海上風(fēng)電粉質(zhì)黏土中縮徑單樁承載特性研究

摘 要：利用有限元軟件進(jìn)行縮徑單樁承載特性研究，數(shù)值結(jié)果表明，相比于常規(guī)單樁，縮徑單樁擁有更大的豎向承載力；從等效塑性應(yīng)變?cè)茍D可知，縮徑單樁的豎向承載模式由常規(guī)單樁的樁端承載變?yōu)闃抖撕涂s徑段共同承載模式；縮徑段高度和直徑變化對(duì)承載力有顯著影響；通過(guò)對(duì)豎向承載力各段占比大小計(jì)算，可知縮徑段的外側(cè)承擔(dān)主要豎向荷載，約65%。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電場(chǎng)；海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)；海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)；縮徑單樁；單樁基礎(chǔ)；承載特性

中圖分類(lèi)號(hào)：TU432 " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

2020年9月22日，中國(guó)在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論中，首次提出碳中和理念，力爭(zhēng)于2030年前使二氧化碳排放量達(dá)到峰值，并努力在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)［1-3］。新型基礎(chǔ)形式及安裝方式的革命性創(chuàng)新，以及海上風(fēng)力機(jī)組的大型化是海上風(fēng)電行業(yè)降本增效的有效途徑。目前，海上風(fēng)電機(jī)組的固定式基礎(chǔ)主要有重力式、單樁、多樁、三角架、吸力筒導(dǎo)管架等結(jié)構(gòu)形式，其中單樁基礎(chǔ)的應(yīng)用范圍最廣、安裝數(shù)量最多。

基于常規(guī)單樁的優(yōu)化體型層出不窮，承載性能研究廣泛開(kāi)展。郭文文等［4］采用有限元法研究了圓盤(pán)式混合單樁基礎(chǔ)的承載特性，發(fā)現(xiàn)相比于單樁基礎(chǔ)新型結(jié)構(gòu)的增加可明顯提高基礎(chǔ)的水平、豎向、彎矩承載力；楊旭等［5］對(duì)單樁-摩擦輪基礎(chǔ)進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)水平承載力大于常規(guī)單樁基礎(chǔ)；郭文婷［6］利用有限元軟件分析了單樁-摩擦輪基礎(chǔ)在水平荷載與豎向荷載作用下的承載特性及其影響因素，以及組合荷載作用下的承載性能；朱東劍［7］研究了樁筒復(fù)合基礎(chǔ)砂土和黏土中的承載力，分析了承載特性與承載機(jī)理，并優(yōu)化了基礎(chǔ)體型；文松霖［8］對(duì)加翼樁進(jìn)行了承載特性研究，認(rèn)為該基礎(chǔ)形式能有效提高樁基承載力，且翼板形狀和入土深度均會(huì)影響承載力；張磊等［9］利用有限元方法研究了土體彈性模量大小及其豎向分布模式、承臺(tái)尺寸對(duì)樁基水平和豎向承載特性的影響，認(rèn)為新型基礎(chǔ)形式的豎向和水平承載力均有提升；趙爽等［10］通過(guò)對(duì)正、負(fù)斜樁的承載特性的研究，發(fā)現(xiàn)承載力隨加載角度的增加呈指數(shù)形式上升，且斜樁傾角越大，上升趨勢(shì)越明顯，說(shuō)明傾斜的樁土接觸面會(huì)增加基礎(chǔ)的承載能力；郭健等［11］開(kāi)展變徑單樁承載性能數(shù)值模擬研究，并對(duì)變徑段尺寸進(jìn)行參數(shù)分析，認(rèn)為變徑樁極限承載力較通長(zhǎng)樁有明顯提升，但變徑段長(zhǎng)度的改變對(duì)承載力影響較小。

綜上，對(duì)于單樁基礎(chǔ)的承載特性研究較為深入，而新型大直徑縮徑單樁的承載特性鮮有報(bào)道，本文針對(duì)縮徑樁結(jié)構(gòu)，開(kāi)展承載特性數(shù)值模擬研究，對(duì)比縮徑樁與常規(guī)單樁的單向承載力的差異，闡明塑性應(yīng)變區(qū)域分布異同，揭示縮徑單樁的承載機(jī)理，并研究不同縮徑段尺寸對(duì)承載力大小的影響和縮徑樁各部分所提供的豎向反力占比。

1 數(shù)值模型和邊界條件

土體采用 Tresca 屈服準(zhǔn)則的理想彈塑性模型，泊松比為 0.49，粉質(zhì)黏土的浮容重為8.5 kN/m3，不排水抗剪強(qiáng)度為70 kPa。假定地基土彈性模量取500倍的土體不排水抗剪強(qiáng)度。土體底面采用全約束，側(cè)面采用水平約束。筒-土間切向采用摩擦接觸，摩擦系數(shù)取0.42，法向采用硬接觸。

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)采用線(xiàn)彈性本構(gòu)模型，鋼密度為7850 kg/m3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，樁體壁厚均為80 mm，基礎(chǔ)有限元模型如圖1所示。圖1中S-1和C-1段長(zhǎng)7 m，S-2和C-2段長(zhǎng)18 m，S-3和C-3段長(zhǎng)35 m，其中S代表縮徑單樁，C代表常規(guī)單樁。

計(jì)算中水平、豎向和彎轉(zhuǎn)的限制條件分別為1 m、1 m和0.05 rad。

2 承載力對(duì)比

如圖2所示，水平和抗傾承載力，縮徑單樁略小于常規(guī)單樁，由于縮徑單樁減小了端部樁體的直徑，使樁土的接觸面積減小；縮徑單樁的豎向承載力明顯大于常規(guī)單樁，考慮到縮徑段體型增大了樁體水平投影的面積，使計(jì)算的端部阻力成倍增加。

3 等效塑性應(yīng)變與樁體受力對(duì)比

3.1 水 平

由圖3可看出，水平受荷載時(shí)，兩種體型單樁的土體塑性應(yīng)變區(qū)域均集中在泥面區(qū)域和樁端，水平位移1 m時(shí)的樁體受力和分布情況相近，縮徑單樁的縮徑段受力無(wú)明顯增加，在本文的縮徑段傾角條件下，縮徑段不存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3.2 豎 向

由圖4可看出，豎向受荷載時(shí)，常規(guī)單樁的土體塑性應(yīng)變區(qū)域均集中在樁端，而縮徑單樁的集中在縮徑段和樁端，說(shuō)明縮徑段的存在改變了單樁的承載特性。豎向位移1 m時(shí)，兩種單樁基礎(chǔ)的受力和分布情況不同，縮徑單樁的應(yīng)力較大且最大值分布在樁頂，樁端應(yīng)力較小，而常規(guī)單樁的應(yīng)力最大值分布在樁體中部區(qū)域，且小于縮徑單樁的應(yīng)力最大值。

3.3 抗 傾

如圖5所示，承受彎矩時(shí)，兩種體型單樁的土體塑性應(yīng)變區(qū)域均集中在泥面區(qū)域和樁端，轉(zhuǎn)角0.05 rad時(shí)的樁體受力和分布情況相近，縮徑單樁的縮徑段受力無(wú)明顯增加。

4 縮徑體型對(duì)承載力影響

計(jì)算工況設(shè)計(jì)中，保持C-1和S-1段的直徑恒定，即樁端部小直徑段的尺寸不變，取5.6 m，進(jìn)行多組工況的有限元計(jì)算。各工況的縮徑樁體型見(jiàn)表1。

4.1 水 平

從圖6中可看出，當(dāng)縮徑段直徑不變時(shí)，僅改變縮徑高度對(duì)于水平承載力的影響較小，水平承載力隨縮徑段高度的增大而減小。當(dāng)縮徑段高度不變時(shí)，僅改縮徑直徑對(duì)于水平承載力的影響較大，由于樁體上部直徑的增大導(dǎo)致水平承載力大幅增加，相當(dāng)于常規(guī)單樁增加了整個(gè)樁基的直徑。

4.2 豎 向

從圖7中可看出，當(dāng)縮徑段直徑不變時(shí)，僅改變縮徑高度對(duì)于豎向承載力的影響較小，說(shuō)明當(dāng)上部直徑固定時(shí)縮徑段傾角對(duì)于豎向承載力幾乎無(wú)影響，考慮縮徑段的水平投影面積無(wú)變化，實(shí)際工程中需考慮不同縮徑段傾角對(duì)于樁側(cè)土體狀態(tài)的影響。Z1～Z5工況間接縮小了上部大直徑段的高度，豎向承載力隨縮徑段高度的增大而減小。當(dāng)縮徑段高度不變時(shí)，僅改縮徑直徑對(duì)于豎向承載力的影響較大，由于縮徑段水平投影面積的增加，使更多的側(cè)阻力轉(zhuǎn)變成了端阻，極大增加了沉樁阻力，對(duì)于工程沉樁施工帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。

4.3 抗 傾

從圖8中可看出，抗傾的變化規(guī)律同水平和豎向承載力相近，抗傾彎矩隨縮徑段高度的增大而減小。當(dāng)縮徑段高度不變時(shí)，僅改縮徑直徑對(duì)于基礎(chǔ)彎矩的影響較大，由于樁體上部直徑的增大導(dǎo)致抗傾彎矩大幅增加，相當(dāng)于常規(guī)單樁增加了整個(gè)樁基的直徑。

5 豎向承載力各段占比

5.1 單樁和縮徑樁對(duì)比

從圖9中可知，對(duì)于常規(guī)單樁基礎(chǔ)，C-2段的豎向承載力占比較大，因?yàn)闃扼w豎向承載主要集中在樁體端部，且C-2的側(cè)面積大于C-1，所以C-3段的向承載力占比最小約為19%。對(duì)于縮徑單樁，縮徑段的存在使S-1段的豎向承載力急劇減小，幾乎消失，縮徑段形成的斜面承擔(dān)了幾乎所有其下的豎向荷載，改變了整個(gè)樁體的承載模式，使S-2段和S-3段的豎向荷載占比增加。

5.2 不同體型縮徑樁對(duì)比

考慮豎向承載力相差最大，建模分析樁內(nèi)和樁外的承載差異，并重新進(jìn)行樁體部位命名，根據(jù)樁內(nèi)、外分別稱(chēng)為I-1、I-2、I-3和O-1、O-2、O-3，D代表樁底端（端阻），如圖10所示。

圖11為G1～G5工況，縮徑段直徑不變，改變其高度，受縮徑段影響，樁體內(nèi)側(cè)幾乎不承擔(dān)豎向荷載，其中I-2、I-3幾乎為零，I-1較小在位移較大時(shí)與O-1持平，O-2和O-3承擔(dān)了較大的豎向荷載，O-2為縮徑段的外側(cè)，承擔(dān)約70%的豎向荷載。O-2段占比隨縮徑段高度的增加而增大，O-3隨縮徑段高度的增加表面積減少，占比漸少。

圖12為Z1～Z5工況，縮徑段高度不變改變其直徑，同樣受縮徑段影響，O-2和O-3承擔(dān)了較大的豎向荷載。以豎向位移0.5 m處為例，O-2段占比隨縮徑段直徑的增加而減小，O-3隨縮徑段直徑的增加表面積增加，占比增加。從圖12也可看出，縮徑段直徑的變化使豎向承載力增加，且O-3段占比增加。

G4和Z1的縮徑段角度一致，對(duì)比分析如圖13所示。

G4的縮徑段直徑和高度均大于Z1，G4的O-2段承載力大于Z1，G4的O-3段承載力略小于Z1，各段占比如圖14所示。

G4的O-2段占比大于Z1，O-3段占比小于Z1，兩種工況的縮徑段傾角相同，G4的O-2水平投影面積大于Z1，所以O(shè)-2承擔(dān)較多的豎向荷載，導(dǎo)致O-3占比減少。

6 結(jié) 論

通過(guò)有限元方法對(duì)縮徑和常規(guī)單樁的承載特性進(jìn)行研究，對(duì)比兩種體型的單向承載力，分析3種承載模式的異同，研究縮徑樁體型對(duì)于承載力的影響，闡明縮徑段承載占比大小。得到以下主要結(jié)論：

1）相比于常規(guī)單樁，縮徑單樁擁有較大的豎向承載力、較低的水平和抗傾承載力，可有效控制沉樁過(guò)程的溜樁風(fēng)險(xiǎn)。

2）縮徑單樁的水平和抗傾承載機(jī)理與常規(guī)單樁一致，縮徑單樁的豎向承載模式由常規(guī)單樁的樁端承載變?yōu)闃抖撕涂s徑段共同承載模式。

3）當(dāng)縮徑段直徑不變時(shí)，僅改變縮徑高度對(duì)于承載力的影響較小，承載力隨縮徑段高度的增大而減小。當(dāng)縮徑段高度不變時(shí)，由于樁體上部直徑的增大導(dǎo)致水平投影和樁土接觸面積增大對(duì)于承載力的影響較大。

4）縮徑單樁的豎向承載力主要由縮徑段及其上部樁體承擔(dān)，其中縮徑段的外側(cè)承擔(dān)約65%的豎向荷載，縮徑樁上側(cè)樁體的外側(cè)承擔(dān)約20%。

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RESEARCH ON BEARING CHARACTERISTICS OF

REDUCED DIAMETER MONOPILE IN SILTY CLAY FOR

OFFSHORE WIND POWER

Zhao Hao，Qiu Xu，Li Hui，Yan Shu，Ma Wenguan

（China Huaneng Clean Energy Technology Research Institute Co.， Ltd.， Beijing 102209， China）

Abstract：The bearing characteristics of reduced diameter monopile of offshore wind power was researched in this paper using the finite element software. The numerical results show that the reduced diameter monopile has greater vertical bearing capacity than that of the conventional monopile. It can be seen from the equivalent plastic strain map that the vertical load mode of the reduced diameter monopile changes to the joint load mode of the end and the reducing section， compared to the end load mode of the conventional monopile. The height and diameter of the reducing section have a significant influence on the bearing capacity. Through the calculation of the proportion of each section of vertical bearing capacity， the outside of the reduced section bears the main vertical load， about 65%.

Keywords：offshore wind farms； offshore wind turbines； offshore wind power structures； reduced diameter monopile； monopile； bearing characteristic