波浪荷載下海上風(fēng)力機樁基礎(chǔ)滯回效應(yīng)及水平承載力變化特性研究

摘 要：該研究以海上風(fēng)電樁基礎(chǔ)為研究對象，采用自主設(shè)計的水平加載裝置模擬波浪荷載，結(jié)合粒子圖像測速（PIV）技術(shù)開展縮尺模型試驗。著重探究不同幅值的波浪荷載加載過程中，樁周土體的循環(huán)變形特征及加載前后，海上風(fēng)力機樁基礎(chǔ)水平承載能力變化。試驗結(jié)果表明：樁頂累積轉(zhuǎn)角隨加載次數(shù)呈線性增長、緩慢增長和穩(wěn)定發(fā)展的三階段變化特性；樁周土體呈現(xiàn)典型的剛性樁兩區(qū)域破壞形式，樁右被動區(qū)土體位移矢量場和位移云圖影響范圍受加載幅值變化影響顯著；樁頂循環(huán)加載荷載位移曲線表現(xiàn)出明顯的滯回性，滯回圈隨加載次數(shù)右移并產(chǎn)生累積位移。伴隨著滯回圈面積減小和割線剛度增大，樁周土體由以塑性變形向彈性變形為主導(dǎo)變化；循環(huán)加載后的滯回圈有明顯捏縮，耗能能力減弱。樁基礎(chǔ)水平承載能力及彈性變形能力較加載前均明顯提高。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電；波浪荷載；樁基礎(chǔ)；承載特性；滯回變化

中圖分類號：TU475 " " 文獻標(biāo)志碼：A

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0579

文章編號：0254-0096（2024）08-0546-08

華北水利水電大學(xué)河南省巖土力學(xué)與結(jié)構(gòu)工程重點實驗室，鄭州 450046

0 引 言

樁基礎(chǔ)由于其施工簡單、承載性能良好、適用性強等優(yōu)點，已成為海上風(fēng)電工程領(lǐng)域中使用最廣泛的基礎(chǔ)形式。然而，海上風(fēng)力機的樁基礎(chǔ)在正常服役期間常受到風(fēng)荷載、波浪荷載等水平循環(huán)荷載的作用。因此，應(yīng)對水平循環(huán)荷載下的樁基礎(chǔ)分析給予高度重視。

為此，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量試驗研究。Matlock［1］和Reese等［2］提出單層黏土和單層砂土中的p-y曲線經(jīng)驗公式，較好地反映了樁周土體受荷非線性特性；王惠初等［3］研究了鄧肯模型與靜載條件下樁的p-y曲線關(guān)系，引入土的性質(zhì)參數(shù)[β]，建立黏土中水平受荷樁靜載p-y曲線統(tǒng)一法；朱斌等［4］基于砂土中單樁基礎(chǔ)水平荷載試驗，深入研究了樁周土體的p-y曲線沿埋深深度方向的分布特性，得到水平大變位的p-y曲線模型；陳仁朋等［5］開展了粉土中大比尺樁基礎(chǔ)水平循環(huán)荷載試驗，充分考慮了循環(huán)加載下的循環(huán)效應(yīng)系數(shù)[fc]從而改進了p-y曲線方法；陳曉路等［6］開展了近海風(fēng)力機水平受荷單樁的現(xiàn)場試驗，提出適用于砂土和黏土中水平受荷樁承載特性的簡化p-y曲線模型；姜貞強等［7］和翟恩地等［8］分別通過ABAQUS和ANSYS等有限元軟件對海浪荷載下的海上風(fēng)力機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)變形及水平承載力變化進行了深入地探討。還有一些研究著眼于循環(huán)加載路徑、加載幅值、土體相對密實度等影響因素對樁基礎(chǔ)的水平循環(huán)特性的影響。Leblanc等［9］為準(zhǔn)確表達(dá)不同加載路徑下的樁基礎(chǔ)累積旋轉(zhuǎn)角度隨加載次數(shù)的變化特征，引用了循環(huán)動應(yīng)力比與循環(huán)荷載比兩個參數(shù)；張勛等［10］與李大勇等［11］基于Leblanc等［9］提出的模型，通過回歸分析分別預(yù)測了砂土中裙式吸力基礎(chǔ)和沉井加樁基礎(chǔ)在長期循環(huán)荷載下的累積轉(zhuǎn)角與樁頂累積位移變化規(guī)律。但這些研究都局限于樁本身，對樁周土體的變化關(guān)注有限，因此對樁-土相互作用機理描述并不全面。

粒子圖像測速（particle image velocimetry， PIV）技術(shù)具有精度高、無接觸檢測的優(yōu)點，可精確捕捉加載過程中土顆粒的位移狀態(tài)，故已廣泛應(yīng)用于巖土工程領(lǐng)域中［12-13］。鄭金海等［14］采用PIV技術(shù)，基于室內(nèi)水平循環(huán)荷載試驗，對樁周土體的沉降及對流運動規(guī)律進行了深入研究；李旭華等［15］基于PIV技術(shù)，對豎向循環(huán)加載條件下不同土體相對密實度和不同樁徑的支盤樁樁周土體的變形場進行了對比分析，并評價了支盤樁的抗壓承載力；曹兆虎等［16］和姜彤等［17］采用PIV技術(shù)對沉樁過程中，樁周土體位移場的變化進行分析；袁炳祥等［18-19］則開展了不同粒徑、土層厚度級相對密實度砂土中的水平受荷樁模型試驗，結(jié)合分形理論，對樁周表層土體的位移場發(fā)展規(guī)律進行了深入分析。PIV技術(shù)的引用，為巖土工程試驗測試開創(chuàng)了新的思路。

為此，本研究基于PIV技術(shù)開展不同幅值波浪荷載下的海上風(fēng)力機樁基礎(chǔ)單向循環(huán)加載試驗及循環(huán)加載后的靜載試驗。以循環(huán)加載的樁頂荷載位移曲線為主要監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合樁頂累積轉(zhuǎn)角、樁周土體位移場及樁周土體位移云圖，分析樁基礎(chǔ)受荷過程中樁周土體的變形過程。并對不同幅值的波浪荷載加載前后的樁基礎(chǔ)滯回效應(yīng)和樁基礎(chǔ)水平承載力進行對比分析，以期為砂土海床的海上風(fēng)力機基礎(chǔ)設(shè)計提供參考。

1 試驗設(shè)備與方案

1.1 循環(huán)加載試驗?zāi)Ｐ?/p>

圖1為自主設(shè)計的水平試驗加載裝置，用以模擬波浪循環(huán)荷載。試驗?zāi)Ｐ拖錇樗拿娣忾]、上部開口的長方體，模型箱長80 cm、寬50 cm、高60 cm、壁厚1.5 cm。模型樁距離模型箱邊界為[20D]（[D]為模型樁直徑20 mm），可忽略邊界效應(yīng)的影響。模型箱材料為有機玻璃，其具有良好的透光性，能極大程度提高照片的清晰度，減小環(huán)境誤差。壓樁裝置采用電子萬能試驗機，對試驗壓樁過程的控制具有較高的精度并能保證樁身豎直。試驗的加載系統(tǒng)為伺服加載裝置，加載精度0.03%。加載傳動桿內(nèi)安裝LVDT位移傳感器和力傳感器，用以實時測量循環(huán)加載過程中樁基礎(chǔ)的位移及受力狀況。采用CCD工業(yè)高速相機采集樁周土體位移數(shù)據(jù)，相機試驗拍攝范圍為50 cm×50 cm。

1.2 試驗材料

為準(zhǔn)確觀測樁基礎(chǔ)剖面范圍內(nèi)的樁周土體位移變化，模型樁采用圓柱形半樁，如圖2所示。樁徑[D=20] mm，入土深度即埋深[H=300] mm（模型樁相似比1∶100）。為保證模型樁剛度，樁身材料采用Q235鋼，其材料密度為7.75 g/cm3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.4。樁頂安裝HCA726S測角傳感器，以實時觀測循環(huán)加載過程中的樁頂累積轉(zhuǎn)角變化。為減小模型樁與模型箱的摩擦力，在模型樁切面敷一層高粘泡棉。

試驗采用含水率為0的福建標(biāo)準(zhǔn)砂，顏色微黃，呈顆粒狀，如圖3所示。試驗砂土相對密實度為60%，砂土干密度1.47 g/cm3。不均勻次數(shù)[Cu]為1.4，曲率系數(shù)[Cc]為1.06。最大孔隙比[emax]=0.93，最小孔隙比[emin]=0.59，砂土鋪設(shè)采用落雨法。

1.3 試驗方案

首先開展水平循環(huán)加載試驗（Ⅰ～Ⅲ），波浪荷載采用正弦波進行模擬。根據(jù)波浪荷載固有頻率，確定本試驗正弦波加載頻率為0.2 Hz。試驗加載幅值分別為低、中、高3個級別，即10、15、20 N。為研究循環(huán)加載前后樁基礎(chǔ)的滯回性能及水平承載力變化，待第一階段500次循環(huán)加載試驗完成后，靜置3 h以期樁周土體密實度、位移等指標(biāo)達(dá)到穩(wěn)定。再分別開展固定幅值（10 N）的單周期循環(huán)加載試驗（Ⅰ-C～Ⅲ-C）和水平靜力加載試驗（Ⅰ-J～Ⅲ-J）。具體加載方案如表1所示。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 樁頂累積轉(zhuǎn)角

圖4給出了不同循環(huán)幅值下，樁基礎(chǔ)樁頂累積轉(zhuǎn)角隨循環(huán)次數(shù)的變化趨勢。循環(huán)累積轉(zhuǎn)角隨循環(huán)次數(shù)呈3個階段變化：OA段（前10周期），循環(huán)累積變形隨循環(huán)次數(shù)呈線性增長；AB段（10～200周期），循環(huán)累積變形增長速率降低，但增長仍舊顯著；BC段（200～500周期），循環(huán)累積變形基本穩(wěn)定，不再發(fā)生明顯增長，后300次循環(huán)周期的累積變形僅占整個加載過程的5%～10%。這主要是因為樁周土體在循環(huán)加載過程中逐漸密實，對樁基礎(chǔ)的約束逐漸增大。另外，樁頂累積轉(zhuǎn)角受加載幅值影響顯著。幅值為10、15、20 N的工況下，500個周期的樁頂累積變形分別為0.8°、1.6°、2.3°，樁頂累積轉(zhuǎn)角隨加載幅值基本符合線性增長。

為驗證試驗結(jié)果的可靠性，對試驗Ⅰ～Ⅲ的樁頂累積轉(zhuǎn)角變化曲線進行歸一化處理，并與Leblanc等［9］和張紀(jì)蒙等［20］的循環(huán)加載試驗結(jié)果進行對比分析。由圖5可知，本試驗結(jié)果吻合度較好，試驗結(jié)果可靠度較高。為預(yù)測樁頂累積轉(zhuǎn)角變化趨勢，對樁頂累積轉(zhuǎn)角進行無量綱化，并在對數(shù)坐標(biāo)下進行表達(dá)。參考Leblanc等［9］建立的模型，構(gòu)建該試驗條件下砂土中樁基礎(chǔ)在長期循環(huán)條件下的累積變形表達(dá)式為：

[θNθ1=Na] （1）

式中：[θΝ]——第[N]次循壞的樁頂累積轉(zhuǎn)角；[θ1]——第1次循環(huán)累積的樁頂累積轉(zhuǎn)角；[N]——循環(huán)次數(shù)；[a]——反應(yīng)樁頂累積轉(zhuǎn)角對循環(huán)次數(shù)響應(yīng)的參數(shù)。

無量綱化樁頂累積轉(zhuǎn)角與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如圖6所示。對數(shù)坐標(biāo)下，樁頂累積轉(zhuǎn)角隨加載次數(shù)呈線性增長。雙對數(shù)坐標(biāo)下的線性擬合效果較好，擬合直線的斜率即為循環(huán)參數(shù)[a]的值，其值為0.11。

2.2 位移矢量場及位移云圖

圖7給出了不同幅值加載條件下，500次循環(huán)后的樁周土體位移矢量場和位移云圖呈典型的剛性樁破壞模式。樁周土體表層至埋深2/3部分呈楔形破壞。樁底處由于樁向右產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，形成一個近似圓形的旋轉(zhuǎn)破環(huán)區(qū)。把樁基礎(chǔ)看作一個繞固定點旋轉(zhuǎn)的擋土墻，可看到，樁右側(cè)土體由于樁基礎(chǔ)的擠壓產(chǎn)生向右的累積位移，形成被動區(qū)。樁左側(cè)則由于樁基礎(chǔ)向右的累積旋轉(zhuǎn)，形成主動區(qū)。樁左右兩側(cè)主被動區(qū)的輪廓呈倒梯形，最大影響范圍均位于土體表層，輪廓線隨深度內(nèi)縮。在不同幅值的循環(huán)加載條件下，樁左側(cè)的主動區(qū)范圍無明顯變化，但幅值對樁右側(cè)及樁底的被動區(qū)影響顯著。加載幅值分別為10、15、20 N時，樁右土體表層被動區(qū)影響寬度分別為3D、4D、6D，影響寬度隨加載幅值增大遞增。且樁右被動區(qū)內(nèi)土顆粒的位移大小也隨加載幅值的增大而增大。這對樁右被動區(qū)內(nèi)的土體密實度產(chǎn)生了較大影響，進而對樁周土體的割線剛度和水平承載力都有一定的提升。后文將進行較詳細(xì)的闡述。

2.3 循環(huán)滯回曲線

循環(huán)加載過程中的滯回曲線反映了樁基礎(chǔ)對荷載的響應(yīng)模式。為定量分析循環(huán)加載滯回曲線的形態(tài)特征及變化規(guī)律，Cuéllar［21］給出了循環(huán)滯回曲線割線剛度的定義，圖8為第1個循環(huán)周期和第[N]個循環(huán)周期峰值荷載下的割線剛度，滯回曲線的割線斜率[E]，反映了土體的剛度和彈性變形能力。

[E=Pmax-Pminymax-ymin] （2）

式中：[Pmax-Pmin]和[ymax-ymin]——單次循環(huán)下的荷載差（N）與其位移差（mm）。

循環(huán)荷載下的滯回曲線所包圍的面積[S]代表了樁基礎(chǔ)的耗能能力，其[S]的值越大，代表樁基礎(chǔ)在一個循環(huán)周期內(nèi)的能量消耗越大。

不同幅值加載條件下的循環(huán)滯回曲線隨加載次數(shù)的變化相似，故僅以試驗Ⅱ為例進行分析。圖9給出了試驗Ⅱ第1、10、100、200、300、400與500次循環(huán)周期對應(yīng)下的循環(huán)加載滯回曲線。

隨著循環(huán)加載次數(shù)的增加，循環(huán)加載滯回圈逐漸右移，表現(xiàn)出明顯的樁周土體變形累積。隨著加載次數(shù)的增加，滯回圈由不閉合向閉合轉(zhuǎn)變，斜率增加，滯回圈由飽滿的茄形捏縮為柳葉形。這說明，隨著加載次數(shù)的增加，樁周土體變形增長速率逐漸降低，樁基礎(chǔ)耗能能力由強轉(zhuǎn)弱，塑性變形能力減弱。當(dāng)循環(huán)加載次數(shù)超過200次后，樁周土體變形以彈性變形為主導(dǎo)，單次循環(huán)加載產(chǎn)生的累積變形并不明顯。

圖10給出了試驗Ⅰ～Ⅲ歸一化割線剛度[EN/E1]隨加載次數(shù)的變化。從整體變化趨勢來看，割線剛度隨加載次數(shù)的增加而增大。前200個循環(huán)周期內(nèi)，割線剛度增長趨勢明顯，后300個循環(huán)周期內(nèi)，割線剛度呈穩(wěn)定或降低趨勢。這是由于樁周土體在加載初期密實度較低，隨著循環(huán)荷載的作用，樁周土體在前200個周期內(nèi)發(fā)生剪縮，密實度增加，割線剛度增大；超過200個循環(huán)周期后，樁周土體密實度達(dá)到閾值，隨著加載次數(shù)的增加，樁周土體密實度不發(fā)生明顯變化或略微發(fā)生剪脹，割線剛度保持穩(wěn)定或略有降低。

2.4 循環(huán)加載前后的水平承載能力

對不同幅值下循環(huán)加載后的樁基礎(chǔ)開展單周期雙向循環(huán)荷載（Ⅰ-C～Ⅲ-C）和水平靜力加載試驗（Ⅰ-J～Ⅲ-J），研究循環(huán)加載對樁基礎(chǔ)水平承載能力的影響。圖11給出了試驗Ⅰ～Ⅲ經(jīng)過500次循環(huán)加載后的樁周土體的滯回圈與未加載情況下的對比。由圖11可知，未加載時的滯回圈為飽滿的茄形，循環(huán)加載后的滯回圈則均呈柳葉形。隨著幅值的增大，滯回圈長度縮短，寬度捏縮，斜率增大。各工況的滯回特征量化信息見表2。與未加載相比，試驗Ⅰ～Ⅲ加載后的滯回圈割線剛度[E]呈線性增大，而其耗能能力[S]則呈明顯降低。這說明，隨著幅值的增大，樁周土體的塑形變形能力及耗能能力降低，彈性變形能力及抵抗變形能力增強，從而表現(xiàn)為樁基礎(chǔ)水平承載能力的提高。

圖12給出了循環(huán)荷載施加前后樁基礎(chǔ)水平承載力的對比。循環(huán)加載前后的靜力加載曲線呈平穩(wěn)上升，未出現(xiàn)較明顯的拐點。說明樁周土體仍處在不斷硬化過程中。對此，可將樁體轉(zhuǎn)角為4°（即樁頂位移為35 mm）時刻對應(yīng)的水平荷載視為樁的水平極限承載能力［22］。由圖12可知，循環(huán)荷載施加后，樁基礎(chǔ)水平極限承載能力均得到提高。相比于加載前的水平極限承載力26 N，試驗Ⅰ～Ⅲ加載后的水平承載能力分別提高11.5%、23.1%、38%。隨加載幅值的增大，樁基礎(chǔ)的水平承載能力提高程度更明顯。分析原因是循環(huán)荷載施加后，樁周土體發(fā)生剪縮，樁周土體密實度增大，對樁基礎(chǔ)的約束能力增強，從而表現(xiàn)出樁基礎(chǔ)水平承載能力的提升。

3 結(jié) 論

本文基于PIV技術(shù)開展波浪荷載下海上風(fēng)力機樁基礎(chǔ)縮尺模型試驗。著重研究不同幅值波浪荷載下的樁頂累積位移、樁周土體變形、剛度及樁基礎(chǔ)側(cè)向承載能力的變化特性。得出的主要結(jié)論如下：

1）樁頂累積轉(zhuǎn)角隨加載次數(shù)呈線性增長、緩慢增長和區(qū)域穩(wěn)定的三階段變化特征；對數(shù)坐標(biāo)下，樁頂累積轉(zhuǎn)角隨加載次數(shù)均呈線性增長，斜率為0.11。同時，隨著加載幅值的增大，500個循環(huán)周期后樁頂累積轉(zhuǎn)角呈線性增大。

2）樁周土體破壞呈現(xiàn)典型的剛性樁破壞形式，樁頂兩側(cè)呈楔形破環(huán)，樁頂呈旋轉(zhuǎn)破壞。樁周土體位移大小隨加載幅值的增大而增大，且位移矢量場和位移云圖影響范圍隨加載幅值的增大而擴散。

3）樁頂循環(huán)加載荷載位移曲線表現(xiàn)出明顯的滯回性。循環(huán)加載滯回圈隨加載次數(shù)的增加逐漸右移，且滯回圈面積減?。谎h(huán)加載滯回曲線割線剛度樁頂累積位移變化特性變化呈密切相關(guān)，均在前200循環(huán)周期內(nèi)逐漸增大，而后基本保持穩(wěn)定或略微降低，且均受到加載幅值影響顯著。

4）循環(huán)加載后，樁基礎(chǔ)水平承載能力較加載前得到一定提高，且隨加載幅值的增大，水平承載能力提高更明顯。其主要原因是樁周土體相對密實度較小，經(jīng)過循環(huán)加載的作用，樁周土體發(fā)生剪縮，密實度增大。且幅值越大，樁周土體位移越明顯，導(dǎo)致樁周土體密實度更大，從而樁周土體對樁基礎(chǔ)的約束能力也就越強。

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STUDY ON HYSTERETIC EFFECT AND HORIZONTAL BEARING CAPACITY OF PILE FOUNDATION FOR OFFSHORE

WIND TURBINE UNDER WAVE LOAD

Jiang Tong，He Tianle，Wang Xuan，Wang Jing

（Henan Province Key Laboratory of Rock and Soil Mechanics and Structural Engineering，

North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450046， China）

Abstract：Taking offshore wind power pile foundation as the research object and using the self-designed horizontal loading device to simulate wave load and using particle image velocimetry （PIV） technique to carry out scaled model tests， the cyclic deformation characteristics of soil around the pile and the variation of horizontal bearing capacity of offshore wind turbine pile foundation before and after loading were studied in this study. The results reveal that the cumulative rotation angle of pile top exhibits a three-stage variation characteristic of linear growth， slow growth and steady development with the number of loading. The soil around pile exhibits a classic two-region damage pattern. The variations in loading amplitude have a considerable impact on the soil displacement vector field and displacement nephogram effect range in the passive area to the right of the pile. Hysteresis is clearly visible in the load displacement curve at the top of the pile， meanwhile， as loading times increase and cause cumulative displacement， the hysteresis circle shifts to the right. Accompanied by the reduction of the hysteresis loops area and the increase of the secant stiffness， the soil varies from plastic deformation to elastic deformation as the dominant change. After cyclic loading， there is a sizable pinch in the hysteresis loop， which weakens the energy dissipation capacity. In comparison to before loading， the pile foundation’s horizontal bearing capacity and elastic deformation capacity have greatly increase.

Keywords：offshore wind farms； wave loads； pile foundations； bearing capacity； hysteretic variation