桶長對吸力桶基礎(chǔ)承載特性影響的數(shù)值模擬研究

胡大石，王欣怡，周菊敏，阮 建，李宗澤

(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.浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 311100；3.浙江大學(xué)海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021)

0 引 言

我國海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)正處于飛速發(fā)展的黃金時期，吸力桶基礎(chǔ)作為一種新型海上風(fēng)電基礎(chǔ)類型，相對于大直徑單樁基礎(chǔ)和重力式基礎(chǔ)等傳統(tǒng)海上風(fēng)電基礎(chǔ)，具有成本低、施工方便等優(yōu)點[1]，近年來已被應(yīng)用于全球多個大型海上風(fēng)電項目[2]。

吸力桶基礎(chǔ)的主要組成部分為無底的桶形結(jié)構(gòu)，通過抽水抽氣形成桶內(nèi)外負壓，從而控制吸力桶基礎(chǔ)的高程，在需要移動基礎(chǔ)時，也可以通過充氣將桶基礎(chǔ)提起。吸力桶基礎(chǔ)作為海洋平臺基礎(chǔ)，一般需要承受較大的平臺荷載，其承載特性也直接影響了基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，國內(nèi)外許多學(xué)者對吸力桶基礎(chǔ)的承載特性開展了相關(guān)研究[3-8]。王庚蓀等[3]根據(jù)土體的簡化彈簧模型，提出了估算不同荷載作用下桶頂位移的方法。武科等[4]利用數(shù)值模擬的方法分析了吸力桶基礎(chǔ)在灘涂上的承載特性。劉晟等[5]通過靜載單桶模型試驗得到了吸力桶基礎(chǔ)在豎向與橫向荷載下的載荷-位移曲線。

針對不同的工況環(huán)境，吸力桶基礎(chǔ)發(fā)展出了不同的類型與多種尺寸，但目前仍缺乏針對不同吸力桶承載特性的差別與土體破壞情況的系統(tǒng)研究。為此，本文以某海域海上風(fēng)電工程導(dǎo)管架吸力桶基礎(chǔ)為研究對象，采用ABAQUS有限元數(shù)值模擬軟件，開展不同桶長的吸力桶基礎(chǔ)承載特性研究。

1 吸力桶模型

本項目吸力桶導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安全等級為一級，參照國內(nèi)外海上風(fēng)電機組基礎(chǔ)設(shè)計經(jīng)驗進行設(shè)計，基礎(chǔ)設(shè)計使用年限為27 a。吸力桶導(dǎo)管架基礎(chǔ)組成部分包括導(dǎo)管架主體和4個吸力桶，導(dǎo)管架主體部分高約35 m，頂部四支撐柱中心間距12 m×12 m，底部四筒心間距為20 m×20 m。筒體部分高為8.5 m，直徑9.5 m。吸力桶導(dǎo)管架基礎(chǔ)見圖1。

圖1 導(dǎo)管架吸力桶基礎(chǔ)

2 吸力桶有限元數(shù)值模型

通過ABAQUS軟件，建立吸力桶基礎(chǔ)單桶結(jié)構(gòu)有限元數(shù)值計算模型?？紤]到基礎(chǔ)與土體結(jié)構(gòu)和荷載作用均存在對稱性，為便于計算，選取整體的1/2進行研究。吸力桶基礎(chǔ)ABAQUS數(shù)值模型見圖2。

圖2 吸力桶基礎(chǔ)ABAQUS數(shù)值模型

整個模型采用C3D8R單元進行網(wǎng)格劃分，吸力桶桶徑D取9.5 m，厚度取0.2 m。為避免土體邊界效應(yīng)的影響，取土體的直徑為10D，高度為6D。土體采用摩爾-庫倫彈塑性本構(gòu)模型，吸力桶基礎(chǔ)采用彈性模型。為模擬吸力桶的負壓，使用內(nèi)置區(qū)域進行約束，將吸力桶區(qū)域設(shè)置為嵌入?yún)^(qū)域，土體設(shè)置為主結(jié)構(gòu)[9]。在賦予水平與豎直集中力之前，通過對初始模型賦予重力進行計算得到地應(yīng)力。導(dǎo)入獲得的地應(yīng)力作為該模型初始應(yīng)力場，再反復(fù)計算直至模型整體豎向沉降小于10-4m，得到該模型在地應(yīng)力平衡下的初始狀態(tài)。依據(jù)地質(zhì)勘測資料，吸力桶基礎(chǔ)及土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 吸力桶基礎(chǔ)及土體物理力學(xué)參數(shù)

3 吸力桶基礎(chǔ)承載特性影響研究

3.1 水平承載

在吸力桶基礎(chǔ)頂面中心施加水平位移荷載，得到桶頂水平位移-荷載曲線，見圖3。從圖3可知，吸力桶長為8.5 m時，桶頂水平位移在0～0.03 m范圍內(nèi)吸力桶基礎(chǔ)承受的水平荷載由0增加至5 980 kN。當(dāng)桶頂水平荷載大于0.03 m時，基礎(chǔ)承受水平荷載隨水平位移增加幅度極小，因此取該點對應(yīng)的荷載5 980 kN為水平極限荷載。用相同方式得到桶長17 m與桶長25.5 m吸力桶基礎(chǔ)的水平極限承載力分別為11 570 kN與29 278 kN。

圖3 吸力桶水平位移-荷載關(guān)系

繪制水平極限承載力隨桶長變化曲線，見圖4。從圖4可知，當(dāng)桶長從8.5 m增加至17 m時，水平極限承載力增幅為93.5%；而桶長從17 m增加至25.5 m時，水平極限承載力增幅為153.1%。因此，吸力桶基礎(chǔ)的水平承載力隨桶長增加而增加，且當(dāng)桶長較大時，水平承載力增幅也較大。這是由于吸力桶基礎(chǔ)的水平承載力主要由吸力桶周土體提供，當(dāng)吸力桶桶長較大時，能夠有更大體積的土體為基礎(chǔ)提供支撐，且地基中下層土體相對上層土體強度更大，因此較長桶長的吸力桶基礎(chǔ)水平承載特性更好。

圖4 吸力桶基礎(chǔ)水平承載力-桶長關(guān)系

圖5為1 050 kN水平荷載下3種桶長吸力桶基礎(chǔ)位移云圖。從圖5可知，水平荷載下，不同桶長吸力桶基礎(chǔ)上端土體產(chǎn)生與荷載同向位移，底部土體則出現(xiàn)相反的位移，即吸力桶桶體發(fā)生了轉(zhuǎn)動，且轉(zhuǎn)動中心位于吸力桶底以上。

圖5 不同桶長吸力桶基礎(chǔ)位移云圖

3.2 豎向承載

由于本項目的海上升壓站上部組塊質(zhì)量約為8 000 t，因此在吸力桶基礎(chǔ)頂面施加80 000 kN豎直荷載進行數(shù)值模擬分析。不同桶長的吸力筒基礎(chǔ)豎直荷載-沉降量曲線見圖6。從圖6可知，不同桶長吸力桶基礎(chǔ)在豎直荷載作用下，沉降量均隨荷載的增大均勻增加。當(dāng)荷載為 40 000 kN時，桶長8.5 m的吸力桶基礎(chǔ)沉降量為0.04 m；當(dāng)桶長分別為17 m與25.5 m時，基礎(chǔ)沉降量為0.12 m與0.19 m。當(dāng)荷載達到 80 000 kN時，桶長8.5 m基礎(chǔ)沉降量為0.26 m，而桶長為17 m與25.5 m時的基礎(chǔ)沉降量分別為0.43 m與0.63 m。

圖6 吸力桶豎直荷載-沉降量關(guān)系

圖7為不同豎直荷載作用下吸力桶基礎(chǔ)沉降量隨桶長變化規(guī)律。從圖7可以看出，不同豎直荷載下，吸力桶基礎(chǔ)沉降量與桶長均近似成線性關(guān)系。這是由于吸力桶基礎(chǔ)的豎直承載力一般取決于桶底地基強度與桶側(cè)壁與土體的側(cè)摩阻力，當(dāng)桶長增加，桶周側(cè)摩阻力的增加導(dǎo)致基礎(chǔ)豎直承載力的線性增大。

圖7 豎直荷載下吸力桶基礎(chǔ)沉降量-桶長關(guān)系

在豎直荷載80 000 kN下，不同桶長吸力桶基礎(chǔ)位移云圖見圖8。從圖8可知，不同桶長吸力桶基礎(chǔ)土體位移情況相似，桶底存在勺形區(qū)域土體發(fā)生了較大位移，桶周土體在桶內(nèi)外壓力差與桶周側(cè)摩阻力的作用下跟隨桶體向下位移。由此分析，吸力桶基礎(chǔ)的破壞方式為桶底土體形成勺形破壞區(qū)，桶周土體發(fā)生剪切破壞。

圖8 不同桶長吸力桶基礎(chǔ)位移云圖

吸力桶邊緣與吸力桶中心區(qū)域的土體應(yīng)力隨埋深變化見圖9。從圖9可知，豎直荷載作用下，吸力桶基礎(chǔ)周圍各處土體應(yīng)力均隨深度的增加先增大后減小，在桶長分別為8.5、17、25.5 m時，吸力桶邊緣土體峰值應(yīng)力為2 086、2 557、2 691 kPa。吸力桶中心土體土體峰值應(yīng)力分別為1 677、1 820、1 838 kPa。隨著桶長的增加，吸力桶基礎(chǔ)不同區(qū)域土體峰值應(yīng)力均增加，且吸力桶邊緣土體應(yīng)力峰值位置在桶底附近，而中心土體應(yīng)力峰值位置高度略低于桶底。

圖9 豎直荷載下土體應(yīng)力變化

桶長對不同區(qū)域土體峰值應(yīng)力的影響規(guī)律見圖10。從圖10可知，吸力桶邊緣土體峰值應(yīng)力顯著高于中心，且當(dāng)桶長從8.5 m增加至17 m與25.5 m時，吸力桶邊緣土體應(yīng)力峰值增幅分別為79%與68.3%，中心土體增幅僅有29.3%與5.24%，說明桶長對吸力桶邊緣峰值應(yīng)力影響較大，但對中心影響較小。

圖10 土體峰值應(yīng)力

4 結(jié) 語

本文以某海域海上風(fēng)電工程導(dǎo)管架吸力桶基礎(chǔ)為研究對象，采用ABAQUS有限元數(shù)值模擬軟件，對不同桶長吸力桶基礎(chǔ)的承載特性進行研究，得到以下結(jié)論：

(1)水平荷載下，桶長為8.5、17、25.5 m吸力桶基礎(chǔ)極限水平承載力分別為5 980、11 570、29 278 kN，水平承載力隨桶長增加而增加，且增幅越來越大。

(2)水平荷載下，吸力桶基礎(chǔ)上端土體產(chǎn)生與荷載同向位移，底部土體則出現(xiàn)相反的位移。

(3)相同豎直荷載80 000 kN下，桶長8.5、17、25.5 m吸力桶基礎(chǔ)的沉降量分別為0.26、0.43、0.63 m，沉降量與桶長近似呈線性正相關(guān)。

(4)豎直荷載下，吸力桶底土體形成勺形破壞區(qū)，桶周土體發(fā)生剪切破壞。土體應(yīng)力峰值隨桶長的增加而增加，且邊緣土體應(yīng)力峰值顯著大于中心土體。