本書又如何如何重要。眾人見此情景，一個個不禁目瞪口呆，有的為中山先生的好學精神所驚駭，也有的抱怨他不該將吃面包的錢拿來買了書。

樁的計算寬度可按下式計算：

(15)

式中，b1為樁的計算寬度(m)，b1≤2d；d為樁徑或垂直于水平外力作用方向樁的寬度(m)；kf為樁形狀換算系數(shù)，視水平力作用面(垂直于水平力作用方向)而定，圓形或圓端截面kf=0.9；矩形截面kf=1.0；k為平行于水平力作用方向的樁間相互影響系數(shù)。

巖石地基抗力系數(shù)不隨巖層埋深變化，C0可按表5采用或通過試驗確定。

表5 巖石地基抗力系數(shù)C0

4 逐級荷載作用下樁的承載力特性分析

根據(jù)平海灣試樁工程數(shù)據(jù)進行數(shù)值模擬，有限元建模詳見上文，加載方式同試樁方案采用分級加載。

4.1 有限元計算結(jié)果

①軸向壓力荷載作用下各級荷載豎向位移圖如圖2～圖4所示。

圖2 壓力4800kN豎向位移圖

圖3 壓力12000kN豎向位移圖

圖4 壓力24000kN豎向位移圖

②軸向拔力荷載作用下各級荷載豎向位移圖如圖5～圖7所示。

圖5 拔力1760kN豎向位移圖

圖6 拔力7040kN豎向位移圖

圖7 拔力13200kN豎向位移圖

③水平力荷載作用下各級荷載水平位移圖如圖8～圖10所示。

圖8 水平力148kN水平位移圖

圖9 水平力444kN水平位移圖

圖10 水平力962kN水平位移圖

由圖2～圖4可知，豎向壓力分級荷載作用下，樁土影響范圍逐漸擴大，影響范圍隨著樁身呈倒錐型，當壓力荷載為24000kN時，土體最大豎向變形為7.6mm。由圖5～圖7可知，豎向拔力分級荷載作用下，樁土變形情況與抗壓試驗工況相似，當荷載為13200kN時，土體最大豎向變形為4.25mm。由圖8～圖10可知，水平力分級荷載作用下，樁土影響范圍逐漸擴大，且基本為非巖石土發(fā)生變形，巖石層基本未變形，當荷載為962kN時，土體最大水平變形為246mm。以上工況發(fā)生最大變形位置均在泥面附近土層。

4.2 試樁結(jié)果、有限元計算結(jié)果及本文計算方法對比分析

①垂直向下荷載作用下的試樁沉降量如圖11所示，抗壓計算結(jié)果和誤差見表6。

圖11 壓荷載—位移曲線

表6 抗壓計算結(jié)果對比

②垂直向上荷載作用下的試樁位移如圖12所示，抗拔計算結(jié)果和誤差見表7。

圖12 拔荷載—位移曲線

表7 抗拔計算結(jié)果對比

③水平荷載作用下的試樁位移如圖13所示，抗拔計算結(jié)果和誤差見表8。

圖13 水平荷載—位移曲線

表8 水平荷載計算結(jié)果對比

由圖11～圖12可知，在分級加載作用下，數(shù)值模擬計算結(jié)果與試驗結(jié)果位移隨荷載增大而增大；在壓荷載下，數(shù)值模擬及試驗荷載—位移曲線基本呈現(xiàn)出線性增長，而試驗結(jié)果位移隨荷載增大速率大于數(shù)值模擬方法的位移增大速率；試驗結(jié)果在拔荷載下，位移增大，速率逐漸增大。由表6和表7可知，試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果誤差范圍呈現(xiàn)波動性變化，誤差均在23%以內(nèi)。

由圖13可知，在水平分級加載作用下，數(shù)值模擬的計算結(jié)果、本文計算方法結(jié)果與試驗結(jié)果位移隨荷載增大而增大，其中本文計算方法的結(jié)果呈線性增長，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果位移增長均呈非線性增長，且試驗結(jié)果在后幾級加載中位移增長速率逐漸增大。由表8可知，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果誤差均在20%以內(nèi)，本文計算方法與試驗結(jié)果在前幾級誤差較大，但隨著荷載加大，與試驗結(jié)果更加接近。

綜合而言，數(shù)值模擬方法與試驗結(jié)果較為接近，特別是在前幾級加載中，兩者的位移更加接近，而隨著荷載增大，試驗的位移增速較大；在水平荷載作用下，本文計算方法與試驗結(jié)果相比，呈現(xiàn)出后幾級加載位移較為接近，而隨著荷載增大，試驗的位移增速最大，其次是本文計算方法，最后是數(shù)值模擬方法。

5 結(jié)論

數(shù)值模擬方法與試樁結(jié)果較為接近，其中本文地基反力法計算方法中巖石水平承載力采用了m法，因此荷載—位移基本呈線性增長。與試驗相比，數(shù)值模擬隨著荷載增加，位移計算結(jié)果均小于試驗結(jié)果，即數(shù)值模擬方法對于本試樁工程而言偏于危險，而本文計算方法隨著荷載增加，位移計算結(jié)果均大于試樁結(jié)果，即本文地基反力法計算方法對于本試樁工程而言偏于安全一些，可以滿足工程需要。

因此，利用工程地質(zhì)參數(shù)無論是數(shù)值模擬還是本文地基反力法計算方法均無法非常準確的還原試樁結(jié)果，主要原因為無法準確考慮巖土天然存在缺陷的影響，例如巖土土質(zhì)不均勻性、巖石裂隙節(jié)理等缺陷的影響。因此，在計算嵌巖樁基承載力時，應結(jié)合當?shù)毓こ探?jīng)驗或試樁結(jié)果，對巖土參數(shù)進行相應的修正，特別是在利用本文地基反力法計算方法計算水平承載力時，應與數(shù)值模擬方法相互對比，綜合分析得到一個安全、可靠的嵌巖樁基承載力。