循環(huán)荷載下樁—筒組合基礎(chǔ)承載力衰減分析

王 曉 強

(浙江工業(yè)大學(xué)，浙江 杭州 310012)

1 概述

海上風(fēng)電基礎(chǔ)形式主要由水深和地質(zhì)、海床條件決定，單樁鋼管基礎(chǔ)和筒形基礎(chǔ)由于其運輸、安裝方便，經(jīng)濟性好等優(yōu)點，在淺海區(qū)域應(yīng)用廣泛[1]。海上風(fēng)電基礎(chǔ)長期受風(fēng)、浪等荷載的循環(huán)作用。對于單樁鋼管基礎(chǔ)和筒形基礎(chǔ)在水平循環(huán)荷載作用下的響應(yīng)問題，學(xué)術(shù)界做了大量研究。MATLOCK[2]基于黏土中小直徑水平受荷樁的模型試驗，提出了單樁基礎(chǔ)的p—y曲線公式；何沛豐等[3]就p—y曲線、經(jīng)驗擬合法與數(shù)值分析法，綜述了水平循環(huán)荷載作用下海上風(fēng)力發(fā)電樁基礎(chǔ)累積變形的特征；胡安峰等[4]通過室內(nèi)循環(huán)三軸試驗和有限元分析，建立了軟黏土剛度衰減模型，研究了水平荷載循環(huán)次數(shù)與幅值對樁身側(cè)向位移的影響；王愛霞等[5]通過離心機模型試驗，研究了長期循環(huán)荷載作用下，筒形基礎(chǔ)承載力的喪失和基礎(chǔ)破壞情況；王海旭[6]對筒形基礎(chǔ)在循環(huán)荷載作用下其累積變形的發(fā)展做了深入的研究；劉樹杰等[7]使用有限元分析的方法，對復(fù)合多筒基礎(chǔ)在豎向荷載、水平荷載和力矩作用下的極限承載力進(jìn)行了研究。

綜上可知，目前大多數(shù)學(xué)者停留于對單一的單樁鋼管基礎(chǔ)或筒形基礎(chǔ)的研究，而對樁—筒組合基礎(chǔ)受循環(huán)荷載的能力鮮有研究。本文建立樁—筒組合基礎(chǔ)的三維有限元模型，研究不同筒體加固下的樁—筒組合基礎(chǔ)在循環(huán)荷載作用下水平承載力衰減規(guī)律。

2 有限元模型介紹

為了研究水平循環(huán)荷載下樁—筒組合基礎(chǔ)的響應(yīng)，根據(jù)海上風(fēng)電機場地狀況，采用單樁鋼管基礎(chǔ)與筒形基礎(chǔ)結(jié)合的樁—筒組合基礎(chǔ)，并在ABAQUS中建立樁—筒組合基礎(chǔ)的三維有限元模型，幾何比尺為1∶1。

2.1 幾何尺寸

根據(jù)目前已建成的風(fēng)電場風(fēng)機基礎(chǔ)[8]，本文樁—筒組合基礎(chǔ)有限元模型分為鋼管樁與吸力筒，如圖1所示。其中，鋼管樁部分的直徑d=6 m，其總長L=80 m(插入海床的深度為60 m)；吸力筒部分直徑D分別取3d,4d,5d，高度h=2d。Bransby[9]建議，為消除水平受荷樁邊界效應(yīng)的影響，土體模型的長和寬均取25d，豎向取13.3d。

2.2 材料參數(shù)

水平循環(huán)荷載作用下，樁—筒組合基礎(chǔ)采用理想彈塑性材料，鋼材為Q345C，其楊氏模量Ep=2.1×108kPa，泊松比υp=0.25，屈服強度σs=345 MPa。

土體為淤泥質(zhì)黏土，取自杭州灣中部某風(fēng)電場，其初始楊氏模量Es0=10 MPa，內(nèi)摩擦角φ=28.81°，初始不排水抗剪強度Su0=15 kPa，泊松比υs=0.29，土體靈敏度St=5。根據(jù)ZHOU[10]提出的理想彈塑性模型概念，以及夏華盛[11]在有限元分析中應(yīng)用。水平循環(huán)荷載下土體強度衰減為:

(1)

(2)

其中，Su為土體弱化后不排水抗剪強度；Es為土體弱化后楊氏模量；δrem為土體靈敏度的倒數(shù)；ε為循環(huán)加載中的塑性應(yīng)變；ε95為原狀土樣在室內(nèi)三軸試驗中，豎向最大應(yīng)力95%處的塑性應(yīng)變。

為了適應(yīng)循環(huán)荷載作用下土體強度的衰減，并將上述公式應(yīng)用到ABAQUS模擬中，土體采用摩爾庫侖塑性本構(gòu)，考慮應(yīng)變水平對土體楊氏模量與不排水抗剪強度的影響。

3 承載力分析

3.1 靜力承載力

根據(jù)FD 003—2007風(fēng)電場工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：風(fēng)電機組地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)定(試行)和實際工程中對于風(fēng)機基礎(chǔ)泥面處轉(zhuǎn)角的控制，在基礎(chǔ)頂部施加0.17 m水平位移，控制樁基礎(chǔ)在泥面處轉(zhuǎn)角在0.5°以內(nèi)[12]。

單樁基礎(chǔ)在水平靜荷載作用下，3d～5d深度的土體提供主要水平承載力，為研究筒體直徑(D)和高度(h)對加固效果的影響，分別取高度為1d，2d，3d，直徑為3d，4d，5d的筒體作為對照建模，具體參數(shù)見表1。

表1 模型筒的參數(shù)

在規(guī)范允許的工作條件下，樁周土體仍處于彈性工作階段，筒對于單樁基礎(chǔ)有著很顯著的加固效果，其中筒徑(D)和筒高(h)是影響加固效果的兩大因素。在單樁基礎(chǔ)的基礎(chǔ)上加入筒形基礎(chǔ)以后，對基礎(chǔ)的水平承載力提升很明顯。表2中對不同直徑和高度的筒體對基礎(chǔ)水平承載力進(jìn)行了統(tǒng)計。從中可以得到，筒體直徑每增加1倍樁徑可以提升約49.07%的水平承載力，筒體高度每增加1倍樁徑可以提升約28.17%的水平承載力。經(jīng)過對比分析，增加筒徑的加固效果相較于增加筒體高度的效果高19%～23%。

表2 承載力提升情況

3.2 循環(huán)加載后承載力衰減

飽和軟黏土在循環(huán)荷載作用下，土體的強度隨循環(huán)次數(shù)和動應(yīng)力比的變化，會出現(xiàn)不同程度的衰減[13]。波浪荷載對風(fēng)機基礎(chǔ)體系主要由：作用在樁上的水平荷載以及作用在海床上產(chǎn)生附加壓應(yīng)力和超靜孔壓[14]。根據(jù)杭州灣實測波浪特性[15]，并結(jié)合WANG等[16]對作用于樁上波浪力的分析，將模型中的波浪荷載進(jìn)行簡化。

模擬波浪荷載周期為2.5 s，幅值為2 000 kN時，考慮循環(huán)次數(shù)的變化，對上文中所有模型算例進(jìn)行對照分析。圖2為受不同次數(shù)的循環(huán)荷載后，各基礎(chǔ)的承載力衰減曲線。由圖2可見，在本文所模擬的波浪荷載循環(huán)作用下，單樁基礎(chǔ)與樁—筒基礎(chǔ)的承載力隨循環(huán)次數(shù)的增加出現(xiàn)了不同程度的衰減。相比較于樁—筒基礎(chǔ)，單樁基礎(chǔ)的承載力衰減很微小。當(dāng)循環(huán)次數(shù)小于60次時，樁—筒基礎(chǔ)的承載力衰減隨循環(huán)次數(shù)的增加而顯著增大。

由圖2可知，在循環(huán)荷載作用100次后，承載力衰減完成95%以上。因此，將各模型循環(huán)100次后的承載力，作為基礎(chǔ)循環(huán)加載衰減后的承載力，數(shù)據(jù)統(tǒng)計記錄于表3。結(jié)合圖2與表3可知，樁—筒基礎(chǔ)衰減后的承載力仍遠(yuǎn)大于單樁基礎(chǔ)，樁—筒基礎(chǔ)承載力衰減量遠(yuǎn)大于單樁基礎(chǔ)。樁—筒基礎(chǔ)承載力的衰減與筒徑(D)和筒高(h)關(guān)系如下：筒體直徑每增加1倍樁徑，循環(huán)荷載作用后，基礎(chǔ)承載力衰減占原承載力百分比會提升在2.47%～11.23%；筒體高度每增加1倍樁徑，循環(huán)荷載作用后，基礎(chǔ)承載力衰減占原承載力百分比會提升約5.98%；筒徑增加對循環(huán)荷載作用后基礎(chǔ)的承載力的影響由大變小，而筒高增加對循環(huán)荷載作用后基礎(chǔ)的承載力影響則較為穩(wěn)定，增加1倍筒高衰減后承載力減少約6%。

表3 承載力衰減情況

樁—筒基礎(chǔ)在循環(huán)荷載作用后的承載力衰減與土體強度的衰減有關(guān)。土體在受循環(huán)荷載的反復(fù)作用后會產(chǎn)生塑性應(yīng)變，隨著塑性應(yīng)變的累計，土體強度出現(xiàn)衰減。并且，隨累計塑性應(yīng)變的增大，土體強度的衰減程度逐漸減小。如圖3所示，將土體累計塑性應(yīng)變通過加載后基礎(chǔ)的累積殘余位移反應(yīng)。單樁基礎(chǔ)的累積殘余位移遠(yuǎn)大于樁—筒基礎(chǔ)，1次循環(huán)加載后的殘余位移約占總累積殘余位移的59.83%，20次循環(huán)加載后累積殘余位移占總累積殘余位移中的80.49%；樁—筒基礎(chǔ)1次循環(huán)加載后的殘余位移約占總累積殘余位移的36.27%，20次循環(huán)加載后累積殘余位移占總累積殘余位移的62.67%。無論是單樁基礎(chǔ)或是樁—筒基礎(chǔ)，第一次循環(huán)加載后殘余位移在總累積殘余位移中占很大的比重。此外，經(jīng)過20次循環(huán)加載后，累積殘余位移的增加明顯減小。可知，殘余位移的發(fā)展是隨循環(huán)次數(shù)的增加不斷增加，但循環(huán)加載前期位移累積遠(yuǎn)大于中后期。由累積位移情況推算，樁—筒基礎(chǔ)的水平剛度遠(yuǎn)大于單樁基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

通過三維有限元建模，分析了淤泥質(zhì)黏土中單樁基礎(chǔ)和樁—筒基礎(chǔ)對水平循環(huán)荷載的響應(yīng)，得到結(jié)論如下：

1)筒體對樁體有顯著的加固效果，通過對基礎(chǔ)進(jìn)行水平靜力加載分析可知，筒體直徑D相較于筒體高度h對加固效果的影響更顯著；

2)樁—筒基礎(chǔ)的承載力衰減隨循環(huán)次數(shù)的增加而增大，且當(dāng)循環(huán)次數(shù)小于60次時，循環(huán)次數(shù)對基礎(chǔ)承載力衰減顯著；

3)筒徑增加對循環(huán)荷載作用后基礎(chǔ)的承載力的影響隨筒徑增大逐漸變小，而筒高增加對循環(huán)荷載作用后基礎(chǔ)的承載力影響則較為穩(wěn)定；

4)樁—筒基礎(chǔ)的水平剛度遠(yuǎn)大于單樁基礎(chǔ)，循環(huán)加載后基礎(chǔ)殘余位移遠(yuǎn)小于單樁基礎(chǔ)，位移累積與承載力衰減在循環(huán)加載的同一階段完成。

在海上風(fēng)電基礎(chǔ)設(shè)計中，為保障風(fēng)電基礎(chǔ)在工作中的長期可靠，必須對基礎(chǔ)在所選風(fēng)電場場地中所受長期循環(huán)荷載進(jìn)行相關(guān)分析，同時也需要對場地土的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行深入研究。本文以杭州灣某風(fēng)電場作為分析對象，參考杭州灣中部波浪荷載特性進(jìn)行研究，后續(xù)或可深入研究中樁—筒基礎(chǔ)的最優(yōu)筒高和筒徑比值等問題。