三筒吸力式導(dǎo)管架基礎(chǔ)循環(huán)承載特性研究

收稿日期：2022-12-22

基金項目：上?？睖y設(shè)計研究院有限公司科研項目（2021FD（8）-022）

通信作者：張浦陽（1978—），男，博士、副教授，主要從事海上風(fēng)電方面的研究。zpy_td@163.com

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1963 文章編號：0254-0096（2023）11-0382-05

摘 要：為研究長周期循環(huán)荷載對多筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)水平承載力的影響，在砂土地基中開展物理模型試驗，考慮循環(huán)加載次數(shù)、循環(huán)幅值比及對稱比等因素為變量，對基礎(chǔ)在循環(huán)加載后的水平單向極限承載力進(jìn)行分析。結(jié)果表明：隨著循環(huán)荷載幅值比和循環(huán)次數(shù)的增加，基礎(chǔ)周土的致密性得到有效提高，進(jìn)而增強了水平極限承載力。同時循環(huán)荷載對稱比的增加會減小基礎(chǔ)的水平承載力。說明水平單調(diào)承載力受循環(huán)荷載極值差的影響，差值越大對于基礎(chǔ)周土的致密化效果越好，水平承載力越大。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電；吸力式筒型基礎(chǔ)；水平承載力；循環(huán)荷載；物理模型試驗；循環(huán)次數(shù)

中圖分類號：TK513.5 "" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

多筒導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)是目前備受關(guān)注的風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式。一些國內(nèi)外專家學(xué)者開展了一系列的承載能力和循環(huán)承載特性的研究。Mccarron等［1］使用ABAQUS有限元軟件研究錨索點位于錨頂位置時吸力錨基礎(chǔ)的水平承載性能。研究結(jié)果顯示，當(dāng)錨索與土壤分離時，極限承載能力比錨索與土壤未分離時降低了30%。在臨載側(cè)錨高度的2/3深度范圍內(nèi)，土體發(fā)生了等效塑性應(yīng)變。Sukumaran等［2］研究軟粘土中吸力錨的極限承載力與系纜點位置的關(guān)系。研究結(jié)果表明，在極限承載力最大的情況下，吸力錨基礎(chǔ)只發(fā)生平動而不發(fā)生轉(zhuǎn)動；將系纜點設(shè)置在錨頂處可有效減小錨體的旋轉(zhuǎn)程度，從而獲得更大的極限承載力。Vicent等［3］研究循環(huán)荷載和飽和砂土對結(jié)構(gòu)水平承載力的影響；劉永剛等［4］研究復(fù)合筒型基礎(chǔ)在水平荷載作用下的土壓力分布規(guī)律、位移變化機制和極限承載能力；張浦陽等［5］對多筒基礎(chǔ)的承載能力和上部結(jié)構(gòu)的受力性能進(jìn)行分析，總結(jié)了多筒基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)周圍土體的破壞特性和結(jié)構(gòu)整體的傳力特點；丁紅巖等［6］研究上方覆蓋的軟土層厚度對砂土地基下多筒基礎(chǔ)承載特性的影響；王立忠等［7］系統(tǒng)研究確定吸力筒基礎(chǔ)的水平極限承載力的方法，同時繪制了標(biāo)準(zhǔn)化水平位移增量和荷載增量圖；羅侖博等［8］討論了復(fù)雜海洋環(huán)境荷載下砂土地基吸力筒的長期循環(huán)承載特性；孫曦源［9］提出一種適用于工程中估算軟黏土地基中單筒型基礎(chǔ)水平承載力的三維極限平衡方法；李書兆［10］研究利用軟粘土不排水循環(huán)強度，確定軟土中張緊式吸力錨在靜荷載與循環(huán)荷載共同作用下不排水承載力的極限平衡分析方法，依據(jù)等效粘彈性理論和蠕變理論，建立一種能夠描述飽和軟黏土不排水循環(huán)變形和循環(huán)累積變形的擬動力粘彈塑性本構(gòu)模型。

本文將以循環(huán)荷載的幅值為變量，研究該值變化對基礎(chǔ)抗彎極限承載能力的影響，為海上風(fēng)電場建設(shè)中海上風(fēng)力機組的基礎(chǔ)設(shè)計與建設(shè)提供參考依據(jù)。

1 試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計

1.1 試驗?zāi)Ｐ?/p>

三筒導(dǎo)管架模型如圖1所示，模型比尺為1∶60，過渡段的法蘭結(jié)構(gòu)高度90 mm，用于連接上部風(fēng)力機承受水平和彎矩荷載。結(jié)構(gòu)采用不銹鋼制作，主桿和斜撐利用X形方式連接。筒型基礎(chǔ)的吸力筒直徑200 mm，筒高260 mm，壁厚2 mm；吸力筒頂為承受足夠荷載布置有加強段。模型示意圖見圖1。

試驗?zāi)Ｐ拖涑叽玳L×寬×高分別為2 m×2 m×1.2 m。模型箱底部裝有集水管網(wǎng)，用于注水及排水作用。集水管中央與排水管連接，并在模型箱外側(cè)設(shè)置球閥控制排水。在模型箱底部鋪設(shè)厚度約為20 cm的石子濾水層，上覆有土工布。同時在鋪設(shè)砂土前對模型箱內(nèi)進(jìn)行注水，使水位高于土工布表面10 cm。注水完成后，采用落砂法將試驗砂土均勻裝入試驗土箱中，最終土體高度為80 cm。為保證砂土充分飽和，在此過程中保持水面高度始終高于砂土面10 cm。完成落砂后，將水深調(diào)整至30 cm，土體靜置養(yǎng)護(hù)3 d。該試驗所用砂土為福建標(biāo)準(zhǔn)砂，具體參數(shù)經(jīng)過土工試驗測試所得，見表1。

1.2 循環(huán)加載參數(shù)定義

Leblanc等［11］提出循環(huán)荷載幅值比ζb和循環(huán)荷載對稱比ζc的定義，相關(guān)對筒型基礎(chǔ)循環(huán)承載特性大多參照了此定義方法。

[ζb=MmaxMult，] [ζc=MminMmax]" （1）

式中：[Mmax]——單次循環(huán)周期內(nèi)彎矩荷載極大值，N·m；[Mmin]——單次循環(huán)周期內(nèi)彎矩荷載極小值，N·m；[Mult]——水平單調(diào)加載試驗中基礎(chǔ)的極限承載力，N·m；[ζb]——循環(huán)荷載極大值與水平極限承載力的比值，范圍為0～1；[ζc]——循環(huán)荷載極小值與極大值的比值，范圍為[-1～1]。

1.3 試驗工況

本文主要研究多筒導(dǎo)管架吸力式筒型基礎(chǔ)在循環(huán)荷載作用下基礎(chǔ)的水平承載特性的變化規(guī)律，因此試驗工況主要分為單筒靜載工況和不同幅值比、對稱比的循環(huán)加載工況。海上風(fēng)電基礎(chǔ)在服役期間所受的循環(huán)荷載次數(shù)多達(dá)107次，已有試驗研究表明筒型基礎(chǔ)的累積變形在前期發(fā)展迅速，且循環(huán)加載次數(shù)的增加也將極大的增加了試驗時間。因此結(jié)合已有試驗研究，本次試驗設(shè)定加載次數(shù)為20000次，加載周期為2 s。試驗?zāi)Ｐ秃驮囼灛F(xiàn)場見圖2，試驗工況說明見表2。

水平承載力極限狀態(tài)見圖3曲線上的坐標(biāo)作為基礎(chǔ)的臨界破壞點［1］。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 靜載試驗結(jié)果

靜載下基礎(chǔ)的水平承載力主要分為單筒受拉和單筒受壓兩個方向，二者的承載力最小值即為基礎(chǔ)在長周期循環(huán)加載過程中的最不利荷載工況，試驗基于基礎(chǔ)的最不利工況對基礎(chǔ)進(jìn)行循環(huán)加載試驗。

靜載試驗結(jié)果分為靜載標(biāo)準(zhǔn)單壓（3T-A-Y）和靜載標(biāo)準(zhǔn)單拉（3T-A-L），試驗中循環(huán)加載的方向是由上述兩種工況中的最不利工況確定的。受壓試驗結(jié)果如圖4所示，基礎(chǔ)的受壓極限承載力為105.85 N，即靜載標(biāo)準(zhǔn)單壓下三筒導(dǎo)管架筒型基礎(chǔ)的水平極限承載力為105.85 N，破壞時導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的水平方向發(fā)生的位移為0.02 m。

2.2 循環(huán)加載結(jié)果

標(biāo)準(zhǔn)單拉的工況（3T-A-L）將三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)的加載方向設(shè)定為單筒位置受拉，雙筒位置受壓，此時基礎(chǔ)在水平位移[X=0.024] m時發(fā)生了水平極限破壞，此時基礎(chǔ)的水平極限承載力為87.96 N（圖5）。相較標(biāo)準(zhǔn)單筒受壓3T-A-Y降低約16.9%。因此得出結(jié)論：在標(biāo)準(zhǔn)靜載作用下，三筒導(dǎo)管架吸力式筒型基礎(chǔ)的單筒受壓情況要優(yōu)于單筒受拉情況，即結(jié)構(gòu)的最不利情況為標(biāo)準(zhǔn)靜載下的單筒受拉。

在循環(huán)加載中利用單筒受拉工況對結(jié)構(gòu)變量進(jìn)行考慮，以試驗動載標(biāo)準(zhǔn)組（3T-B-0.8-0.1）為例給出了典型的恒幅值循環(huán)荷載作用下三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)的位移荷載曲線，并與水平單調(diào)加載試驗結(jié)果3T-A-L進(jìn)行了比較。試驗3T-B-0.8-0.1的循環(huán)荷載幅值比為[ζb=0.8]，循環(huán)荷載對稱比[ζc=0.1]。可看出：動載標(biāo)準(zhǔn)組的預(yù)加載階段與水平單調(diào)加載試驗結(jié)果重合，驗證了循環(huán)加載試驗中的預(yù)加載作用結(jié)果與水平單調(diào)加載試驗的一致性；三筒基礎(chǔ)在循環(huán)加載后發(fā)生極限破壞時的加載點荷載為125.184 N，相比基礎(chǔ)的水平極限承載力87.96 N增加了約29.73%?？梢娧h(huán)加載會導(dǎo)致基礎(chǔ)周圍土體更加致密，進(jìn)而提高水平單向承載力。

2.3 循環(huán)荷載幅值比的影響結(jié)果

循環(huán)加載的幅值比分別選取0.8、0.6、0.4和0.2，對比結(jié)果如圖6所示。當(dāng)幅值比為變量時，三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)的水平承載力變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律。在4組試驗中，幅值比為0.2時基礎(chǔ)的承載力增加的較快。同時受初始動載的影響，各種工況下的初始位移并不相同。標(biāo)準(zhǔn)動載組在循環(huán)加載完成后的初始位移就已超過0.02 m，4種不同幅值比的工況在位移為0.04 m前后均達(dá)到基礎(chǔ)水平極限承載狀態(tài)。

圖7為幅值比分別為0.8、0.6、0.4和0.2，對稱比為0.1時，三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)的水平極限承載力變化趨勢，整體變化均勻呈正比增長，分別提高了約4.84%、4.46%和6.36%?？梢姺当鹊脑龃罂娠@著提高基礎(chǔ)的水平承載能力。

2.4 循環(huán)荷載對稱比的影響結(jié)果

考慮對稱比為變量時，三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)的水平承載力變化亦呈一定的規(guī)律。4組試驗的水平承載力增加的相對速度較為相近，同時可看出受到20000次循環(huán)加載的影響，各種工況下的初始位移不相同，且基礎(chǔ)到達(dá)水平極限承載狀態(tài)時的位移同樣有較大差異。對稱比越大，基礎(chǔ)周圍土發(fā)生破壞時的基礎(chǔ)橫向位移較小。這是由于循環(huán)荷載的極小值與極大值的比值較大，正弦加載曲線的振幅較小，此時循環(huán)荷載

對稱比分別為0.7、0.5、0.3和0.1，幅值比為0.8時，三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)的水平極限承載力變化趨勢，在最大循環(huán)荷載幅值比[ζb=0.8、]對稱比[ζc=0.1]時水平承載力最大，水平承載力隨對稱比的增加而降低。對稱比0.7時，基礎(chǔ)水平承載力較動載標(biāo)準(zhǔn)組降低了約20%。可見對稱比的增大會導(dǎo)致水平承載力降低。同時隨著對稱比的增加，基礎(chǔ)在發(fā)生破壞時的位移會減少，相較動載標(biāo)準(zhǔn)組（0.8-0.1），荷載對稱比0.7時的基礎(chǔ)更易發(fā)生破壞。

2.5 循環(huán)荷載加載次數(shù)影響結(jié)果

循環(huán)加載試驗中，標(biāo)準(zhǔn)初始循環(huán)次數(shù)設(shè)定為20000次，為研究循環(huán)次數(shù)對基礎(chǔ)承載里的影響，設(shè)置循環(huán)次數(shù)為60000和100000對結(jié)果進(jìn)行對比。如圖10所示，60000次循環(huán)加載下基礎(chǔ)的水平承載力為169.89 N，極限破壞時加載點位移為0.036 m，和動載標(biāo)準(zhǔn)組（3T-B-0.8-0.1）發(fā)生破壞時的位移相近。同時承載力相較3T-B-0.8-0.1（125.184 N）提高了約35.71％。

圖11為循環(huán)次數(shù)為100000次時的基礎(chǔ)的水平單調(diào)承載力與加載位移的關(guān)系。該工況下基礎(chǔ)水平承載力為182.34 N，極限破壞時加載點位移為0.026 m，承載力相較于3T-B-0.8-0.1提高了約45.66%。

循環(huán)加載次數(shù)的增加會一定程度增加基礎(chǔ)的單向極限水平承載能力。如圖12所示，增長幅度分別為35.71%和45.66%（相較3T-B-0.8-0.1）。100000次循環(huán)加載下，基礎(chǔ)附近基礎(chǔ)周土的致密化程度更加劇烈，導(dǎo)致其抗傾覆穩(wěn)定性、承載能力大幅度提高。

3 結(jié) 論

考慮循環(huán)荷載參數(shù)對三筒吸力式導(dǎo)管架基礎(chǔ)的影響，對其進(jìn)行了水平承載力研究發(fā)現(xiàn)：循環(huán)荷載可有效增加基礎(chǔ)周土的致密性，進(jìn)而提高基礎(chǔ)在循環(huán)加載后的水平單向極限承載能力循環(huán)加載后的基礎(chǔ)水平單調(diào)承載能力隨對稱比的減小而增大；循環(huán)加載次數(shù)亦會一定程度影響基礎(chǔ)周土的致密性，進(jìn)而使得基礎(chǔ)的水平承載力大幅增高。

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STUDY ON CYCLIC BEARING CHARACTERISTICS OF

TRIPOD SUCTION BUCKET FOUNDATIONS

Chen Li1，Zhang Puyang2

（1. Shanghai Survey and Design Research Institute Co.， Ltd.， Shanghai 200335， China；

2. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety， Tianjin University， Tianjin 300072， China）

Abstract：In order to study the influence of the long-period cyclic load on the horizontal bearing capacity of the foundation of the tripod suction jacket， a physical model test is carried out in the sandy soil foundation， and the one-way horizontal ultimate bearing capacity of the foundation after cyclic loading is analyzed considering the factors such as cyclic loading times， cyclic amplitude ratio and symmetry ratio as variables. The results show that with the increase of cyclic load amplitude ratio and cycle times， the compactness of the soil around the pile is effectively improved， and the horizontal unidirectional bearing capacity is enhanced， while the bearing capacity decreases linearly with the increase of the cyclic load symmetry ratio.

Keywords：offshore wind power； suction bucket jacket foundation； horizontal bearing capacity； cyclic load； physical modeling test； cyclic number