復(fù)合加載下海上風(fēng)電四筒基礎(chǔ)地基承載力特性研究

摘要：以福建某海上風(fēng)電場(chǎng)四筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)為研究對(duì)象，通過數(shù)值模擬方法建立四筒基礎(chǔ)-地基整體模型，研究四筒基礎(chǔ)在V-H（豎向-水平荷載）、V-M（豎向-彎矩荷載）、H-M（水平-彎矩荷載）和V-H-M（豎向-水平-彎矩荷載）作用下的地基失效模式。結(jié)果表明：在V-H和H-M加載模式下，四筒基礎(chǔ)豎向極限承載力和彎矩極限承載力均隨著水平力的增大而減小，且彎矩極限承載力與水平力之間呈現(xiàn)出線性減小的趨勢(shì)；在V-M加載模式下，隨著豎向荷載的不斷增大，四筒基礎(chǔ)主要運(yùn)動(dòng)形式從轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為平動(dòng)；V-H-M加載模式下的承載力包絡(luò)線隨著豎向荷載的增大向外擴(kuò)張，且豎向荷載的作用明顯提高了地基水平和彎矩極限承載力。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電；四筒基礎(chǔ)；復(fù)合加載；地基承載力；破壞包絡(luò)面

中圖分類號(hào)：P751;TU47文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

中國海岸線綿長(zhǎng)，海域遼闊，海上風(fēng)能可開發(fā)資源量大，且海上風(fēng)切變指數(shù)小、湍流強(qiáng)度小1-2]，使得海上風(fēng)電在中國發(fā)展迅速。隨著海上風(fēng)電的不斷發(fā)展，根據(jù)不同的水深和地質(zhì)條件，多種海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式3被相繼提出。目前，固定式基礎(chǔ)形式主要包括單樁基礎(chǔ)、重力式基礎(chǔ)、多樁承臺(tái)基礎(chǔ)、筒型基礎(chǔ)和導(dǎo)管架基礎(chǔ)。其中，導(dǎo)管架基礎(chǔ)海床以上部分為圓管空間桁架結(jié)構(gòu)，具有整體剛度大、擋水面積小等特點(diǎn)；筒型基礎(chǔ)具有結(jié)構(gòu)性能好、施工造價(jià)低等特點(diǎn)。福建省海域遼闊，風(fēng)能理論蘊(yùn)藏量約為1.2億kW。在離岸距離25～32 km海域，水深35～50 m，且海床地基覆蓋層較厚，多為淤泥和軟黏土等軟土地基，因此結(jié)合筒型基礎(chǔ)與導(dǎo)管架基礎(chǔ)的特點(diǎn)，多筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)作為支撐結(jié)構(gòu)將適用于該海域水深和地質(zhì)條件。隨著離岸距離的增加，環(huán)境荷載逐漸增大，上部荷載傳遞至地基，地基受到水平、豎向和彎矩荷載三者相互作用。鑒于此，分析多筒基礎(chǔ)在復(fù)合加載下的地基承載力至關(guān)重要。

近20年來，地基承載力研究大多集中于單筒基礎(chǔ)在豎向荷載[45]、水平荷載[6-71、彎矩荷載l？-101和復(fù)合加載[1-16條件下的地基承載力包絡(luò)線和地基破壞機(jī)理。比如嚴(yán)馳等4以地基豎向極限承載力作為目標(biāo)函數(shù)，采用控制變量法對(duì)土性參數(shù)進(jìn)行單因素敏感性理論分析，提出地基黏聚力參數(shù)對(duì)單筒基礎(chǔ)豎向極限承載力影響更為顯著;劉梅梅等5研究了不同長(zhǎng)徑比單筒基礎(chǔ)的豎向極限承載力特性，通過模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法提出適用于寬淺式筒型基礎(chǔ)的豎向極限承載力計(jì)算公式；馬鵬程等[7]研究了循環(huán)水平荷載作用下土體的弱化性能對(duì)單筒基礎(chǔ)極限承載力的影響，提出考慮土體強(qiáng)度減小的筒型基礎(chǔ)極限承載力計(jì)算公式；劉潤(rùn)等[9對(duì)筒型基礎(chǔ)在彎矩荷載作用下的失效模式進(jìn)行系統(tǒng)研究，揭示了基礎(chǔ)直徑和入土深度對(duì)筒型基礎(chǔ)抗彎承載性能的影響。在復(fù)合加載方面：張其一121明確了豎向荷載、水平荷載和彎矩荷載在地基破壞模式機(jī)制中的作用規(guī)律，揭示了H-M（水平-彎矩荷載）地基失效模式與各個(gè)荷載分量之間的關(guān)系；李思琦等13考慮水平荷載與彎矩荷載的非共面性，明確了非共面角對(duì)筒型基礎(chǔ)在復(fù)合加載作用下地基承載力的影響。目前，與多筒基礎(chǔ)地基承載力特性相關(guān)的研究較少，其中天津大學(xué)丁紅巖課題組[17-19]對(duì)海上風(fēng)電四筒基礎(chǔ)在砂土中的抗彎、抗扭承載力特性，以及表層軟土對(duì)四筒基礎(chǔ)承載力的影響做了深入研究；Hung等[20-2]分析了長(zhǎng)徑比與桶間距對(duì)三桶基礎(chǔ)地基承載力的影響。

本文以福建省某深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電四筒導(dǎo)管架項(xiàng)目為背景，建立四筒基礎(chǔ)-分層地基整體模型，對(duì)該海域四筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)在單向荷載和復(fù)合荷載條件下的地基承載力特性展開研究。

1計(jì)算方案

1.1有限元模型

四筒基礎(chǔ)-分層地基整體模型如圖1所示?；A(chǔ)單筒直徑D=12 m，筒長(zhǎng)L=11 m，相鄰兩筒之間的最短距離S=8m。筒體材料為Q355鋼，彈性模量E=200 GPa，泊松比取值為0.3。四筒基礎(chǔ)采用殼體進(jìn)行建模，網(wǎng)格類型為S4R單元。為了消除土體邊界效應(yīng)的影響，分層土體為200 m×200 m×120 m長(zhǎng)方體，每層的土質(zhì)參數(shù)取值如表1所示。土體服從Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，采用實(shí)體進(jìn)行建模。加密土體與基礎(chǔ)接觸區(qū)域的網(wǎng)格，整體網(wǎng)格數(shù)量約為120000個(gè)。約束土體底面6個(gè)方向的自由度，限制土體側(cè)面產(chǎn)生水平向位移?；A(chǔ)與地基的切向接觸采用罰函數(shù)，摩擦系數(shù)取值0.35，法向接觸采用硬接觸。

1.2加載方案與極限承載力判斷標(biāo)準(zhǔn)

荷載和位移的施加方式如圖2所示，采用位移控制法對(duì)四筒基礎(chǔ)進(jìn)行加載并建立參考點(diǎn)與筒型基礎(chǔ)進(jìn)行耦合[21]，將施加在筒型基礎(chǔ)上的靜力荷載和位移均轉(zhuǎn)化施加在參考點(diǎn)上，采用對(duì)邊加載方式，以此得到對(duì)應(yīng)的荷載-位移曲線。在豎向荷載作用下，地基豎向荷載-位移曲線不存在明顯的拐點(diǎn)，Hesar22]研究表明當(dāng)淺基礎(chǔ)在軟土地基上的豎向沉降量達(dá)到基礎(chǔ)寬度的3%～7%時(shí)即達(dá)到地基豎向極限承載力。因此本文將豎向位移為0.07D時(shí)對(duì)應(yīng)的豎向荷載作為地基豎向極限承載力。當(dāng)荷載-位移曲線存在明顯拐點(diǎn)時(shí)，認(rèn)為拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載為地基極限承載力，本文針對(duì)四筒基礎(chǔ)，取水平位移達(dá)到0.025D時(shí)的荷載為地基水平極限承載力，取0.03 rad時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角位移作為地基彎矩極限承載力。

2單向荷載下地基承載力特性

2.1水平荷載

在參考點(diǎn)上施加單向水平位移，提取參考點(diǎn)反力與位移得到四筒基礎(chǔ)水平荷載-位移關(guān)系曲線如圖3所示。由圖3可知，在加載前期，水平極限承載力隨水平位移近似線性增長(zhǎng)，隨后增長(zhǎng)緩慢并逐漸達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的值，當(dāng)水平極限承載力達(dá)到極值時(shí)，隨著水平位移的繼續(xù)增大有降低的趨勢(shì)。由圖4a可知，當(dāng)達(dá)到水平極限承載能力極限狀態(tài)時(shí)，四筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)帶有明顯的轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)，且轉(zhuǎn)動(dòng)軸偏離基礎(chǔ)水平面對(duì)稱軸線A-A'。3#筒前側(cè)土體被擠壓，在筒頂蓋前側(cè)端部隆起形成了楔形塑性破壞區(qū)域且向下延伸，由于土體分層且下層土體承載力更高，塑性破壞區(qū)域并未向下延伸至筒端（圖4b）。由于基礎(chǔ)存在明顯的轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)，筒前側(cè)土體以及筒內(nèi)部土體受到了較大的擠壓力，4#筒的筒端位置土體發(fā)生局部塑性變形，筒后側(cè)頂蓋處土體出現(xiàn)了空隙，基礎(chǔ)與地基土體發(fā)生分離。

2.2豎向荷載

在參考點(diǎn)上施加單向豎向位移，提取參考點(diǎn)反力與位移得到四筒基礎(chǔ)豎向荷載-位移關(guān)系曲線如圖5所示。由圖5可知，豎向承載力隨著豎向位移的增加不斷增大，且并不存在明顯拐點(diǎn)和極值點(diǎn)。筒內(nèi)土體在豎向荷載作用下不斷被擠壓而發(fā)生沉降，由于受到筒頂蓋與側(cè)壁的約束作用，并未出現(xiàn)筒內(nèi)土體向外流出的現(xiàn)象（圖6a）。土體塑性破壞區(qū)域自筒端開始不斷向下、向筒內(nèi)延伸，在底部形成貫通的“u”形塑性破壞區(qū)（圖6b）。此外，四筒基礎(chǔ)內(nèi)部土體自兩相鄰?fù)捕宋恢孟騼?nèi)延伸，當(dāng)筒間距較小時(shí)，將形成連貫的塑性破壞區(qū)。

2.3彎矩荷載

四筒基礎(chǔ)在彎矩荷載作用下的彎矩轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線如圖7所示。由圖7可知，在加載前期，彎矩極限承載力基本上隨著轉(zhuǎn)角的增加呈線性增長(zhǎng)，隨后逐步放緩，最后隨著彎矩荷載緩慢降低，但轉(zhuǎn)角持續(xù)增長(zhǎng)，彎矩極限承載力趨于平衡。對(duì)比較大水平荷載作用下的基礎(chǔ)失效模式圖，發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)在彎矩荷載作用下的土體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)和塑性變形相似（圖8），3#筒前側(cè)土體均被擠壓隆起形成破壞楔體，4#筒發(fā)生筒土分離。但是，相較于水平荷載作用，彎矩荷載作用下，筒體內(nèi)部土體受到的擠壓力更大，土體塑性變形區(qū)域更廣，3#筒前側(cè)筒端處形成較大范圍的塑性破壞區(qū)。

3復(fù)合加載下地基承載力特性

在實(shí)際工程中，四筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)不僅受到上部結(jié)構(gòu)傳遞的豎向荷載作用，同時(shí)還受到風(fēng)、波浪和海流引起的水平荷載和彎矩作用。復(fù)合加載模式分別采用Swipe試驗(yàn)加載方式得到V-H（豎向-水平荷載）和V-M（豎向-彎矩荷載）地基破壞包絡(luò)面，通過常位移比加載方式得到M-H地基破壞包絡(luò)面。

3.1 V-H荷載空間

通過在參考點(diǎn)同時(shí)施加水平荷載和豎向荷載，得到四筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)在復(fù)合加載下的地基位移和等效塑性應(yīng)變?nèi)鐖D9和圖10所示。當(dāng)豎向荷載較小時(shí)，土體塑性破壞情況（圖9b）類似于單向水平荷載作用工況，均是3#筒前側(cè)土體受到擠壓而隆起形成楔形塑性破壞區(qū)域，由于豎向荷載的作用，筒端位置形成局部剪切破壞并向下延伸，但4#筒并未與土發(fā)生分離，此時(shí)雖然施加水平荷載，但成層黏性土地基與基礎(chǔ)接觸面附近仍僅發(fā)生接觸面間的表層滑動(dòng)破壞12]，在筒體下方并未形成連續(xù)的滑裂面。而當(dāng)豎向荷載不斷增加時(shí)，筒體向下剪切土體并帶有一定的轉(zhuǎn)動(dòng)，不斷擠壓筒內(nèi)和筒側(cè)土體（圖10a），筒端處土體發(fā)生塑性破壞并不斷向下延伸，當(dāng)?shù)鼗心承﹨^(qū)域應(yīng)力接近極限，再受到水平荷載作用，地基在筒體下方形成連續(xù)的滑裂面（圖10b）。

在V-H荷載空間中，地基破壞包絡(luò)線如圖11所示。由圖11可知，當(dāng)水平荷載大于某一值時(shí)，基礎(chǔ)的豎向極限承載力隨著水平荷載的增大而降低。

3.2 H-M荷載空間

在彎矩和水平荷載的聯(lián)合作用下，四筒基礎(chǔ)H-M荷載空間內(nèi)的地基破壞包絡(luò)線如圖12所示。由圖12可知，彎矩極限承載力與水平極限承載力之間呈現(xiàn)出線性減小的關(guān)系。當(dāng)水平荷載單獨(dú)作用時(shí)，四筒基礎(chǔ)達(dá)到水平極限承載力時(shí)不僅產(chǎn)生了平動(dòng)位移，還具有轉(zhuǎn)動(dòng)位移，表明彎矩荷載對(duì)基礎(chǔ)穩(wěn)定性影響更為顯著。

3.3 V-M荷載空間

在彎矩和豎向荷載聯(lián)合作用下，四筒基礎(chǔ)V-M荷載空間內(nèi)的地基破壞包絡(luò)線如圖13所示。由圖13可知，在分層土體中，四筒基礎(chǔ)豎向極限承載力隨著彎矩極限承載力的增大呈現(xiàn)出線性減小的趨勢(shì)。由于四筒基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的旋轉(zhuǎn)軸偏離四筒基礎(chǔ)對(duì)稱軸且靠近臨載側(cè)筒體，可知豎向荷載提供了部分抗傾力距。當(dāng)豎向荷載較小時(shí)，豎向荷載提供的抗傾力距較小，四筒基礎(chǔ)主要表現(xiàn)為轉(zhuǎn)動(dòng)（圖14a），因此3#筒前側(cè)土體受到擠壓而形成塑性破壞區(qū)域，筒側(cè)與地基的接觸面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，且由于豎向荷載作用，筒端位置向下剪切土體，筒前側(cè)端部形成較大的局部土體塑性破壞區(qū)并不斷往下延伸，但并未與另一端形成連續(xù)的破壞面（圖14b）。當(dāng)施加在參考點(diǎn)上的豎向荷載不斷增大時(shí)，豎向荷載提供的抗傾力距不斷增大，筒體轉(zhuǎn)動(dòng)位移減小，四筒基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)形式主要為向下平動(dòng)，不斷擠壓土體。此外，筒體下方的土體發(fā)生塑性破壞，并且3#筒下方由筒端向外延伸的塑性破壞區(qū)形成連續(xù)的滑裂面，四筒基礎(chǔ)底部形成近似連通的破壞面（見圖15b）。

3.4 V-H-M荷載空間

通過對(duì)參考點(diǎn)施加豎向荷載并改變其水平位移與轉(zhuǎn)角位移比，研究了基礎(chǔ)在豎向-彎矩-水平三向荷載聯(lián)合作用下的破壞機(jī)制。其中，豎向荷載分量分別設(shè)置為0.3V0.5V、0.7V、0.9V，并結(jié)合豎向荷載為0V的工況，得到三向荷載作用下，基礎(chǔ)的破壞包絡(luò)面如圖16所示。由圖可知，對(duì)于給定豎向荷載，彎矩荷載與水平荷載之間均呈近似線性減小的關(guān)系。此外，對(duì)比無豎向荷載作用工況，當(dāng)有豎向荷載作用時(shí)，彎矩極限承載力和水平荷載極限承載力均有成倍的增長(zhǎng)。這是因?yàn)?，?duì)于四筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)，當(dāng)彎矩荷載或水平荷載將導(dǎo)致基礎(chǔ)傾覆時(shí)，旋轉(zhuǎn)中心與參考點(diǎn)并不在同一垂線，豎向荷載提供了抗傾覆力矩，有利于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。因此，極限范圍內(nèi)豎向荷載的施加提高了彎矩極限承載力和水平極限承載力，對(duì)結(jié)構(gòu)承載有利。

4結(jié)論

本文基于福建深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電四筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，建立基礎(chǔ)-分層土體模型，分析了四筒基礎(chǔ)在單向與復(fù)合加載條件下的地基承載力特性。主要結(jié)論如下：

1）在分層土體中，四筒基礎(chǔ)達(dá)到極限承載力時(shí)，土體塑性破壞區(qū)域并不連續(xù)。

2）在V-H復(fù)合加載作用下，四筒基礎(chǔ)豎向極限承載力隨著水平力的增大而逐漸降低；在H-M復(fù)合加載作用下，四筒基礎(chǔ)彎矩極限承載力隨著水平力的增大而線性減少。

3）在V-M復(fù)合加載作用下，隨著豎向荷載的不斷增大，四筒基礎(chǔ)的主要運(yùn)動(dòng)形式從轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為向下的平動(dòng)，并且四筒基礎(chǔ)豎向極限承載力隨著彎矩的增大呈現(xiàn)出線性減小的趨勢(shì)。

4）在V-H-M荷載空間，對(duì)于給定豎向荷載，彎矩荷載與水平荷載之間均呈近似線性減小的關(guān)系，且豎向荷載的施加明顯提高四筒基礎(chǔ)彎矩極限承載力和水平極限承載力，有利于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

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BEARING CAPACITY CHARACTERISTICS OF FOUR-BUCKETFOUNDATION IN OFFSHORE WIND TURBINES UNDERCOMBINED LOADING CONDITIONS

Cao Zheng1，2，Li Zhi3，Jiang Qi2，4，Dong Xiaofeng1，2，Wang Haijun12，Lian Jijian1，2

（1.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，TianjinUniversity，Tianjin 300350，China;

2.School of Civil Engineering，TianjinUniversity，Tianjin 300350，China;

3.Three Gorges group Fujian Energy Investment Co.，Ltd.，F(xiàn)uzhou 350001，China;

4.School of Water Conservancy，North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450046，China）

Abstract：To investigate the failure modes of four-bucket foundation under V-H（rertical-horizontal load），V-M（vertical-moment lood），H-M（horizontal-moment load）and V-H-M（vertical-horizontal-moment load），an overall model of four-bucket foundation with layeredsoil ground was established by means of ABAQUS based on a practical offshore wind project in Fujian，China.It shows that in V-Hloading and H-M loading conditions，the vertical bearing capacity decreases as the horizontal load increases and the moment bearingcapacity decreases proportionally with the increasing horizontal load.The motion pattern of four-bucket foundation changes from rotationto translation with the increase of vertical load under V-M combined loading condition.In V-H-M loading condition，the bearing capacityfailure envelope will expand when the vertical load increases.The vertical load can obviously enhance the horizontal and moment bearingcapacity of four bucket foundation.

Keywords：offshore wind power;four-bucketfoundation;combinedload;bearing capacity of foundation;failure envelope