沖刷對海上風(fēng)電大直徑單樁基礎(chǔ)影響研究

方孝伍 吳衍劍 許洪露

（中國電建集團福建省電力勘測設(shè)計院有限公司 福建福州 350003）

0 引言

風(fēng)能是一種可循環(huán)利用的能源，海上的風(fēng)速比陸地上的大且穩(wěn)定，并且減少了對土地資源的占用，因此探討海上風(fēng)機的發(fā)展變化是現(xiàn)在研究的重點。單樁基礎(chǔ)因其結(jié)構(gòu)簡單、占用面積小、施工方便、沉降量不大且穩(wěn)定、適用范圍廣等優(yōu)點，成為了海上風(fēng)電比較常見的基礎(chǔ)型式。我國海上風(fēng)電場大都位于近海淺水海域，更適合應(yīng)用大直徑單樁基礎(chǔ)。

沖刷是水流對海床的侵蝕行為，局部沖刷則發(fā)生在樁基阻礙水流流動的周圍土層。在波浪荷載下，樁基的安全性能、動力響應(yīng)將變得更為復(fù)雜［1］。很多學(xué)者對樁基沖刷進行了相關(guān)的研究。CHENG 等［2］假定了理想的沖刷坑形態(tài)，提出了1 種新型p-y 曲線計算方法，并驗證了局部沖刷下的p-y 曲線，最后通過有限元模型進行驗證，結(jié)果表明沖刷深度對于樁身響應(yīng)的影響明顯大于沖刷坑底面寬度和傾角。HAO 等［3］研究了軟黏土中的樁基，綜合考慮了應(yīng)力歷史、沖刷深度、沖刷寬度、沖孔坡角對軟土地基樁側(cè)力的影響，認為沖刷對樁基的影響可以歸納為沖刷深度和應(yīng)力歷史2 個主要因素。戴國亮等［4］利用LPILE 軟件模擬與p-y 曲線相比較，較好的模擬了沖刷形態(tài)，并研究了沖刷深度、沖刷坡角和沖刷寬度的參數(shù)敏感性，得出了三者對土基承載力的影響依次下降的結(jié)論。蔣建平等［5］利用ABAQUS 軟件根據(jù)實際工況建立了部分埋入水平受荷樁的三維有限元計算模型，進行了沖刷條件下水平受荷樁的模擬，考慮了沖刷角度、深度、樁直徑和樁頂約束條件的影響。結(jié)果表明，局部沖刷作用對樁頂自由的工況影響最大，樁頂固定條件次之，對彈性側(cè)移約束的影響最小。王其昊［6］對無沖刷條件下的CPT 錐尖阻力和側(cè)摩阻力進行修正，推導(dǎo)了局部沖刷下考慮土體應(yīng)力歷史變化的參數(shù)表達式，并且基于總側(cè)阻力等效的原則，提出了局部沖刷下的簡化樁土模型，并通過PLAXIS 3D 模擬得到驗證。綜上，目前關(guān)于在分層土中單樁基礎(chǔ)沖刷的研究并不多，尤其是黏土中的沖刷狀態(tài)相較于沙土中較為復(fù)雜。本文以某風(fēng)電場項目中1 個采用單樁基礎(chǔ)形式的機位作為研究對象，以有限元軟件ABAQUS 為工具，通過改變沖刷坑的形態(tài)來確定沖刷對樁身以及土體承載力和變形的影響，并研究了不同沖刷深度下樁基的動力響應(yīng)規(guī)律。通過此分析便于為后續(xù)類似工程的單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)防沖刷設(shè)計提供參考。

1 工程背景資料

據(jù)現(xiàn)場資料勘察，該機位處水深24.6 m，水面處標高為1.2 m。地勘鉆孔資料、土層分布以及地勘提供的部分土層物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 土層分布及物理力學(xué)參數(shù)

針對此機位鉆孔條件，實際工程中是按無過渡段的大直徑單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。設(shè)計方案為：鋼管樁樁頂標高為16.0 m，樁端標高為-70.0 m，泥面處標高為-23.4 m，樁基基礎(chǔ)埋深為46.7 m。鋼管樁上部與塔筒底部連接處的樁身直徑為6 m，鋼管樁底部直徑為7.8 m，樁身中部通過變直徑椎體進行過渡連接。鋼管樁材質(zhì)及力學(xué)參數(shù)如表2 所示。風(fēng)機采用上海電氣7 MW 風(fēng)電機組。

表2 鋼管樁材質(zhì)及力學(xué)參數(shù)

2 不同深度沖刷坑單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)有限元模型

2.1 沖刷參數(shù)的確定

海洋環(huán)境中通常會存在結(jié)構(gòu)物周邊土體沖刷的問題。當(dāng)結(jié)構(gòu)物在海床上完成安裝以后，其附近的水流可能會加強，從而增強周邊泥沙運動，最終引起局部范圍土體的沖刷［7］。通常在定常流作用下，依據(jù)流速不同，樁周砂土的沖刷坑形狀可以分為3 種：①當(dāng)流速較小時，沖刷坑形狀為馬蹄形；②隨著流速增大，沖刷坑的形狀由馬蹄形過渡為近似圓形；③流速繼續(xù)增大，沖刷坑形狀演化為倒圓錐形［8］。黏土的沖刷坑形狀變化與砂土類似。當(dāng)流速較低時，僅樁后的表層軟弱黏土被沖走；當(dāng)流速增大到足夠帶走樁周土體時，樁周沖刷坑形狀依次向馬蹄形、圓形、倒圓錐形過渡［9］。

最大沖刷深度直接影響樁基承載力，因此最大沖刷深度的數(shù)值是計算地基承載力降低量的重要數(shù)據(jù)。而海上風(fēng)機局部沖刷機理相對復(fù)雜，影響因素較多，導(dǎo)致局部沖刷深度的計算存在差異性［10］。目前國內(nèi)外用于計算波浪、潮流作用下局部沖刷的公式較多［11］。

（1）對于非黏性土，Shen 基于雷諾數(shù)提出了樁基沖刷深度的計算方法，見式（1）、（2）。

式中：SD是沖刷深度；um是海床平均流速；d 是樁徑；v 是流體的運動黏度，對于水的運動黏度，取10-6m2/s。

（2）對于黏性土，Briaud 同樣基于雷諾數(shù)提出了樁基沖刷深度的計算方法，見式（3）。

（3）韓海騫公式，如式（4）。

式中：hb為最大局部沖刷深度；h 為最大水深；B 為平均阻水寬度；d50為泥沙平均中值粒徑為弗汝德數(shù)，u 為最大流速；k1為基礎(chǔ)樁平面布置系數(shù)；k2為基礎(chǔ)樁垂直布置系數(shù)。

利用已建的帶風(fēng)電機組基礎(chǔ)局部沖刷的實測數(shù)據(jù)，對上述公式的適用性進行驗證。結(jié)果得出，韓海騫公式比較適用于淤泥質(zhì)海岸，得到的理論最大沖刷深度與折減系數(shù)相乘，基本與實際最大沖刷深度一致。因此，選取沖刷深度范圍內(nèi)的部分沖刷深度作為模型的變量，分別為0、3、5、7 m。假定局部沖刷坑形態(tài)為倒圓錐狀，其截面形狀如圖1 所示。通過沖刷深度、底面寬度、頂面寬度和坡角加以描述，各參數(shù)之間的關(guān)系可表示為式（5）。

圖1 樁基局部沖刷示意圖

LIN 等［12］認為，沖刷坡角一般接近河床土體的休止角，對于砂土來說一般為30°至44°，而對于淤泥質(zhì)海岸而言，淤泥幾乎沒有摩擦角，因而沖刷坑頂部寬度在工程實踐中可取為兩倍的局部沖深。

2.2 有限元模型的建立

海上風(fēng)機單樁基礎(chǔ)為變徑鋼管樁，直徑范圍6.0～7.8 m，基礎(chǔ)壁厚0.05 m。采用線彈性本構(gòu)關(guān)系模擬分析，選用Mohr-Coulomb 理想彈塑性本構(gòu)模型，對鋼管樁體單元和土體單元均采用三維8 節(jié)點縮減積分（C3D8R）實體單元進行有限元計算分析，對鋼管樁外表面、內(nèi)表面與周圍土體的接觸均采用面對面的摩擦接觸，樁土接觸摩擦系數(shù)的值取0.35。荷載加載點在樁頂中心處，選擇合理的邊界范圍，模型周邊土層按半徑50 m圓柱體設(shè)置，土層高度為100 m。周邊土體徑向位移約束，土體底部固定，建好后的不同沖刷深度結(jié)構(gòu)有限元模型見圖2。

圖2 有限元數(shù)值模擬計算模型示意圖

2.3 荷載組合

本次研究的工況組合依據(jù) 《海上風(fēng)電場工程風(fēng)電機組基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（NB/T 10105—2018）確定，主要考慮風(fēng)機荷載與波流荷載，選取正常使用極限工況進行變形計算，其中風(fēng)機荷載為主要荷載，波流荷載為次要荷載。正常使用極限工況下的荷載設(shè)計值如表3 所示。

3 沖刷對單樁及土體的變形影響分析

3.1 單樁變形情況分析

圖3 為處于極限平衡狀態(tài)時，在不同沖刷深度下的單樁基礎(chǔ)對應(yīng)的樁身位移云圖。由圖3 可知，隨著沖刷深度的增加，單樁基礎(chǔ)相同位置處的位移逐漸增大，從不沖刷到?jīng)_刷深度為7 m 時，樁身位移最大值從44.6 cm 增大到53.9 cm。鋼管樁樁身水平位移曲線如圖4 所示，可以看出，當(dāng)沖刷深度分別為0、3、5、7 m 時，對應(yīng)的樁頂處的水平位移分別為31.9、32.9、35.3、38.6 cm。沖刷坑的深度對樁身泥面以上部分變形的影響大于泥面以下部分。

圖3 單樁基礎(chǔ)位移云圖

圖4 不同沖刷深度的土體本構(gòu)模型下鋼管樁水平位移曲線

圖5 為不同沖刷深度下樁身壓力隨樁身高度變化曲線，可以看出，在泥面處以下一定范圍內(nèi)樁身不受到土的壓力，在泥面以下10 cm 左右位置處開始受到壓力。由于沖刷使部分土體流失，產(chǎn)生倒圓錐狀的沖刷坑，隨著沖刷深度的增大，樁身周圍土體減少，對樁身的壓力也隨之減小。當(dāng)樁身高度在-40 m 左右位置時，不沖刷土體中的樁身壓力約為55 kN；而沖刷坑深度為7 m 時，樁身壓力僅為45 kN 左右。當(dāng)距離樁底部10 m 左右時，樁身壓力增大速度突然變快，并在接近樁底的-68 m 左右位置處達到極值，不沖刷土體的樁身最大壓力為377 kN，沖刷7 m 土體的樁身最大壓力為405 kN。最后樁端受到的壓力分別減小至235、263、273、290 kN。

圖5 不同沖刷深度下樁身壓力隨樁身高度變化曲線

3.2 土體變形情況分析

圖6 為不同沖刷深度下土體的位移云圖，圖7 為沖刷深度與最大土體位移的關(guān)系曲線。由圖6 和圖7 可知，隨著沖刷深度的增加，樁內(nèi)土的位移逐漸增大，當(dāng)沖刷深度為7 m 時，樁內(nèi)土的位移達到了14.11 cm。與無沖刷相比，沖刷3 m 時土體最大位移較無沖刷時增大了11.2%，后續(xù)沖刷深度每增加2 m，樁內(nèi)土體最大位移增加趨勢較為穩(wěn)定，均增加了12%左右。樁外土體位移相差不大，說明沖刷對樁外土體位移幾乎無影響，且沖刷對基礎(chǔ)土體的破壞模式影響較小。

圖6 不同沖刷深度下土體的變形位移云圖

圖7 土體最大位移與沖刷深度的關(guān)系曲線

圖8 展示了不同沖刷深度的土體等效塑性應(yīng)變圖。土體塑性破壞區(qū)域主要集中在樁身泥面以下中間偏上區(qū)域，且隨著沖刷深度的增加，會在該破壞區(qū)域下部形成新的小范圍破壞區(qū)域。

圖8 不同沖刷深度的土體等效塑性應(yīng)變圖

4 沖刷對結(jié)構(gòu)固有頻率的影響分析

圖9 展示了不同沖刷深度下結(jié)構(gòu)的第一階模態(tài)。對于一般結(jié)構(gòu)而言，第一階固有頻率是影響結(jié)構(gòu)安全的最主要因素，因此，盡量使其遠離動力荷載的主頻率。圖10 展示了不同沖刷深度下結(jié)構(gòu)的第一階固有頻率。隨著沖刷深度的增加，結(jié)構(gòu)第一階固有頻率逐漸降低，并且降低的幅度越來越快，相較于不沖刷的結(jié)構(gòu)，沖刷達到7 m 時的第一階固有頻率降低了15.9%，由此可見，單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)固有頻率受沖刷影響較大。

圖9 不同沖刷深度下結(jié)構(gòu)的第一階模態(tài)

圖10 不同沖刷深度下結(jié)構(gòu)的第一階固有頻率變化曲線

5 結(jié)語

針對沖刷對海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)的影響，本文采用數(shù)值模擬的方法，建立了大直徑單樁基礎(chǔ)有限元模型，參照沖刷相關(guān)經(jīng)驗公式，確定了沖刷坑的深度以及倒錐形的沖刷坑形態(tài)，依據(jù)風(fēng)浪荷載組合進行相關(guān)計算，分析了沖刷對單樁基礎(chǔ)以及周圍土體的影響。結(jié)果表明，隨著沖刷深度的增加，單樁基礎(chǔ)相同高度處的位移逐漸增大，樁身外側(cè)壓力逐漸減小。對于土體而言，沖刷程度越大，樁內(nèi)土體位移越大，塑性破壞區(qū)域面積越大，而樁外土體位移以及土體破壞模式幾乎不受沖刷的影響。隨著沖刷深度的增加，樁身的第一階固有頻率逐漸降低，并且降低幅度逐漸增大。