海上風(fēng)電鋼管復(fù)合嵌巖樁設(shè)計(jì)要素研究

石玉琪，樂(lè)治濟(jì)

(上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200335)

鋼管復(fù)合嵌巖樁是一種以薄壁鋼管包裹核心混凝土共同作用的復(fù)合樁體[1]。在海上風(fēng)電工程中，樁基礎(chǔ)往往受到潮位、波浪、表層流塑性土等不利條件的影響，而鋼管復(fù)合嵌巖樁的鋼管樁結(jié)構(gòu)可以兼做護(hù)筒保證樁內(nèi)水頭和泥漿環(huán)境的穩(wěn)定，因此在海洋工程中得到了越來(lái)越廣泛的運(yùn)用。

目前，有較多學(xué)者對(duì)鋼管復(fù)合樁的承載性能進(jìn)行了研究。孟凡超[2]等人針對(duì)港珠澳大橋地層和基礎(chǔ)特點(diǎn)，通過(guò)一系列室外試驗(yàn)，完善了鋼管復(fù)合樁剛度和承載能力的理論計(jì)算方法。并指出復(fù)合樁橫向極限承載力應(yīng)由樁頂允許位移標(biāo)準(zhǔn)控制。馮忠居[3]等通過(guò)開(kāi)展離心模型試驗(yàn)，分析了鋼管埋深和擠土區(qū)土體模量對(duì)復(fù)合樁豎向承載特性的影響。魏綱[4]等通過(guò)魚(yú)山大橋自平衡試樁試驗(yàn)得到的Q-s曲線對(duì)ABAQUS模型進(jìn)行修正，分析了復(fù)合樁樁身軸力傳遞規(guī)律和樁身變截面位置對(duì)豎向承載性能的影響。王功博[5]通過(guò)數(shù)值分析和模型驗(yàn)證開(kāi)展了大直徑鋼管復(fù)合樁豎向粘結(jié)滑移性能的研究。

綜上所述，現(xiàn)階段對(duì)于鋼管復(fù)合樁的室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬主要集中于軸向承載性能的研究?？蓞⒖嫉默F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)較少并且鮮有對(duì)復(fù)合樁結(jié)構(gòu)水平承載性能的研究。海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)作為一種高聳的懸臂式結(jié)構(gòu)，在ULS和FLS一類大變形問(wèn)題中主要受大傾覆彎矩和水平力作用，樁基礎(chǔ)尤其是在非群樁結(jié)構(gòu)中總體上更為關(guān)注水平承載性能。本文將通過(guò)已有的現(xiàn)場(chǎng)水平推力試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到H-Y曲線和樁身測(cè)斜曲線驗(yàn)證PLAXIS建立的樁土模型。并進(jìn)行水平荷載作用下的復(fù)合樁破壞模式分析和長(zhǎng)徑比、鋼管樁占比、嵌巖比、樁身剛度、GSI等單一變量的影響效應(yīng)研究。以有針對(duì)性的極限海上風(fēng)電鋼管復(fù)合嵌巖樁設(shè)計(jì)，減少設(shè)計(jì)冗余。

1 現(xiàn)場(chǎng)水平推力試驗(yàn)

水平推力試驗(yàn)采用自制反力架系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)。利用試樁位附近的風(fēng)機(jī)位承臺(tái)提供加載反力，在千斤頂與樁體之間設(shè)置球鉸座以保證荷載垂直于試樁軸線。

圖1 反力架系統(tǒng)圖

試驗(yàn)鋼管樁直徑2.0 m，壁厚27 mm，樁長(zhǎng)65.5 m。灌注樁直徑1.7 m，進(jìn)入鋼管樁深度為14.5 m，嵌巖深度4.3 m。加載采用分級(jí)單向單循環(huán)的方式，設(shè)計(jì)水平加載值600 kN，每級(jí)加載值為預(yù)估水平荷載的1/10，加載過(guò)程保持荷載連續(xù)平穩(wěn)無(wú)沖擊、無(wú)超載。實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中加載力達(dá)到900 kN，根據(jù)每級(jí)荷載的水平位移傳感器測(cè)讀結(jié)果，匯總泥面H-Y曲線如圖2。

圖2 泥面點(diǎn)H-Y曲線

通過(guò)預(yù)埋測(cè)斜管對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中的樁身?yè)锨M(jìn)行測(cè)試。實(shí)測(cè)的樁身?yè)隙惹€見(jiàn)圖3。

圖3 試樁測(cè)斜曲線

2 有限元模型

在巖土有限元軟件PLAXIS中進(jìn)行樁土模型的建立。模型尺寸為60 m×60 m×80 m。由于復(fù)合樁樁長(zhǎng)普遍較長(zhǎng)，樁底區(qū)域土體大部處于小應(yīng)變區(qū)，為考慮土體剛度的應(yīng)變相關(guān)性，覆蓋層均采用HSS小應(yīng)變本構(gòu)。灌注樁選用混凝土本構(gòu)，巖體為霍克-布朗模型。樁體采用3D板單元，網(wǎng)格采用10節(jié)點(diǎn)四面體單元，樁周區(qū)域網(wǎng)格加密，同時(shí)在樁土間布置界面單元以模擬接觸行為。整體模型和復(fù)合樁模擬見(jiàn)圖4和圖5。

圖4 樁土整體模型圖

圖5 復(fù)合樁模型圖

在有限元模型中進(jìn)行加卸載過(guò)程的模擬，參數(shù)取值和調(diào)整方法參考材料模型手冊(cè)以及謝東武[6]、楊同帥[7]、董學(xué)超[8]等人對(duì)小應(yīng)變模型參數(shù)的優(yōu)化及敏感性分析研究結(jié)論。樁土模型中最終確定的土層參數(shù)如表1所示。

表1 土層參數(shù)表

圖6是有限元模型和試樁試驗(yàn)的H-Y曲線，加卸載曲線總體擬合較好，最大偏差處出現(xiàn)在加載力H=900 kN處，相差10.6%。如圖7所示，設(shè)計(jì)水平推力H=600 kN時(shí)的兩條H-Y曲線基本吻合，最大偏差4.1%。說(shuō)明樁土模型的邊界條件、約束模式及各層土參數(shù)的選擇都是較可靠的。

圖6 有限元模型和試樁的H-Y曲線

圖7 有限元模型和試樁的測(cè)斜曲線

3 水平失效機(jī)理

參考上節(jié)的數(shù)值模型進(jìn)行破壞分析，進(jìn)一步分析復(fù)合樁在水平荷載作用下的位移場(chǎng)和塑性區(qū)發(fā)展。如圖8所示，水平力作用下塑性區(qū)首先出現(xiàn)在泥面附近主被動(dòng)土壓力區(qū)以及樁底受力側(cè)。隨著荷載的加大，泥面附近塑性區(qū)向下延伸，樁底受力反側(cè)也出現(xiàn)了塑性區(qū)。最終失效狀態(tài)時(shí)，整個(gè)樁側(cè)和樁底塑性區(qū)貫通。

圖8 水平荷載作用下塑性區(qū)發(fā)展情況圖

總體上，由于復(fù)合樁結(jié)構(gòu)剛度較大，基巖層約束作用強(qiáng)，樁身未出現(xiàn)與加荷方向相反的負(fù)向位移，樁身彎矩也未出現(xiàn)第二反彎點(diǎn)。參考Poulos[9]，李森[10]的定義描述，鋼管復(fù)合嵌巖樁表現(xiàn)出的性狀更類似于半剛性樁。

4 斂散性和敏感性研究

由于脫離了傳統(tǒng)的陸域施工且海況多變，海上風(fēng)電鋼管樁沉樁作業(yè)和灌注樁成孔灌注作業(yè)都對(duì)船機(jī)設(shè)備、施工窗口等提出了極高的要求。設(shè)計(jì)參數(shù)的變化會(huì)對(duì)項(xiàng)目成本投入、工藝機(jī)具、施工工期產(chǎn)生根源性的影響。在提倡降本增效的時(shí)代，越來(lái)越有必要對(duì)樁基礎(chǔ)進(jìn)行精細(xì)有效的設(shè)計(jì)。因此本節(jié)采用與上文相同的數(shù)值模型進(jìn)行單一變量研究，探明鋼管復(fù)合嵌巖樁結(jié)構(gòu)參數(shù)鋼管樁占比、嵌巖比、徑深比和強(qiáng)度參數(shù)GSI、樁身強(qiáng)度對(duì)水平承載性能的影響，歸納各參數(shù)的邊界效應(yīng)。

在進(jìn)行敏感性分析時(shí)，參考文獻(xiàn)[11]建立系統(tǒng)特性與因素之間的函數(shù)關(guān)系：

P=f{α1…αk…αn}=φαk

(1)

參數(shù)αk對(duì)特性P的影響時(shí)，可令其余參數(shù)取基準(zhǔn)值且固定不變，而令參數(shù)αk在其可能的范圍內(nèi)變動(dòng)。同時(shí)為了橫向比較不同物理量不同單位參數(shù)的敏感性。定義無(wú)量綱化參數(shù)敏感度函數(shù)如式(2)所示。

(2)

式中，S為一個(gè)無(wú)量綱非負(fù)實(shí)數(shù)，值越大代表對(duì)參數(shù)αk越敏感。

4.1 鋼管樁占比率

將復(fù)合樁入土段鋼管樁長(zhǎng)度和入土段總長(zhǎng)度之比定義為鋼管樁占比率，占比率變化區(qū)間(0.35～0.95)。由圖9可知不同荷載水平下鋼管樁占比對(duì)水平承載性能有著明顯的影響且存在邊界效應(yīng)。鋼管樁占比達(dá)到0.7后，水平位移減少的趨勢(shì)變緩，繼續(xù)增加鋼管樁占比泥面水平位移已無(wú)明顯變化。

圖9 泥面水平位移與鋼管樁占比關(guān)系

選擇曲線特征最明顯的F=2 500 kN工況進(jìn)行ExpAssoc函數(shù)擬合，鋼管樁占比記為γ。

擬合函數(shù)

φ(γ)=956×e(-γ/0.461)+164

敏感性函數(shù)

本工程鋼管復(fù)合嵌巖樁中的鋼管樁均打入覆蓋層中的散體狀強(qiáng)風(fēng)化巖，鋼管樁占比在0.7～08之間。代入敏感性函數(shù)算得S(0.75)=0.76。

4.2 嵌巖比

將鋼管復(fù)合樁嵌巖段長(zhǎng)度與嵌巖段直徑之比定義為嵌巖比，嵌巖比越大對(duì)應(yīng)嵌巖深度越大。保持嵌巖樁直徑為1.7 m，按比例放大嵌巖段長(zhǎng)度，比例浮動(dòng)區(qū)間1～6。從圖10可以明顯的看出不同荷載工況下單調(diào)增加復(fù)合樁嵌巖深度并不能減少泥面水平位移。

圖10 泥面水平位移與嵌巖比關(guān)系

泥面水平位移基本不隨嵌巖深度的變化而變化。

4.3 徑深比

定義徑深比為嵌巖樁直徑與嵌巖深度之比，控制嵌巖深度5.1 m不變。分別放大嵌巖樁直徑為原來(lái)的1.5、2、2.5、3倍。從圖11可以看出曲線存在明顯的拐點(diǎn)，徑深比具有明顯的邊界效應(yīng)。嵌巖樁徑深比為1～2時(shí)增加嵌巖樁直徑明顯的提升了復(fù)合樁水平承載性能。徑深比大于2后對(duì)提升水平承載力幾乎沒(méi)有作用。

圖11 泥面水平位移與徑深比關(guān)系

選擇曲線特征最明顯的F=2 500 kN工況進(jìn)行ExpAssoc函數(shù)擬合，徑深比記為β。

擬合函數(shù)

φ(β)=8 001×e(-β/0.302)+13.6

敏感性函數(shù)

本工程中嵌巖樁直徑1.7 m，嵌巖深度5.1 m，β=0.33，代入上式計(jì)算得到S(β)=1.09。

4.4 巖石質(zhì)量GSI

霍克-布朗破壞準(zhǔn)則是一種非線性強(qiáng)度近似準(zhǔn)則，在其連續(xù)性方程中不僅包含剪切強(qiáng)度，也包括拉伸強(qiáng)度?？山仆ㄟ^(guò)調(diào)整GSI來(lái)改變基巖的強(qiáng)度指標(biāo)。取值參考Hoek在1999年提出的定量評(píng)價(jià)方法，在0～100的區(qū)間變動(dòng)。由圖12可知，隨著地址強(qiáng)度參數(shù)GSI的增加，泥面水平位移近似線性減少。

圖12 泥面水平位移與GSI關(guān)系

選擇曲線特征最明顯的F=2 500 kN工況進(jìn)行線性擬合。

擬合函數(shù)

φ(GSI)=30-0.055GSI

敏感性函數(shù)

本工程基巖GSI取值為70，S(GSI)=0.15。

4.5 灌注樁剛度

本節(jié)將灌注樁彈模作為唯一變量，樁身彈模，取混凝土標(biāo)號(hào)C20～C80的設(shè)計(jì)彈性模量即20～40 GPa，如圖13所示，隨著樁身剛度的增加，水平位移逐漸減少，但減少的趨勢(shì)逐漸變緩?；炷翗?biāo)號(hào)大于C35后水平位移減緩已不明顯。

圖13 泥面水平位移與灌注樁剛度關(guān)系

選擇曲線特征最明顯的F=2 500 kN工況進(jìn)行ExpAssoc函數(shù)擬合，嵌巖樁剛度記為E。

擬合函數(shù)

φ(E)=575×e(-E/1.68E7)+129

敏感性函數(shù)

本工程灌注樁所用混凝土為C35高性能海工混凝土，設(shè)計(jì)彈性模量3.15E7。S(E)=0.75。

綜上，以本工程的混合嵌巖樁為例，徑深比S(β)>鋼管樁占比S(γ)>樁身剛度S(E)>巖石質(zhì)量S(GSI)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文建立了基于小應(yīng)變硬化本構(gòu)和霍克布朗破壞準(zhǔn)則的樁土數(shù)值模型，并通過(guò)福建興化灣地區(qū)某海上風(fēng)電場(chǎng)大直徑試樁試驗(yàn)得到的H-Y曲線和樁身測(cè)斜曲線驗(yàn)證了數(shù)值模型的正確性。以鋼管復(fù)合嵌巖樁的水平承載性能為目標(biāo)，對(duì)各結(jié)構(gòu)參數(shù)和強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行斂散性和敏感性分析，主要得出以下結(jié)論。

1)覆蓋層選用HSS小應(yīng)變硬化本構(gòu)，巖層選擇霍克布朗破壞準(zhǔn)則可以較好的模擬大直徑鋼管混合嵌巖樁的樁土作用模式。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)修正后可用于開(kāi)展后續(xù)設(shè)計(jì)。

2)由于復(fù)合樁樁身剛度較大，基巖約束作用強(qiáng)。水平荷載作用下的復(fù)合樁變形性狀更偏向于大剛性樁。樁身無(wú)負(fù)變形，破壞荷載作用下塑性區(qū)從泥面下樁周和受力側(cè)樁底開(kāi)始發(fā)展并貫通。

3)以本工程為例，復(fù)合樁嵌巖樁水平承載性能對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的敏感性排序?yàn)閺缴畋?鋼管樁占比>樁身剛度>巖石質(zhì)量GSI。徑深比和鋼管樁占比最為敏感，兩個(gè)參數(shù)同時(shí)存在明顯的邊界效應(yīng)。實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中可著重考慮將鋼管樁占比控制在70%～80%的范圍，徑深比控制在2左右以達(dá)到最高的性價(jià)比。

4)基巖GSI對(duì)于提升水平承載力有積極的影響，但影響較有限。嵌巖深度對(duì)提升復(fù)合嵌巖樁的水平承載性能的作用很小，當(dāng)以水平位移作為設(shè)計(jì)邊界時(shí)，不宜通過(guò)采用嵌巖深度的方式來(lái)提升水平承載力。