海上風電樁桶復合基礎的豎向承載性能研究

黃周泉，吳 鋒，蘇靜波

(1.中交上海三航科學研究院有限公司，上海 200032;2.河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098)

0 引言

近幾年我國海上風電發展迅速，根據國家規劃，至2020年全國的海上風機裝機容量將達到5 000 MW［1］。風電基礎作為海上風機的重要組成部分，其成本約占工程總成本的20%～30%，因此成為海上風電場成本之中起控制性作用的因素之一。

根據統計，截至目前單樁基礎在全球海上風電基礎形式中占到80%，是運用最多的風電基礎形式。目前，我國采用的單樁基礎直徑普遍達到6 m以上，入土深度達到60 m以上。隨著海上風機功率向著大型化的方向發展，單樁基礎的幾何尺寸將進一步增加，進而帶來單樁基礎制作與施工成本的大幅度提高。

樁桶復合基礎作為一種新型的海上風電基礎，采用樁與桶相結合的復合基礎結構形式，無需過度增加樁體的幾何尺寸，即可有效地通過樁與桶體的結合，共同承擔基礎頂部的荷載，從而滿足海上風電基礎的設計要求，并且可以發揮出桶型基礎安裝方便、施工成本較低的優點。

近年來對于樁桶復合基礎的研究已很多［2-3］，但以往的研究均集中于樁桶復合基礎在水平力或上拔力作用下的承載特性分析，很少有研究豎向荷載作用下樁桶復合基礎的承載性能。劉文白［4］研究了不同幾何尺寸樁桶復合基礎豎向荷載作用下的應力分布變化，并根據不同幾何尺寸的樁桶復合基礎承載力提出結構優選方法，但研究均基于樁徑為1 m的小尺寸的樁桶復合基礎。本文基于ABAQUS，研究海上風電樁桶復合基礎在豎向荷載作用下的承載特性，荷載分擔，工作性狀，破壞模式以及幾何尺寸對基礎承載性能的影響。

1 計算模型及參數選取

在進行海上風電基礎性能研究時，首先要確定基礎的幾何尺寸，海上風電樁桶復合基礎作為一種新型基礎形式尚沒有工程實例，所以根據現有的海上風電單樁基礎的幾何尺寸來確定所研究的樁桶復合基礎的大致幾何尺寸。

根據試算結果，確定本文中研究樁桶復合基礎的承載特性時所采用的結構幾何尺寸如圖1所示。其中，桶體外徑D=12 m，桶體高度h=3 m，泥面以上預留連接段長度l=3 m，桶壁厚度δb=50 mm;樁體的入土深度Z=40 m，泥面以上樁長L=15 m，樁體外徑d=4 m，樁壁厚δp=50 mm;在樁體與桶體的連接部位留有0.1 m的間隙。為了對比樁桶復合基礎的承載性能，本文還建立了與樁桶復合基礎幾何尺寸相同的單樁基礎和桶型基礎。運用ABAQUS建立樁桶復合基礎的有限元模型如圖1所示。

圖1 樁桶復合基礎計算模型

荷載的施加，首先在樁頂的中心處定義一個參考點，再將參考點與樁頂進行耦合，豎向荷載施加在該參考點上。

研究中為消除邊界效應的影響，計算區域在樁底以下取5倍樁徑范圍的土體，水平方向取5倍桶徑范圍的土體作為約束邊界。基礎與土體之間設置摩擦接觸，摩擦系數為tan(0.75φ)，其中，φ為土體的內摩擦角。

本文中為了研究海上風電樁桶復合基礎的承載性能的規律性，同時為了簡化計算，研究選取單一土體，土質為典型的黏土，土質參數如表1所示。土體采用Mohr-Coulomb本構模型，鋼采用理想彈塑性與硬化塑性結合的本構模型，灌漿材料采用混凝土損傷塑性本構模型。

表1 土質參數

2 豎向承載力分析

基礎的豎向承載力是在基礎研究之中需研究者關注的首要問題。同樣為確保風機能夠正常的工作，需要研究風電基礎所能夠承受的豎向極限荷載。在工程設計中，當豎向荷載—位移曲線(Q—S)中出現較為明顯的陡降段時，通常以轉折點所對應的豎向荷載的大小來確定基礎的極限承載力［5］。此外，我國風電基礎的相關規范中規定，低、中壓縮性土體中基礎的允許沉降量為100 mm［6］。樁桶復合基礎以及與之幾何尺寸相同的單樁基礎、桶型基礎的Q—S關系曲線如圖2所示。

圖2 豎向荷載與豎向位移關系曲線

由圖2可知，三種類型的基礎豎向位移大小均隨著單一豎向荷載的增加而增加。其中單樁基礎的Q—S曲線有明顯的轉折點，當基礎頂部豎向荷載達到轉折點之后Q—S曲線出現明顯陡降，可以將Q—S曲線之中轉折點處所對應的豎向荷載的大小，即1.8×104kN確定為單樁基礎的豎向承載力。當桶型基礎與樁桶復合基礎的豎向沉降達到風電基礎的允許沉降100 mm時，Q—S曲線沒有明顯的轉折點，據此可以判斷，樁桶復合基礎的豎向承載力大于下沉量達到100 mm時所對應的豎向荷載的大小(即5.1×104kN)。

3 豎向荷載下基礎的荷載分擔

海上風電樁桶復合基礎之所以能夠承受豎向荷載，是由于受到桶頂阻力、桶內側摩阻力、桶外側摩阻力、桶端阻力、樁內側摩阻力、樁外側摩阻力、樁端阻力等土體的反力作用。通過研究豎向荷載下樁桶復合基礎的荷載分擔，可以為研究樁桶復合基礎中各部分幾何尺寸對基礎承載性能影響的大小提供依據。

樁桶復合基礎的土體反力見圖3。由圖3可知，樁桶復合基礎所受的豎向荷載主要由樁外側摩阻力和桶頂阻力承擔。當樁頂豎向荷載小于2.5×104kN時，兩種反力隨著豎向荷載的增加近似于線性增加，其中，樁外側摩阻隨著豎向荷載增加的速度較快;當樁頂豎向荷載大于2.5×104kN后，樁外側摩阻隨著豎向荷載增加的速度則明顯變緩，桶頂反力增加的速度則有所提高。

圖3 樁桶復合基礎的土體反力

樁桶復合基礎在不同豎向荷載作用下樁體與桶體對荷載的分擔狀況如圖4所示。由圖4可知，當豎向荷載小于2×104kN時，豎向荷載主要由樁體承擔，百分比約為70%，且變化幅度很小。當豎向荷載大于2×104kN后，隨著豎向荷載的增加樁體的分擔作用逐漸減小，桶體的荷載分擔比逐漸增大。當豎向荷載為5×104kN時，桶體的荷載分擔比達到了45.15%。

圖4 荷載分擔比

4 豎向荷載下基礎的工作性狀

根據以上分析，在豎向荷載作用下樁桶復合基礎所受的土體反力中樁外側摩阻承擔了較大一部分豎向荷載。單樁基礎和樁桶復合基礎的樁外側摩阻力如圖5所示。從圖5可以發現，當豎向荷載達到1.8×104kN之后，單樁基礎的樁外側摩阻力已完全發揮，繼續增加豎向荷載樁外側摩阻的數值穩定在1.82×104kN左右。

當豎向荷載達到2.5×104kN時，樁桶復合基礎的樁外側摩阻為1.71×104kN，樁外側摩阻力與豎向荷載的關系曲線出現轉折點，此后樁外側摩阻隨著豎向荷載的增加而繼續增加。當豎向荷載達到5×104kN時，樁外側摩阻達到了1.99×104kN。由此可見，樁桶復合基礎通過增加桶體，使得樁體的樁外側摩阻力能夠得到更好地發揮。

圖5 樁外側摩阻力

為了研究在單樁基礎外增加桶體能夠使得樁外側摩阻力能夠更好發揮的原因，圖6給出了樁外側土壓力隨深度變化的分布曲線。

從圖6可以發現:

(1)當基礎頂部沉降為0時，單樁基礎的樁側土壓力隨著深度的增加而增加，在樁底的位置有所減小;基礎頂沉降為50 mm和100 mm時，單樁基礎的樁側土壓力情況幾乎一致，土壓力大小相比沉降為0時有小幅增加，分布規律沒有明顯變化。

圖6 土壓力隨樁身分布

圖7 軸力隨樁身分布

(2)當基礎頂部沉降為0時，樁桶復合基礎的樁側土壓力分布與單樁基礎一致;基礎頂沉降為50 mm時，在泥面以下－11.1～0 m深度范圍內，樁桶復合基礎的樁側土壓力相比單樁基礎明顯增加;基礎頂沉降為100 mm時，在－13.3～0 m深度范圍內，樁桶復合基礎的樁外側土壓力大小進一步增加。這是由于樁桶復合基礎中桶體的下沉增加了樁體周圍土體的附加應力，使得泥面以下一定范圍內的樁外側土壓力明顯增加。從而提高了樁外側摩阻力，有效增加了樁體的承載性能。

樁桶復合基礎中樁體與單樁基礎的軸力分布情況如圖7所示。從圖7可以看出，在泥面以上的范圍內，由于基礎自重，單樁基礎的樁身軸力由樁頂向下逐漸增大;在泥面以下的范圍內，由于側摩阻力的作用，單樁基礎的軸力逐漸減小。泥面3 m以上的范圍內，樁桶復合基礎中樁體的軸力分布與單樁基礎完全重合;在泥面以上3 m至泥面以下2 m的范圍內，樁桶復合結構中的樁體軸力發生明顯減小;泥面2 m以下的范圍內，樁體軸力逐漸減小。其中，單樁基礎的軸力最大值出現在泥面位置的樁身截面上，與之不同的樁桶結構的樁體軸力最大值則出現在樁體與桶體連接段頂端的樁身截面上。

5 豎向荷載下基礎的破壞模式

研究表明，隨著基礎沉降的增加，單樁基礎的樁端土體逐漸形成接近于“球”形的塑性區域。樁桶復合基礎不同沉降的情況下土體的塑性應變云圖如圖8所示。當沉降小于30 mm時，樁底周圍出現塑性區，塑性區的形狀大致呈現“球”形;塑性應變的大小隨著沉降的增加而增加。當沉降達到40 mm時，樁底的塑性應變進一步增大，桶體下面的土體出現塑性區;塑性區由桶體端部向桶體內部并向下延伸。當沉降繼續增加時，桶側的土體出現塑性區，此時桶體以下土體形成連貫的“倒圓錐”形剪切破壞區。

圖8 土體塑性應變

6 結論與建議

本文通過有限元開展海上風電樁桶復合基礎豎向承載性能的研究。主要結論與建議如下:

(1)海上風電樁桶復合基礎通過樁體與桶體的復合能夠有效提高單樁基礎的承載力，同時發揮桶形基礎施工方便、經濟性好的特點。

(2)樁桶復合基礎所受的土體反力中，樁外側摩阻力和桶頂阻力起主要作用。當豎向荷載較小時，豎向荷載主要由樁體承擔，隨著豎向荷載的增加桶體的分擔作用逐漸提高。

(3)樁桶復合基礎中桶體的下沉增加了樁體周圍土體的附加應力，使得泥面以下一定范圍內的樁外側土壓力明顯增加，從而提高了樁外側摩阻力，有效增加了樁體的承載性能。

(4)樁桶復合基礎中樁體的軸力最大值出現在樁體與桶體連接段頂端的樁身截面上;在連接段范圍內樁體軸力明顯減小。

(5)當豎向沉降較小時，樁底出現球形塑性區;隨著沉降增加，桶體以下土體形成連貫的“倒圓錐”形剪切破壞區。

［1］國家發展改革委，國家能源局．電力發展“十三五”規劃(2016—2020年)發布稿［EB/OL］．國務院，2016［2016-12］．http:∥cape．ndrc．gov．cn/zcfg/201701/P020170112341246054484．pdf．

［2］劉文白，李小強．上拔荷載作用下樁-桶基礎結構尺寸效應的數值模擬［J］．巖土工程學報，2008，27(增刊2):3465-3470．

［3］丁紅巖，胡彩清，張浦陽，等．樁-筒組合基礎在單層黏土中水平承載性能分析［J］．海洋工程，2014，32(2):30-37．

［4］劉文白，王大山，趙龍．下壓荷載作用下樁-桶基礎結構設計及數值模擬［J］．巖土工程學報，2010，32(增刊2):216-219．

［5］JTS 167-4—2012 港口工程樁基規范［S］．

［6］FD 003—2007 風電機組地基基礎設計規定(試行)［S］．