海上風電傾斜螺旋群樁基礎適用性分析

石延杰，王 健，陳青山，張浦陽，任建宇

（1.天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072；2.天津市政工程設計研究總院有限公司，天津 300051）

引言

在全球應對環境氣候變化和推動綠色增長的大背景下，我國海上風電產業迎來飛速發展的全新時代，海上風電已成為我國推進生態文明建設、實現低碳發展的重要保障。而隨著海上風電場的建設日益加快，在海上風電場的建設中，風機基礎形式愈來愈引起人們的重視。傾斜螺旋群樁基礎作為一種新興的海上風電基礎，其使用靈活、施工便捷、承載高、污染小、成本低，在海上風電領域具有廣闊的應用前景。

目前已有大量學者針對螺旋群樁基礎相關性能進行了一定的研究，并取得了一定的研究成果，符勝男[1]研究了螺旋樁錨板上拔承載力的尺寸效應，提出了適用于不同埋深的極限上拔承載力計算公式。胡偉等[2]通過開展模型試驗，研究了水平荷載下螺旋樁的承載性能。Luo[3]等通過數值模擬研究了地震作用下螺旋樁樁-土間的動態響應機制。曹日躍[4]通過數值模擬分析了豎向荷載作用下螺旋單樁樁側摩阻力和樁體軸力的分布規律。張新春等[5]系統分析了長徑比、葉片距寬比、等對螺旋樁水平承載性能的影響。韓春雨[6-8]等通過加載試驗和數值模擬研究了螺旋樁單樁的承載性能及樁-土間動態響應機制。Lee 等[9]通過開展試驗，研究了螺旋錨在循環和斜向拉拔下的承載性能。

綜上可知，現階段針對螺旋樁基礎的研究成果主要集中于傳統高樁承臺群樁基礎，而針對傾斜螺旋群樁基礎在實際工程中應用研究仍相對不足，因此有必要開展實際工程中傾斜螺旋群樁基礎和傳統高樁承臺群樁基礎的對比分析。

本文通過有限元分析，從經濟角度和工程性能兩個方面，將實際工況下相同管徑、樁間距等因素的高樁承臺群樁基礎算例的承載性能和普通傾斜群樁算例的承載性能系統地進行對比分析，結果驗證了傾斜螺旋群樁的優良承載性能，研究成果對實際工程中的傾斜螺旋群樁基礎設計與計算具有一定的應用價值。

1 設計條件與選型

本文所選用的風電廠址的水文信息由相關機構提供，通過測量所得的該地區的平均水深為 25.66 m，此處海域土質多為砂土。該海域現已建成多個風電場，海上風電基礎型式選用高樁承臺基礎，所用風機為5 MW。本風電場的海水溫度常年高于0 ℃，其最高溫度為25 ℃，風電場內海水的密度為1 022 kg/m3，對應的含鹽量為3.8 %。

1.1 設計荷載

基礎設計荷載工況包括正常運行極限荷載工況、極端荷載工況（承載能力極限荷載工況）、疲勞強度驗算工況。將基礎受到的荷載等效到基礎上法蘭頂，具體如表1 所示。

表1 正常運行和極端荷載工況下的設計荷載Tab.1 Design loads for normal operation and extreme load conditions

1.2 土質參數

該風電場內大多數為砂土，對應土體的地勘參數的具體情況如表2 所示。

表2 風電場區土質參數基本資料Tab.2 Basic information on soil parameters in the wind farm area

1.3 結構選型

高樁承臺基礎常見于海岸碼頭和海工建筑，由基樁和承臺組成。本算例依據《海上風電場工程風電機組基礎設計規范》（NB/T 10105-2018）[10]及 《混凝土結構設計規范》（GB 50010-2010）[11]設計。承臺為直徑16.5 m，高4.5 m 的圓柱體，是現澆C50高性能海工混凝土結構，承臺底高程+4.5 m，頂部高程+9 m。承臺上部是法蘭環，底部嵌入承臺，直徑6 m，法蘭頂高程+12 m，采用表10 中所用鋼材。

傾斜螺旋群樁與無葉片普通的傾斜群樁兩者保持樁徑固定為2 m，僅改變樁長做相同用鋼量的對比分析。每個基礎設8 根樁，以承臺中心為圓心均勻環向布置，樁傾角為12 °，壁厚為0.05 m，樁嵌入到承臺中，樁頂高程為6 m，在高程-25.66 m（泥面處）鄰樁間距為10 m。鋼管樁內承臺至泥面下3 m 設有C40 補償收縮混凝土，所用混凝土所用材料參數如表3 所示。

表3 材料屬性Tab.3 Material Properties

2 基礎設計及有限元模型

2.1 螺旋樁基礎設計

由表1 中豎向壓力以及泥面樁上結構重量可得出作用在樁上極限下壓荷載為48.49 MN，根據極限彎矩、水平力產生的彎矩以及上部最小樁間距求得的最大上拔力為68.29 MN。

算例中所設計螺旋樁的樁身連桿直徑2 m，壁厚為0.05 m，螺旋葉片D=2.5 d，為5 m，厚度為0.05 m，葉片選取埋深為23 m，螺距取為2 m，具體如圖1 所示。將基本參數代入Howard 的“A Practical Guide to Design and Installation”[12]中公式計算螺旋單直樁所能提供的極限受壓承載力，計算結果為16.1846 MN，極限抗拔承載力為14.5229 MN，參考前文傾斜群樁效率系數，取群樁效率系數為0.932，求出對應的螺旋樁高樁承臺基礎承載力及校核如表4 所示。

圖1 螺旋群樁設計Fig.1 Helical cluster pile design

表4 螺旋樁高樁承臺基礎承載力校核Tab.4 Bearing capacity check of helical pile high pile bearing foundation

表4 中顯示螺旋樁高樁承臺承載力校核符合要求，普通群樁基礎按相同用鋼量，相同單樁直徑，相同傾角設計。經計算，延長普通樁樁長至泥面下28.229 m 深度，具體如圖2。

圖2 普通群樁設計Fig.2 Ordinary cluster pile design

2.2 有限元模型

螺旋群樁高樁承臺基礎有限元模型如圖3 所示，無葉片普通群樁基礎有限元模型如圖4 所示。法蘭、承臺與樁之間采用綁定（tie）接觸，法蘭選用S4R 殼單元，承臺選用C3D8R 實體單元，其余接觸設置、邊界條件、單元選擇同前。土層為長150 m，寬150 m，高70 m 的長方體，以充分消除邊界條件的影響，各土層的相關參數如表2。

圖3 螺旋群樁高樁承臺基礎有限元模型Fig.3 Finite element model for helical pile high pile bearing foundation

圖4 普通高樁承臺基礎有限元模型Fig.4 Finite element model for ordinary cluster pile design

3 計算結果對比分析

3.1 整體指標

基礎傾斜率：圖5 顯示在相同荷載條件以及相同用鋼量時，螺旋群樁基礎豎向位移遠小于普通群樁基礎。讀取圖中數據結果計算可得高樁承臺螺旋群樁基礎傾斜率為4.96/1 000，滿足海上風電基礎結構傾斜率在5/1 000 以內的要求；普通高樁承臺群樁基礎傾斜率為8.10/1 000，不滿足要求。

圖5 法蘭頂豎向位移云圖Fig.5 Vertical displacement contour of flange top

整體豎向位移：圖6 反映了基礎整體沉降變形大小，可以看出螺旋樁基礎最大沉降位移為66.1 mm，符合海上風電基礎最大沉降100 mm 的要求;普通群樁基礎最大沉降為127 mm，不符合要求。

圖6 高樁承臺基礎整體豎向位移云圖Fig.6 Integral vertical displacement contour of high pile bearing foundation

3.2 基礎各部分對比

圖7 顯示應力最大的部位是承臺與上部法蘭以及與下部受拉樁的連接處，是結構體系中的重要節點。螺旋群樁基礎最大應力大于普通群樁基礎，表明下部樁基對于承臺的約束更強，特別體現在與受拉樁的連接處，可見螺旋樁基礎的整體性與傳力路徑更好，本質上是來源于螺旋葉片增加了基礎在土中的錨固，所以在上部結構在復雜荷載工況下螺旋群樁基礎可以提供更強的剛度與連接作用。

圖7 混凝土承臺應力云圖Fig.7 Stress contour of concrete bearing platform

從圖8 可得沿加載方向的前后兩根樁位置處土體有最大和最小的豎向位移，可見各樁受力并不一致。整體來看，螺旋樁基礎地基土體位移更小，普通樁整體變形是螺旋樁的2 倍，說明螺旋樁基礎在相同荷載下對土體擾動更小。

圖8 地基沉降變形云圖Fig.8 Deformation contour of foundation settlement

圖9 中，螺旋樁在葉片處有相對較大的應力集中，說明螺旋葉片起到了較好的錨固作用，也更為重要；普通樁和承臺連接的部位和入土段應力較大，分布較為均勻，承載力由摩擦和端承提供。

圖9 樁基應力云圖Fig.9 Stress contour of pile foundation

圖10 中螺旋樁最大沉降為65.68 mm，普通樁為127 mm，普通樁沉降位移增加了約93 %。整體上普通樁變形也相對較大，可見其承載性能遠不如螺旋樁。由于有水平力和彎矩作用，各基樁受力并不一致，基樁的變形更為復雜，伴隨著一定的彎曲，若樁長較長可能需要做進一步的分析。

圖10 樁基豎向位移變形云圖（比例系數：50）Fig.10 Vertical displacement and deformation contour of pile foundation (scale factor: 50)

如圖11，根據基礎中各樁受力特點，按圖分組命名，其中包括僅受拉拔力的拉拔樁1#和拉拔樁2#，僅受壓的受壓樁1#和受壓樁2#，以及既受壓又受拉的壓拔樁。

圖11 高樁承臺基礎樁基受力模式Fig.11 Force pattern of pile foundation for high pile bearing foundation

提取兩基礎受壓樁1#泥面高程處樁周水平位移如圖12 所示，其中箭頭表示荷載加載方向。明顯可見普通樁基礎的側向變形遠大于螺旋樁基礎，螺旋樁基礎在受壓樁1#泥面處水平位移僅為普通樁的0.12～0.19，由此可見螺旋葉片的錨固對基礎的側向剛度同樣具有顯著的提升作用。

圖12 泥面高程受壓樁1#樁周水平位移分布圖Fig.12 Horizontal displacement distribution of mud Plane elevation pressurized pile 1# around the pile

計算兩基礎各樁在泥面深度處水平位移如表5所示。整體上看，普通群樁位移遠遠大于螺旋群樁，位移增幅為60 %～541 %。表5 中，螺旋群樁各樁水平位移差距較小，說明樁基整體性較好，變形較小；而普通群樁位移變幅大，由9.7 mm 變化到 25.5 mm，增加了數倍，沿加載方向逐漸增大。

表5 高樁承臺基礎各樁泥面高程處水平位移Tab.5 Horizontal displacement at mud plane elevation ofeach pile of high pile bearing foundation

4 結語

本文通過實際工況下的海上風電高樁承臺群樁基礎的算例，對比相同用鋼量下的傾斜螺旋群樁和普通傾斜群樁在相同荷載下的工程表現，進一步探究了傾斜螺旋群樁基礎的承載力性能與優勢，具體結論如下：

1）相同用鋼量時，同一荷載條件下螺旋群樁基礎傾斜率、豎向位移、最大沉降量更低，且均滿足海上風電基礎結構規范要求，而普通樁高樁承臺基礎均無法滿足，若要滿足使規范要求需增大用鋼量；

2）復雜荷載工況下螺旋群樁基礎可以提供更強的剛度與連接作用，且螺旋群樁基礎的最大應力大于普通群樁基礎的最大應力，螺旋葉片增加了螺旋群樁基礎在土中的錨固效應，對于承臺的約束更強，對土體擾動更小；

3）相較于螺旋樁，普通樁沉降位移增加了約93 %，螺旋樁基礎泥面處水平位移僅為普通樁的0.12～0.19，螺旋群樁基礎位移增幅也遠低于普通群樁基礎。即相較于傳統高樁承臺基礎，螺旋群樁具有更強的豎向和側向的承載力，整體性更好。