粉土海床中風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)水平承載特性

孫永鑫，劉海濤，何春暉，邵冬亮，朱斌

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，山東 濟(jì)南 250000；2.浙江大學(xué)巖土工程研究所，浙江 杭州 310058）

0 引言

直徑為4～8 m的超大直徑單樁基礎(chǔ)以施工速度快，經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)成為目前海上風(fēng)電場(chǎng)使用率最高的基礎(chǔ)形式，在國(guó)內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，如中廣核如東150 MW海上風(fēng)電場(chǎng)示范項(xiàng)目，中電投濱海北區(qū)H1#100 MW海上風(fēng)電工程，三峽集團(tuán)江蘇響水202 MW近海風(fēng)電場(chǎng)工程等。目前海上風(fēng)電超大直徑單樁基礎(chǔ)缺乏成熟和公認(rèn)有效的設(shè)計(jì)方法。

三維有限元數(shù)值分析被廣泛應(yīng)用于樁基水平靜力受荷承載分析。Lesny和Wiemann等[1]利用有限元軟件分析了砂土中樁基在土面處加載時(shí)水平承載特性，指出與數(shù)值計(jì)算結(jié)果相比，傳統(tǒng)p-y曲線計(jì)算的土體深處的初始剛度過(guò)大，在設(shè)計(jì)時(shí)易導(dǎo)致樁長(zhǎng)不足。Kuo等[2]發(fā)現(xiàn)在單調(diào)水平荷載作用下樁基臨界埋深受水平荷載影響明顯，當(dāng)樁基埋深超過(guò)臨界埋深時(shí)，樁頂處位移不再受埋深的影響。劉晉超等[3]開(kāi)展了砂土中大直徑單樁基礎(chǔ)三維有限元數(shù)值分析，建議以土面處變形控制來(lái)確定樁基礎(chǔ)的臨界埋深。前人研究成果推進(jìn)了有限元數(shù)值方法在樁土相互作用分析中的應(yīng)用。粉土原狀樣難以獲取，且試樣易擾動(dòng)、難飽和等原因，導(dǎo)致了三維數(shù)值分析的難度，目前已開(kāi)展的粉土室內(nèi)試驗(yàn)研究較少。

本文通過(guò)開(kāi)展密實(shí)粉土的室內(nèi)土工試驗(yàn)，率定了土體參數(shù)，建立超大直徑單樁基礎(chǔ)的三維數(shù)值分析模型，并采用大型常重力物理模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上研究粉土中近海風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)的承載、變形特性和不同樁徑樁基的臨界埋深，以期為海上風(fēng)電機(jī)組樁基礎(chǔ)水平變形提供設(shè)計(jì)參考。

1 三維數(shù)值分析模型的建立

粉土試樣取自錢(qián)塘江邊的一個(gè)地鐵基坑，相對(duì)密實(shí)度為88%。三軸固結(jié)排水試驗(yàn)剪切（CD）試驗(yàn)圍壓分別為20 kPa、40 kPa、80 kPa。試驗(yàn)結(jié)果表明：1）飽和粉土的應(yīng)力應(yīng)變曲線呈明顯的應(yīng)變軟化特性；2）該粉土試樣峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的內(nèi)摩擦角為41.5°，殘余強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的內(nèi)摩擦角為35.5°，黏聚力均為0 kPa；3）該密實(shí)粉土具有較強(qiáng)的剪脹性。

該粉土的計(jì)算參數(shù)，如表1所示。

表1 粉土計(jì)算參數(shù)Table 1 Calculation parameters for silt

采用商業(yè)軟件ABAQUS[4]進(jìn)行三維有限元數(shù)值分析。根據(jù)水平荷載作用下單樁基礎(chǔ)的對(duì)稱(chēng)性，選物理模型尺寸的一半進(jìn)行建模，整個(gè)地基模型為半圓柱體，半圓形地基的直徑為樁基直徑的20倍，樁端距離模型底部5倍樁徑。

2 物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)近海風(fēng)電場(chǎng)超大直徑單樁，楊永垚[5]基于常重力條件下剛性樁無(wú)量綱比尺對(duì)應(yīng)關(guān)系，在密實(shí)度為88%的錢(qián)塘江粉土地基中開(kāi)展了模型比尺為1∶30的樁基模型試驗(yàn)。以楊永垚[5]試驗(yàn)中加載高度為0.99 m的一組試驗(yàn)為模擬對(duì)象，建立三維有限元分析模型，參數(shù)如表2所示。三維有限元地基模型直徑為3.3 m，模型高2.56 m。

表2ABAQUS中模型樁參數(shù)Table 2 Parameters of model pile in ABAQUS

圖1給出了樁頂荷載位移曲線數(shù)值計(jì)算結(jié)果與楊永垚[5]試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。可以看出數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為接近，驗(yàn)證了模型參數(shù)取值的有效性。

圖1 數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)實(shí)測(cè)樁身荷載位移曲線Fig.1 Numerical calculated and experimental measured load-displacement curves of the pile body

3 API規(guī)范p-y曲線法適用性分析

p-y曲線法在傳統(tǒng)樁基水平變形分析中應(yīng)用廣泛，被美國(guó)石油協(xié)會(huì)（API）[6]所采用[3]。然而API規(guī)范[6]給出的設(shè)計(jì)理論依據(jù)于直徑小于2 m的樁基礎(chǔ)。Yan和Byrne[7]、Kim等[8]研究發(fā)現(xiàn)API規(guī)范[6]建議的樁基p-y曲線計(jì)算的初始剛度過(guò)大。通過(guò)建立不同樁徑（1 m、2.5 m和5 m）的有限元數(shù)值分析模型，研究API規(guī)范[6]p-y曲線法對(duì)大直徑單樁基礎(chǔ)的適用性。樁基的壁厚均取t=0.012D，埋深均為25 m，在土面處加載。將數(shù)值計(jì)算得到的單樁水平荷載-位移曲線與API規(guī)范[6]法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，如圖2所示。當(dāng)樁徑為1 m時(shí)，API規(guī)范[6]p-y曲線法的計(jì)算結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果較為接近，隨著樁徑的增大，API規(guī)范[6]p-y曲線法的計(jì)算結(jié)果逐漸偏不安全，樁徑為5 m時(shí)，與數(shù)值分析計(jì)算結(jié)果相比，API規(guī)范[6]p-y曲線計(jì)算的樁基水平變形偏小，嚴(yán)重偏不安全。該方法難以適用于超大直徑單樁基礎(chǔ)的水平變形分析。

圖2 不同樁徑時(shí)單樁荷載位移曲線Fig.2 Load-displacement curves of monopile with different pile diameter

4 超大直徑單樁臨界深度分析

近海風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)基礎(chǔ)的變形有嚴(yán)格的要求，樁基的埋深對(duì)水平變形影響顯著。

劉晉超等[3]利用數(shù)值分析研究了砂中超大直徑單樁基礎(chǔ)的臨界埋深，推薦采用基于控制土面處樁身水平變形的臨界深度（Lc，const）來(lái)確定超大直徑單樁基礎(chǔ)的最小埋深。

為研究Lc，const控制準(zhǔn)則下粉土中超大直徑單樁基礎(chǔ)樁基最小埋深，建立了樁徑D為5～8 m的一系列三維有限元數(shù)值模型。樁基壁厚為0.012D，加載高度e統(tǒng)一為30 m。地基為半圓柱體，直徑為20D，高為L(zhǎng)+10D，以消除邊界效應(yīng)的影響。表3給出了有限元模型樁基尺寸匯總表。

表3 三維有限元模型樁基尺寸匯總表Table 3 Dimension summary table for pile foundation of three dimensional finite element model m

圖3給出了樁頂處水平荷載為5 MN時(shí)的樁身變形曲線，可以看出，無(wú)論樁徑大小，埋深為8D和10D時(shí)的樁身變形曲線幾乎重合，即當(dāng)樁基埋深超過(guò)8倍樁徑時(shí)，樁基埋深對(duì)水平變形影響不顯著。

圖3 不同尺寸樁基的樁身變形曲線Fig.3 Pile body deformation curves of pile foundation with different sizes

圖4給出了水平荷載為5 MN時(shí)，不同樁徑樁基土面處的水平位移與無(wú)量綱化埋深之間的關(guān)系。從圖4中可以看出無(wú)論樁徑大小，當(dāng)樁基埋深超過(guò)8D時(shí)，繼續(xù)增大埋深對(duì)水平變形的影響非常小。

圖4 不同埋深時(shí)樁基土面處位移（H=5 MN）Fig.4 Displacement at soil surface of pile foundation with different buried length(H=5 MN)

圖5給出了樁頂處水平荷載為15 MN時(shí)，直徑為6 m和8 m樁基土面處的水平變形與無(wú)量綱化埋深之間的關(guān)系。從圖中可以看出，即使當(dāng)作用在樁頂?shù)乃胶奢d高達(dá)15 MN時(shí)，8D的埋深仍然滿(mǎn)足 Lc，const準(zhǔn)則。

圖5 不同埋深時(shí)樁基土面處位移（H=15 MN）Fig.5 Displacement at soil surface of pile foundation with different buried length(H=15 MN)

5 樁基水平承載設(shè)計(jì)圖表

近海風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)基礎(chǔ)的變形有嚴(yán)格的控制要求，超大直徑單樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)應(yīng)以變形為控制標(biāo)準(zhǔn)。樁徑和埋深是超大直徑單樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。從圖5中可以看出，確定了土面處水平變形控制標(biāo)準(zhǔn)，以下兩種樁基設(shè)計(jì)方案，均可滿(mǎn)足土面處變形要求：

1） D=6 m，L=43.2 m；

2） D=8 m，L=36 m。

基于超大直徑單樁基礎(chǔ)有限元模型計(jì)算結(jié)果，圖6（a）和圖6（b）分別給出了不同尺寸樁基在3 MN、5 MN水平向荷載作用下土面處的荷載位移曲線。

圖6 樁基水平變形設(shè)計(jì)圖表Fig.6 Horizontal deformation design chart of pile foundation

在進(jìn)行樁基設(shè)計(jì)時(shí)，不同的樁徑與埋深組合將影響樁基的重量。鋼材用量是影響近海風(fēng)機(jī)超大直徑單樁基礎(chǔ)工程成本的關(guān)鍵因素之一。如圖6（a）所示，在5 MN水平荷載作用下，若控制土面處位移小于0.1 m，樁基壁厚t=0.012D，則如下A、B、C三種方案均可滿(mǎn)足變形要求：

A：D=5.72 m， L=45.76 m；

B：D=6.39 m， L=38.34 m；

C：D=7.9 m， L=31.6 m。

樁基重量為：S= π（（D/2）2-（D/2-0.012D）2）L。鋼材密度為7 800 kg/m3，三種方案單樁重量分別為：A方案為363 025.8 kg，B方案為379 588.7 kg，C方案為478 190.2 kg。可以看出采用A方案比C方案可節(jié)省約三分之一的鋼材。因此在進(jìn)行超大直徑單樁基礎(chǔ)尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，在滿(mǎn)足變形要求的前提下，宜選取直徑小埋深大的尺寸組合。

6 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)粉土海床地基，結(jié)合室內(nèi)三軸試驗(yàn)，建立了超大直徑單樁基礎(chǔ)三維有限元數(shù)值分析，并得到常重力物理實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上研究了水平荷載作用下近海風(fēng)機(jī)超大直徑單樁基礎(chǔ)的承載特性，初步結(jié)論與建議如下：

1）目前工程界廣泛采用的API規(guī)范中p-y曲線分析法對(duì)超大直徑單樁基礎(chǔ)難以適用。

2）在密實(shí)度為88%的粉土地基中，無(wú)論樁徑大小，Lc，const準(zhǔn)則下的臨界埋深約為8倍樁徑。

3）在進(jìn)行超大直徑單樁基礎(chǔ)初步設(shè)計(jì)時(shí)，在滿(mǎn)足樁基水平位移的要求下，選取小直徑大埋深的樁基尺寸組合，可大幅減少單樁重量。