黏土中海上風(fēng)電三筒基礎(chǔ)上拔阻力特性研究*

張浦陽(yáng)，信連碩，樂(lè)叢歡，丁紅巖

黏土中海上風(fēng)電三筒基礎(chǔ)上拔阻力特性研究*

張浦陽(yáng)1,2,?，信連碩1，樂(lè)叢歡1,2，丁紅巖1,2

（1. 天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300350；2. 天津大學(xué)，水利工程智能建設(shè)與運(yùn)維全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350）

通過(guò)數(shù)值仿真的方式對(duì)黏土中三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)上拔阻力特性進(jìn)行研究，明確吸力筒直徑與筒高對(duì)三筒基礎(chǔ)上拔阻力曲線的影響與上拔過(guò)程中吸力筒所受摩擦力的分布特征。結(jié)果表明：三筒導(dǎo)管架上拔阻力隨基礎(chǔ)位移呈現(xiàn)快速升高后逐漸回落的特點(diǎn)；最大上拔阻力隨著吸力筒直徑的增大而近似線性增大，最大上拔阻力對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)位移穩(wěn)定在吸力筒筒高的2%左右；在上拔過(guò)程中，筒壁摩擦力從向上轉(zhuǎn)為向下，吸力筒下部摩擦力與吸力筒外側(cè)摩擦力都表現(xiàn)出了更快的響應(yīng)速度；僅自重作用下基礎(chǔ)吸力筒摩擦力分布與破土?xí)r刻吸力筒摩擦力分布規(guī)律相似、大小相近、方向相反；吸力筒內(nèi)壁摩擦力相較于吸力筒外壁摩擦力沿圓周分布更加均勻。

三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)；上拔阻力；摩擦力；黏土；海上風(fēng)電

0 引 言

當(dāng)前全球化石能源緊缺，環(huán)境治理赤字嚴(yán)重，以風(fēng)能為首的新型能源成為全球能源危機(jī)的破局點(diǎn)。海上風(fēng)電相較于陸上風(fēng)電有發(fā)電量高、占用土地少等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)得到很大程度的發(fā)展。

目前海上風(fēng)電的基礎(chǔ)類型一般為單樁基礎(chǔ)、高樁承臺(tái)基礎(chǔ)、吸力筒型基礎(chǔ)、漂浮式基礎(chǔ)、重力式基礎(chǔ)等，其中單樁基礎(chǔ)在全球風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)中的占比最高。吸力筒基礎(chǔ)通過(guò)泵撬塊對(duì)筒內(nèi)施加吸力，從而產(chǎn)生筒內(nèi)外壓強(qiáng)差驅(qū)使基礎(chǔ)沉貫安裝，此類基礎(chǔ)具有安裝簡(jiǎn)單、可回收、安裝噪音小的特點(diǎn)，并且近年來(lái)以吸力筒基礎(chǔ)技術(shù)為支撐，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了海上風(fēng)電“一步式”安裝，在海上“栽”風(fēng)機(jī)的目標(biāo)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。

丁紅巖等[1-2]描述了我國(guó)海洋工程上第一個(gè)多筒吸力基礎(chǔ)負(fù)壓下沉、調(diào)平以及注水拆除的試驗(yàn)過(guò)程，為海上多筒吸力基礎(chǔ)平臺(tái)沉放安裝以及回收拆除提供了重要參考。DING等[3]采用數(shù)值模擬的方式研究了海上風(fēng)電復(fù)合筒型基礎(chǔ)在多種土質(zhì)條件與不同荷載組合作用下的極限承載能力，明確了吸力筒直徑、地基土強(qiáng)度以及分倉(cāng)隔板對(duì)結(jié)構(gòu)極限承載能力的影響。ZHANG等[4]提出了一種海上風(fēng)電三筒基礎(chǔ)下水技術(shù)，研究了儲(chǔ)氣量與海況對(duì)三筒基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響。LE等[5]對(duì)服役7年的筒型基礎(chǔ)系泊平臺(tái)進(jìn)行拆除并在拆除后重新進(jìn)行安裝，結(jié)果表明在較長(zhǎng)的服役時(shí)間后，筒型基礎(chǔ)平臺(tái)的極限抗拔力提高了約85%。HUANG等[6]進(jìn)行了模型試驗(yàn)，研究了改進(jìn)型吸力沉箱和常規(guī)吸力沉箱的注水拆除過(guò)程，同時(shí)研究了不同的拆除方式（注水拆除和吊裝拆除）和注水速率對(duì)超孔隙水壓力變化的影響。ZHAO等[7]研究了復(fù)合筒型基礎(chǔ)的浮運(yùn)過(guò)程，分析了波浪周期與波高對(duì)基礎(chǔ)浮運(yùn)穩(wěn)定性以及系纜力的影響。DING等[8]通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究了地震導(dǎo)致的地基液化對(duì)四筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)動(dòng)力響應(yīng)的影響。

在多筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)達(dá)到使用年限之后需要對(duì)其進(jìn)行拆除，很多基礎(chǔ)在安裝時(shí)向吸力筒內(nèi)灌入了砂漿導(dǎo)致無(wú)法使用注水拆除法，只能采用起重船進(jìn)行上拔拆除。目前的研究集中在多筒基礎(chǔ)的下沉安裝、注水拆除、抗震能力以及極限承載能力方面，有關(guān)上拔拆除工藝的研究也僅限于單筒結(jié)構(gòu)，鮮有針對(duì)多筒基礎(chǔ)整體上拔拆除的研究。本文旨在研究黏土中不同尺寸三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)上拔拆除過(guò)程中抗拔阻力的變化以及吸力筒內(nèi)外壁摩擦力的分布規(guī)律。

1 有限元模型

使用ABAQUS軟件建立了三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)有限元模型，模型結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，過(guò)渡段部分高5 m，導(dǎo)管架部分高38.7 m，加強(qiáng)段部分高2 m，吸力筒中心相距34 m，以筒基直徑和筒高為研究變量。基礎(chǔ)整體為鋼制結(jié)構(gòu)，在有限元模型中使用殼單元進(jìn)行模擬，采用Von Mises屈服準(zhǔn)則，屈服強(qiáng)度為345 MPa，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3。地基土為黏土，采用摩爾?庫(kù)倫本構(gòu)，黏聚力為30 kPa，彈性模量為2.5 MPa，泊松比為0.3，密度為1 550 kg/m3。

導(dǎo)管架各部分之間采用綁定接觸，地基與吸力筒之間采用摩擦接觸，筒土之間的摩擦系數(shù)取值為0.29。有限元模型中三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)部分網(wǎng)格數(shù)約為6 × 104，網(wǎng)格類型為S4R，地基土部分網(wǎng)格數(shù)約為7.8 × 105，網(wǎng)格類型為C3D8R。在繪制地基土部分的網(wǎng)格時(shí)，需要在筒土接觸部分布置較多的網(wǎng)格以提高計(jì)算精度，在土體邊緣適當(dāng)減少網(wǎng)格數(shù)量以提高計(jì)算速度。

為研究吸力筒尺寸對(duì)三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)上拔拆除過(guò)程的影響，建立9個(gè)不同尺寸的基礎(chǔ)模型，D15H10工況吸力筒直徑為15 m、筒高為10 m，其他工況也按照此方式命名。三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)的上拔拆除過(guò)程擬合是通過(guò)在基礎(chǔ)頂部施加豎直向上位移來(lái)實(shí)現(xiàn)的，為獲取上拔過(guò)程中上拔阻力以及筒土之間摩擦力的變化規(guī)律，將位移設(shè)置為隨工作步增量線性增大。

圖1 三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)計(jì)算模型

2 三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)上拔曲線

各計(jì)算方案上拔過(guò)程曲線如圖2所示，9條回收曲線在基礎(chǔ)回收的最開始階段，上拔阻力隨位移快速增加，在達(dá)到最大值之后會(huì)隨著位移的增大而衰減，最后穩(wěn)定在基礎(chǔ)自重值。

以最大上拔阻力為標(biāo)志，定義最大上拔阻力出現(xiàn)之前為破土前階段，最大上拔阻力出現(xiàn)后為破土后階段，出現(xiàn)最大上拔阻力的位移為破土位移。

吸力筒尺寸對(duì)最大上拔阻力與破土位移的影響如圖3所示。最大上拔阻力隨著筒身高度增大而增大，并且最大上拔阻力的增大幅度也有一定程度的上升；最大上拔阻力隨著筒身直徑的增大近似線性增大；破土位移穩(wěn)定在吸力筒筒高的2%左右；基礎(chǔ)直徑對(duì)破土位移的影響不大。

圖3 吸力筒高度（a）和直徑（b）對(duì)最大上拔阻力的影響；吸力筒高度（c）和直徑（d）對(duì)破土位移的影響

3 上拔過(guò)程吸力筒所受摩擦阻力研究

3.1 研究路徑

以D15H10工況為例，研究上拔過(guò)程中吸力筒筒壁摩擦力分布。由于三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為中心對(duì)稱與軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在研究吸力筒摩擦力分布時(shí)，以圖4（a）中右側(cè)吸力筒為研究對(duì)象。上拔過(guò)程吸力筒內(nèi)外壁摩擦力分布如圖4（b、c），內(nèi)壁摩擦力呈現(xiàn)較為均勻的環(huán)狀分布，外壁摩擦力的分布并不均勻。為研究外壁摩擦力分布規(guī)律，定義吸力筒左側(cè)為內(nèi)側(cè)，吸力筒右側(cè)為外側(cè)，在吸力筒筒壁上以45°為間隔選取5條研究路徑，如圖4（a）。在研究吸力筒內(nèi)壁摩擦力時(shí)，選取路徑1的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。

圖4 吸力筒內(nèi)外壁摩擦力分布特點(diǎn)以及摩擦力研究路徑

3.2 回收過(guò)程中吸力筒內(nèi)壁摩擦阻力分布

回收過(guò)程中，吸力筒內(nèi)壁所受摩擦力變化如圖5所示，定義筒壁最上端高程為0 m，最底端高程為?10 m。在回收初始階段，吸力筒內(nèi)壁所受摩擦力向上，摩擦力數(shù)值為正值，最大摩擦力出現(xiàn)在距離基礎(chǔ)底部1 m附近，分布曲線呈現(xiàn)開口向右的“C”狀分布。隨著基礎(chǔ)向上位移的增大，筒型基礎(chǔ)內(nèi)壁所受摩擦力逐漸從向上轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛳?，這個(gè)過(guò)程中基礎(chǔ)中下部表現(xiàn)出了更快的響應(yīng)速度。引起這種現(xiàn)象的原因是基礎(chǔ)中下部所受土壓力更大，因此單位位移引起的摩擦力變化更大。在基礎(chǔ)位移為10 ～ 15 cm時(shí)，出現(xiàn)吸力筒內(nèi)壁上部摩擦力向上、下部摩擦力向下的情況。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是上部土體的剛度小于下部土體，以至于在僅重力作用的時(shí)候，筒土之間的摩擦力使得上部土體進(jìn)行了更大的沉降變形，因此在回收過(guò)程中，當(dāng)下部土體恢復(fù)到無(wú)摩擦的中立位置時(shí)，上部土體依然保有一定的沉降變形。

圖5 上拔過(guò)程中破土前（a）和破土后（b）吸力筒內(nèi)壁摩擦力分布

達(dá)到破土位移時(shí)，吸力筒內(nèi)壁摩擦力呈現(xiàn)開口向左的“C”狀分布，最大向下摩擦力出現(xiàn)在距離筒底部0.5 m附近。這與位移為0 cm時(shí)的摩擦曲線分布規(guī)律相似，出現(xiàn)最大摩擦力的位置相近，摩擦力方向相反，最大向上摩擦力略大于最大向下摩擦力。

在破土后，基礎(chǔ)內(nèi)壁所受摩擦力由開口向左的“C”狀分布規(guī)律轉(zhuǎn)變?yōu)橛缮现料轮饾u增大的分布規(guī)律，吸力筒同一高度處摩擦力隨著位移的增大而減小。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是破土后基礎(chǔ)已經(jīng)突破土體對(duì)其豎直方向的嵌固約束，內(nèi)壁摩擦力從靜摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)摩擦，此時(shí)內(nèi)壁摩擦力取決于所在位置的有效土壓力，因此內(nèi)壁摩擦力隨著入泥深度的增大而增大，隨基礎(chǔ)向上位移的增大而減小。

3.3 回收過(guò)程中吸力筒外壁摩擦阻力分布

回收過(guò)程中，路徑1與路徑5的吸力筒外壁摩擦分布變化如圖6所示。

圖6 上拔過(guò)程中破土前（a、b）和破土后（c、d）兩種路徑吸力筒外壁摩擦力分布

吸力筒外壁摩擦分布規(guī)律與內(nèi)壁相似，大小相近，不同點(diǎn)在于在位移為0 cm時(shí)吸力筒外壁摩擦力呈現(xiàn)“S”狀分布而非“C”狀分布，且越靠近基礎(chǔ)外側(cè)摩擦力“S”狀分布越明顯。三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)在位移為0 cm時(shí)的變形如圖1（c）所示?；A(chǔ)吸力筒部分有著明顯的向外傾斜的變形，因此越靠近外側(cè)的土體，被動(dòng)受壓的情況越明顯，這將導(dǎo)致摩擦力的“S”狀分布也越明顯。

3.3.1 不同路徑外壁摩擦力分布

吸力筒不同角度所受外壁摩擦力分布如圖7所示。位移為0 cm時(shí)，路徑4與路徑5外壁摩擦力出現(xiàn)明顯的減弱；基礎(chǔ)位移2.5 cm時(shí)路徑1的外壁摩擦力與基礎(chǔ)位移10 cm時(shí)路徑5的外壁摩擦力表現(xiàn)出相同的分布規(guī)律，一定程度上可以說(shuō)明，吸力筒內(nèi)側(cè)外壁摩擦力與外側(cè)外壁摩擦力在破土前分布特征相似，吸力筒外側(cè)外壁摩擦力分布的變化速度快于內(nèi)側(cè)。在破土?xí)r，吸力筒外壁摩擦力呈現(xiàn)與內(nèi)壁摩擦力相似的“C”狀分布規(guī)律，最大向下摩擦力也出現(xiàn)在距離基礎(chǔ)底部0.5 m附近。基礎(chǔ)位移至1 m后，吸力筒外壁摩擦力分布由“C”狀分布轉(zhuǎn)變?yōu)橛缮现料轮饾u增大的分布規(guī)律，并持續(xù)至完全拔出，這過(guò)程中內(nèi)側(cè)提供的摩擦阻力始終大于外側(cè)。

圖7 吸力筒不同角度外壁摩擦力分布

3.3.2 不同路徑外壁摩擦阻力合力

將各路徑外壁摩擦力分布曲線沿高度進(jìn)行積分，得到各路徑單位寬度外壁摩擦阻力合力，如圖8所示。僅重力作用時(shí)，吸力筒外側(cè)外壁摩擦阻力大于內(nèi)側(cè)。在前10 cm的上拔過(guò)程中，摩擦力由向上快速轉(zhuǎn)為向下，隨后摩擦力變化速率降低。吸力筒外側(cè)外壁摩擦力在上拔過(guò)程中表現(xiàn)出更快的響應(yīng)速度，隨著位移增大，各路徑的摩擦力大小逐漸接近。

4 結(jié) 論

通過(guò)數(shù)值仿真的方式對(duì)三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)上拔拆除過(guò)程進(jìn)行研究，所得吸力筒尺寸對(duì)基礎(chǔ)上拔阻力的影響可以用于指導(dǎo)基礎(chǔ)拆除過(guò)程中起重船的選型工作，所得上拔過(guò)程中吸力筒摩擦力分布規(guī)律可用于指導(dǎo)拆除過(guò)程中的減阻工作。主要結(jié)論如下：

（1）吸力筒內(nèi)壁摩擦力相較于外壁摩擦力更加均勻。

（2）最大上拔阻力隨著筒身高度增大而增大，并且增大幅度也有一定程度的上升；最大上拔阻力隨著筒身直徑的增大近似線性增大。

（3）在本文土質(zhì)參數(shù)條件下，最大上拔阻力對(duì)應(yīng)的破土位移穩(wěn)定在筒高的2%左右，吸力筒直徑對(duì)破土位移沒(méi)有太大影響。

（4）在吸力筒所受摩擦力由向上轉(zhuǎn)為向下的過(guò)程中，吸力筒中下部的摩擦力與外側(cè)的摩擦力表現(xiàn)出了更快的響應(yīng)速度。

（5）基礎(chǔ)僅在重力作用下的摩擦力分布與破土位移時(shí)的摩擦力分布規(guī)律相近，大小相反。破土?xí)r刻最大向下摩擦力略小于僅重力作用下的最大向上摩擦力。

[1] 丁紅巖, 王立國(guó), 杜杰. 多筒吸力平臺(tái)沉放調(diào)平模型試驗(yàn)[J]. 巖土力學(xué), 2004, 25(3): 386-390. DOI: 10.3969/ j.issn.1000-7598.2004.03.011.

[2] 丁紅巖, 張浦陽(yáng). 多筒系纜平臺(tái)原型頂升試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué), 2008, 29(6): 1585-1588. DOI: 10.3969/j.issn. 1000-7598.2008.06.028.

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Pull-Up Resistance Characteristics of Three-Bucket Jacket Foundation in Clay

ZHANG Puyang1,2,?, XIN Lianshuo1, LE Conghuan1,2, DING Hongyan1,2

(1. School of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin 300350, China; 2. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Intelligent Construction and Operation, Tianjin University, Tianjin 300350, China)

The pull-up resistance characteristics of the three-bucket jacket foundation in clay are studied by means of numerical simulation, the influence of diameter and height of bucket on the pull-up resistance curve and the distribution characteristics of friction force of bucket are clarified. The results suggest that the pull-up resistance rises sharply and then gradually falls with the increase of the foundation displacement; the maximum pull-up resistance rises linearly with the increase of the bucket diameter; the foundation displacement corresponding to the maximum pull-up resistance is stable at about 2% of the height of the bucket; the friction force of the bucket shifts from upward to downward during upward pulling, and both the lower and outer friction forces of the bucket show a quicker response time; only under the action of dead weight, the friction distribution of the bucket is similar to that at the time of soil breaking, but in the opposite direction; the friction force of the inner wall of the bucket is more uniform than that of the outer wall.

three-bucket jacket foundation; pull-up resistance; friction; clay; offshore wind power

2095-560X（2023）06-0506-06

TK83

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2023.06.003

2023-02-23

2023-04-13

張浦陽(yáng)，E-mail：zpy_td@163.com

張浦陽(yáng), 信連碩, 樂(lè)叢歡, 等. 黏土中海上風(fēng)電三筒基礎(chǔ)上拔阻力特性研究[J]. 新能源進(jìn)展, 2023, 11(6): 506-511.

：ZHANG Puyang, XIN Lianshuo, LE Conghuan, et al. Pull-up resistance characteristics of three-bucket jacket foundation in clay[J]. Advances in new and renewable energy, 2023, 11(6): 506-511.

張浦陽(yáng)（1978-），男，博士，副教授，主要從事建筑科學(xué)與工程技術(shù)、新能源海上風(fēng)電技術(shù)研究。