傾斜荷載作用下雙桶吸力基礎承載特性數(shù)值分析

何倩倩，黃勇，宋啟明

（1.國家電投風電產業(yè)創(chuàng)新中心，上海 200233；2.福建永福電力設計股份有限公司，福建 福州 350100）

0 引言

隨著海洋資源開發(fā)逐漸向深海區(qū)域拓展，吸力基礎廣泛應用于海洋平臺、漂浮式海上風力發(fā)電機等浮動式結構錨固基礎。上部結構長期受到風、波浪等環(huán)境荷載作用，通過系泊錨鏈對基礎產生傾斜荷載[1］。研究吸力基礎的傾斜承載力在海洋工程應用中具有非常重要的意義。

目前，國內外學者針對吸力基礎的傾斜承載特性已開展了大量的研究。黎冰等[2］通過模型試驗，研究了加載點位置、荷載傾角和基礎長徑比，對吸力基礎承載力的影響。研究結果顯示，加載點位置對吸力基礎承載力的影響取決于荷載傾角值；荷載傾角較小時，加載點位置的影響明顯；隨荷載傾角增大，加載點影響減弱。王建華等[3］討論了加載方向對吸力基礎傾斜承載力和破壞模式的影響，發(fā)現(xiàn)基礎底部土體的反向承載力是影響極限承載力的關鍵。Bang 等[4］通過離心試驗，發(fā)現(xiàn)傾斜荷載作用點埋深逐漸下移時，吸力基礎的承載力先增大后減小，加載點位于埋深0.7～0.75 倍桶高時，基礎承載力最大。孫立強等[5］通過數(shù)值分析，建立了傾斜荷載下，吸力基礎的H-V 承載力包絡面及其計算方法。Gao 等[6］開展了一系列1 g 狀態(tài)下的小比尺模型試驗，發(fā)現(xiàn)當荷載傾角較小時，最佳系泊點位于基礎外側壁，埋深為2／3～3／4 倍桶高處，此時基礎在該荷載傾角下達到最大承載力；而荷載傾角超過60°時，最佳系泊點位于基礎側壁底部。

借鑒柳曉科[7-8］等研究思路，在傳統(tǒng)吸力基礎外側增加一外桶結構，可有效提高吸力基礎的承載力。在傳統(tǒng)吸力基礎外側，增加與原基礎桶高一致的外桶結構，見圖1，稱為雙桶吸力基礎。已有研究對于傳統(tǒng)的單桶吸力基礎在傾斜荷載下的承載特性研究較為充分，而對于雙桶吸力基礎在的傾斜承載力研究相對較少。本文將借鑒單桶吸力基礎傾斜承載特性的研究方法，通過數(shù)值分析，對不同加載點、荷載傾角的傾斜荷載做用下，雙桶吸力基礎的傾斜承載力進行討論。

1 有限元計算模型

采用Plaxis 3D 有限元軟件，對雙桶吸力基礎在傾斜荷載下的承載力進行討論。雙桶吸力基礎采用板單元模擬，其中基礎重度為78 kN／m3，彈性模量E=210 GPa。如圖1 所示，基礎內桶直徑D1=5 m，外桶徑D2=2.5 m，內外桶高一致，L=10 m，吸力基礎頂板厚度為5 cm，側壁厚度為3 cm。

地基土體采用Mohr-Coulomb 本構模型進行模擬，參照啟東市海域實際工程中地基土體參數(shù)[9］，土體浮重度γ'=9.7 kN／m3，彈性模量E=30 MPa，泊松比為0.28，土體粘聚力c=20 kPa，內摩擦角φ為30.5°?；A與土體之間設置接觸面。為了防止邊界效應對模擬結果的影響，地基土體在水平和豎向邊界分別為5 D1和5 L，可有效消除邊界效應的影響，并減小計算量。

數(shù)值模擬研究中，考慮不同加載點位置和荷載傾角，對雙桶吸力基礎傾斜承載力的影響。加載點分別位于外桶外側壁，距離基礎頂板2.5 m、5 m、7.5 m 和10 m 處，分別等效為埋深L／4、L／2、3L／4 和L 處，具體加載點位置見圖1（b）。傾斜荷載F 的作用方向與水平方向夾角定義為荷載傾角 ， 分別等于0°、30°、60°和90°。

圖1 雙桶吸力基礎

2 結果分析

2.1 荷載傾角的影響

圖2 所示，為不同加載點下，荷載傾角分別為0°、30°、60°和90°時，雙桶吸力基礎的傾斜荷載-加載點位移關系曲線。任意加載點下，當荷載傾角為0°時，吸力基礎的承載力最高；傾斜承載力隨荷載傾角增大而減小。當荷載傾角從0°增大至30°，再增大至60°時，基礎傾斜承載力均發(fā)生明顯的降低。

當荷載傾角由80°增大至90°時，加載點位于吸力基礎外側壁埋深2.5 m 時（圖2（a）），承載力明顯減小。隨加載點位置下移，承載力降低幅度逐漸減小。當加載點位于基礎側壁底部時（埋深10 m 處），圖2（d）所示，荷載傾角由80°增大至90°，基礎的承載力不產生明顯變化，此時基礎的承載力主要由后傾轉動時，基礎前側下部區(qū)域的被動土壓力提供。

圖2 不同加載點處傾斜荷載-位移關系曲線

2.2 加載點位置的影響

圖3 給出了不同荷載傾角下，傾斜荷載作用于雙桶吸力基礎不同位置時的承載力曲線。當荷載傾角不超過30°時，隨加載點位置埋深增大，承載力先增大后減小，傾斜荷載作用于埋深為5 m 時，承載力最大。同時，加載點位于基礎底部時，基礎傾斜承載力大于加載點位于埋深為2.5 m 時的傾斜承載力。

圖3 不同荷載傾角下吸力基礎傾斜荷載-位移關系曲線

當荷載傾角為60°時，承載力達到最大值時，對應加載點位置為2.5 m～5 m 之間，隨加載點埋深增大，雙桶吸力基礎傾斜承載力降低。當荷載傾角為90°時，吸力基礎的傾斜承載力不受加載點位置影響。

2.3 傾斜荷載下基礎周圍土體影響范圍

為了研究不同傾斜荷載下，雙桶吸力基礎周圍對周圍土體的影響，圖4 給出了加載點位于桶側壁埋深5 m 時，不同荷載傾角下，基礎周圍土體位移云圖。隨荷載傾角增大，基礎周圍土體影響范圍減小。

圖4 不同荷載傾角下吸力基礎周圍土體位移云圖

當荷載傾角為0°時，基礎周圍土體影響范圍最大，沿加載方向基礎后側桶內上部土體產生較大位移量，此時基礎發(fā)生前傾轉動，轉動點位于基礎前下方外側區(qū)域。當荷載傾角為30°時，基礎內部和前側土體位移量基本一致，基礎發(fā)生沿加載方向平動。當荷載傾角為60°時，基礎發(fā)生后傾轉動，轉動點位于基礎后側上部桶內區(qū)域。當荷載傾角為90°，基礎后傾轉動點下移。

3 結論

通過數(shù)值模擬，研究了不同荷載傾角和加載點位置，對雙桶吸力基礎傾斜承載力的影響，得出以下結論：

（1）雙桶吸力基礎的傾斜承載力隨荷載傾角增大而減小，當水平加載時，基礎承載力最高，豎向加載時（荷載傾角為90°），基礎承載力最小。

（2）基礎傾斜承載力隨加載點位置埋深增大，呈先增大后減小趨勢。當荷載傾角較小時，達到最大承載力時對應加載點位置約位于基礎側壁中間位置；當荷載傾角為90°，加載點位置的變化對承載力影響可忽略。

（3）隨荷載傾角增大，基礎周圍土體影響范圍減小。當傾斜荷載作用在基礎側壁埋深5 m 時，增大荷載傾角，基礎的運動方式由前傾轉動，逐漸轉變?yōu)楹髢A轉動。