圓盤式混合單樁基礎的承載特性研究

郭文文，金 晨，湯徐偉，李 函，江朝華

(1.河海大學水利工程實驗教學中心，江蘇 南京 210098；2.上海市城市建設設計研究總院(集團)有限公司，上海 200125)

海上風電基礎作為海上風機重要組成部分，在不同工況環境條件下受到了波浪、風、地震、沖擊等各種動力荷載的交互作用[1]。海上風機基礎形式主要有樁基礎、重力式基礎以及三角架基礎[2]。目前應用最多的是結構最為簡單的單樁基礎[3]。隨著海上風電場向大規模化、深水化、離岸化發展，風機承受的荷載將遠遠超過典型單樁基礎提供的支撐，混合單樁基礎成為專家學者研究的熱點。

圓盤式混合單樁基礎屬于一種新型的海上風機基礎形式。Stone[4]等人通過研究表明，圓盤式混合單樁基礎相較于單樁基礎，水平承載力和剛度有明顯地提高。Lehane[5]等人通過離心模型試驗和有限元數值模擬，研究不同豎向荷載作用下圓盤式混合單樁基礎塔筒頂端的位移和彎矩，通過對比單樁基礎、重力式圓盤基礎和混合基礎下的承載能力，發現混合基礎的轉動剛度和承載能力遠大于其他兩種基礎。

目前，對于圓盤式混合單樁基礎的結構特點、承載性能及機理等的研究還處于初級階段。本文采用ABAQUS有限元軟件建立了海上風機圓盤式混合單樁基礎模型，考慮材料非線性和樁土相互作用，對該基礎形式的承載特性進行研究，研究成果對圓盤式混合單樁基礎的應用和推廣具有一定的指導意義。

1 工程概況

本文依托江蘇省啟東市海上風電工程進行研究。根據實際工程中的實測資料，土體的浮容重為9.6 kN/m3，泊松比為0.35，內摩擦角為31°，粘聚力為32 kPa。啟東市海域2.5 MW海上風機基本參數為：機艙輪轂和風葉質量為127 t；塔筒上部為圓臺結構，高58 m，底外徑4.34 m，頂外徑2.68 m，壁厚38 mm，塔筒下部為圓柱體，高19.5 m，外徑4.34 m，壁厚50 mm。

2 有限元模型建立

本文2.5 MW風機圓盤式混合單樁基礎的尺寸參考Anastasopoulos[6]的尺寸，即重力式圓盤采用C30混凝土，直徑15 m，高2.5 m。鋼管樁直徑5 m，入土樁長15 m。塔筒與基礎的連接位置即法蘭連接處距泥面線的高度為19.2 m。保持法蘭位置不變，泥面以上的樁長19.2 m，塔筒總高度77.5 m。本文著重研究下部基礎，圓盤以上樁長和風機塔筒采用梁單元進行簡化，機艙和葉片用集中質量點代替。根據規范，鋼管樁的壁厚取80 mm。重力式圓盤與鋼管樁通過灌漿連接，灌漿厚度為100 m。由于結構均為圓柱形，土體邊界亦取為圓柱形。為消除邊界效應的影響，土體的寬度取為150 m，厚度取為22.5 m。

圖1 圓盤式混合單樁基礎風機的網格劃分示意

2.1 材料參數的選取

樁基和重力式圓盤簡化為線彈性模型，土體的本構采用非線性模型，即摩爾-庫倫模型(Mohr-Coulomb Model)來模擬，Mohr-Coulomb模型是基于摩爾庫倫屈服準則，當剪切面上的剪應力與正應力的比值達到最大時，材料發生屈服并破壞。土體的各參數均與實測資料一致。模型材料屬性匯總見表1。

2.2 接觸和邊界條件設置

各接觸面間的接觸方式設置為：圓盤以上樁長與下部樁基接觸面采用耦合約束；圓盤與灌漿、灌漿與樁基均采用綁定約束；樁與土體、圓盤與土體均采用面面硬接觸，且摩擦系數均取為0.4。在整個模型中規定重力的方向為Z軸負方向。

表1 模型材料屬性匯總

2.3 單元選擇與網格劃分

除上部塔筒及圓盤以上樁部分采用梁單元外，其余樁基、重力式圓盤、灌漿與土體均采用六面體八節點線性減縮積分單元——C3D8R來模擬。在水平向，將土體劃分為4個區域，從樁徑之內、圓盤直徑之內、3倍圓盤直徑之內到3倍圓盤直徑以外，網格依次由密到疏；在豎直方向，土體劃分為兩個區域，樁長之內的部分網格密集，樁長以外的部分網格較疏。單元總數在70 000～80 000之間。圖1為圓盤式混合單樁基礎風機模型的網格劃分示意。

3 承載能力校核

3.1 環境荷載下的靜力校核

3.1.1靜力荷載的選取

偏安全考慮，風機在海洋環境下所受的風、浪、流荷載選取翟少華[7]文中實測得到的啟東市海域2.5 MW海上風機的兩種工況下的環境荷載合力。結構靜力校核考慮將荷載最不利組合施加于樁基頂端，風機塔筒和上部結構的自重以集中力形式施加于樁基頂端，基礎頂端荷載如下：①在風機不工作的極限承載狀態下，彎矩為90 000 kN·m，豎向力為-8 263 kN，水平力為900 kN；②在風機正常工作的正常使用狀態下，彎矩為66 600 kN·m，豎向力為-2 730 kN，水平力為666 kN。其中，豎向力包含風機塔筒和上部結構的自重。

3.1.2靜力計算結果分析

為了說明圓盤式混合單樁基礎的優越性，取不加入重力式圓盤的單樁基礎進行對比，除重力式圓盤的有無之外，其余參數均保持一致。

3.1.2.1 剛度校核

表2列出了兩種基礎在兩種狀態下的泥面處水平、豎向位移和基礎的轉角。

表2 位移和轉角計算結果

由表2可知，圓盤式混合單樁基礎的各項參數均滿足結構設計要求，且均小于單樁基礎，在環境荷載下表現出明顯優勢；單樁基礎的基礎轉角均不滿足要求。

3.1.2.2 強度校核

兩種基礎在環境荷載下的應力結果見表3。

表3 應力計算結果

本文采用許用應力法對結構強度進行校核，即取材料屈服強度的0.6為材料的許用應力[8]，圓盤式混合單樁基礎在兩種工況下的應力最大值均在容許范圍內，且均比單樁基礎的鋼管樁的應力最大值小，體現了圓盤式混合單樁基礎的優越性。

3.2 基礎的承載特性研究

3.2.1承載力的確定方法

在進行設計時，對于承載力以變形作為控制標準。根據DNV-OS-J101 《Design of Offshore Wind Turbine Structures》[9]規定，在本文中，定義泥面線處水平位移100 mm、豎向位移200 mm、轉角0.04 rad處的承載力為基礎的極限承載力。

3.2.2單一荷載作用下圓盤式混合單樁基礎的承載特性

3.2.2.1 水平承載特性研究

利用ABAQUS進行數值分析時，采用位移加載的方法在下部基礎頂端施加水平位移荷載，從而得到圓盤式混合單樁基礎水平荷載和水平位移的關系曲線。為說明該基礎的優越性，將重力式圓盤、單樁基礎、兩者數值疊加與圓盤式混合單樁基礎的水平荷載與水平向位移關系進行對比，見圖2。

圓盤式混合單樁基礎與單樁基礎在水平位移加載前期，水平力呈線性增加，樁基變形處于彈性變形階段；隨著水平位移逐漸增大，水平力的增量呈減小趨勢，樁基變形由可恢復的彈性變形和不可恢復的塑性變形組成。對于重力式圓盤基礎，水平位移—荷載曲線存在明顯的拐點和極值點。當基礎水平位移大于0.02 m時，重力式圓盤變形達到破壞階段失去承載能力，基礎水平承載力達到極限狀態后水平位移繼續增大而水平力有略微下降的趨勢。

圖2 水平荷載與位移關系曲線

從圖2可以看出，在相同的水平位移下，圓盤式混合單樁基礎的水平力明顯大于其他兩種結構，圓盤基礎的水平承載能力最差。圓盤的加入明顯提高了基礎的水平承載能力，另外，當基礎水平位移小于0.02 m時，圓盤式混合單樁基礎的水平力等于單樁和圓盤基礎兩者水平力的疊加值；而當水平位移繼續增大時，混合基礎的水平承載力大于其他兩種基礎水平承載力的疊加值。

3.2.2.2 豎向承載特性研究

豎向位移荷載的施加方法與水平位移荷載相同。幾種基礎的豎向荷載與豎向沉降關系如圖3所示。

圖3 豎向荷載與位移關系曲線

從圖3可以看出：

(1)3種結構的豎向力隨著基礎沉降量的增加而持續增長。隨著沉降量的增加，圓盤以下、樁內及樁基礎底部土體逐漸變得更加密實，土體自身的承載能力得以增加，進而加強基礎的豎向承載能力。

(2)當豎向力為0時，3種基礎均有一定的豎向位移，這是由于結構本身在自重作用下會產生一定的豎向位移。與水平承載特性相同，當豎向位移相同時，圓盤式混合單樁基礎的豎向力高于其他兩種結構，圓盤基礎的豎向承載力大于單樁基礎。基礎泥面線豎向位移為0.20 m時，圓盤的加入使得單樁基礎的豎向力從33.53 MN提高4.3倍到142.9 MN，豎向承載力大大提升。與水平承載特性不同的是，圓盤式混合單樁基礎的豎向承載能力略小于單樁和重力式圓盤基礎兩者豎向承載能力的疊加值。

3.2.2.3 彎矩承載特性研究

彎矩荷載的施加是通過在荷載模塊設置轉角邊界條件來實現的。圖4是幾種基礎的彎矩-基礎轉角曲線。

從圖4可以看出：

(1)基礎的彎矩荷載與水平荷載變形關系相似，當基礎轉角較小時，三種結構的彎矩-轉角曲線近似成直線型增加；隨著轉角繼續增加，彎矩增量逐漸減小。

(2)轉角一定時，圓盤式混合單樁基礎的彎矩明顯大于其他兩種結構，圓盤基礎的抗彎承載能力最弱。當基礎轉角為0.04 rad時，混合單樁基礎的抗彎承載力分別約為單樁基礎的1.7倍和圓盤基礎的7.7倍。整個加載過程混合單樁基礎的彎矩均大于單樁和重力式圓盤基礎兩者彎矩的疊加值，且轉角越大，混合單樁基礎的優勢越明顯。

圖4 彎矩荷載—轉角關系曲線

為更好地解釋彎矩變化規律，將各個基礎的轉動剛度與轉角的變化曲線繪于圖5。

從圖5可以看出：

(1)當基礎轉角小于10-3rad時，所有基礎的轉動剛度幾乎不發生變化，即整個基礎處于彈性階段。轉角繼續增大，基礎的轉動剛度明顯減小，當轉角足夠大時轉動剛度最終將減小為0時，基礎完全破壞失效。

(2)轉角較小時，圓盤基礎與單樁基礎的彎矩轉角曲線幾乎重合，這是因為兩者的轉動剛度相近。隨著轉角的增加，圓盤基礎最先達到極限承載力，也是由于圓盤基礎的轉動剛度下降速度較快，最先趨近于0。這也是圓盤式混合單樁基礎較其他兩種基礎彎矩疊加值大的原因。

圖5 轉動剛度與轉角關系曲線

3.2.3水平和彎矩荷載(H-M)復合加載下圓盤式混合單樁基礎的承載特性研究

海上風機主要承受較大的風、浪產生的水平荷載和彎矩荷載，且對于海上風機基礎，豎向荷載主要來源于風機的自重，在本文中忽略風機運行過程中豎向荷載的變化，因此豎向荷載是一定值，僅按上部結構自重考慮。風機采用較輕的材料制造，因此相比于風、浪產生的水平荷載與彎矩荷載，豎向荷載是較小的。因此僅分析豎向荷載恒定的情況下水平和彎矩荷載(H-M)復合加載下基礎的承載性能。塔筒所受的水平荷載傳遞至塔筒底部引起彎矩荷載，因此，對于實際工程情況，水平荷載和彎矩荷載的方向是一致的。對H-M破壞包絡線也僅分析第1象限。將一系列水平荷載和抗彎承載力一一對應繪制成H-M的破壞包絡圖。結合前文對水平承載力的分析，取水平力為0、5、10、15、20 MN進行分析。此時的彎矩與轉角關系曲線見圖6，彎矩隨水平荷載的增加而減小。當轉角較小時，水平力對彎矩的影響尚不明顯；當轉角逐漸增大，水平力增大，彎矩明顯減小，該規律從H-M破壞包絡圖(見圖7)也可看出。當水平力較大時(如水平力為20 MN)，彎矩達到極限值后隨轉角的增大呈略微下降的趨勢。

圖6 不同水平荷載作用下基礎彎矩轉角關系曲線

圖7 水平荷載與彎矩荷載的破壞包絡圖

4 結 論

圓盤式混合單樁基礎是一種能適應海上風電場向深水化發展，解決單樁基礎為風機提供足夠支撐問題的新型海上風機基礎形式，該新型基礎集合了單樁基礎和重力式基礎的優勢，能為風機提供更高的承載力。本文通過利用ABAQUS軟件，考慮了土體的彈塑性與樁土相互作用，建立圓盤式混合單樁基礎的有限元模型，對結構的水平、豎向、彎矩單一荷載下的承載特性以及水平-彎矩復合加載下的承載特性進行分析。主要結論如下：

(1)兩種環境荷載下，圓盤式混合單樁基礎各項參數均滿足規范要求，在泥面處水平位移、豎向位移、基礎轉角等剛度以及混凝土應力、鋼管樁應力等強度均小于單樁基礎，表現出更好的穩定性。

(2)單一荷載施加于基礎，圓盤式混合單樁基礎較單樁基礎和重力式圓盤基礎這兩種基礎有更好的承載性能。圓盤的加入使得單樁基礎的水平承載能力、豎向承載能力、抗彎承載能力有顯著提高，圓盤式混合單樁基礎的水平承載能力和抗彎承載力較單樁基礎和重力式圓盤兩種基礎的疊加值大，但豎向承載能力略小于單樁基礎和重力式圓盤兩種基礎的疊加值。水平-彎矩荷載同時施加于基礎，基礎的抗彎承載力隨水平荷載的增加呈線性減小。當轉角較小時，水平力對彎矩的影響尚不明顯，隨著轉角的增大，水平力增大，彎矩減小越明顯。