李大勇,王 梅,劉小麗

(1.山東科技大學山東省土木工程防災減災重點實驗室,山東 青島 266510;2.同濟大學地下建筑與工程系,上海 200092)

離岸裙式吸力基礎(chǔ)在砂土地基中沉貫性研究

李大勇1,王 梅2,劉小麗1

(1.山東科技大學山東省土木工程防災減災重點實驗室,山東 青島 266510;2.同濟大學地下建筑與工程系,上海 200092)

吸力基礎(chǔ)是海洋工程中新型的一種基礎(chǔ)型式,廣泛應(yīng)用于海洋平臺、海洋浮動式結(jié)構(gòu)等,近年來,也被作為淺海離岸風力發(fā)電工程的基礎(chǔ)。吸力基礎(chǔ)易遭受較大的水平動力荷載和彎矩,從而可能產(chǎn)生較大水平位移和轉(zhuǎn)角;同時,由于海床沖刷,會降低其承載能力。為克服這些不足,提出了一種新型吸力基礎(chǔ)——裙式吸力基礎(chǔ),把分析傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)砂土中的沉貫方法,拓廣到裙式吸力基礎(chǔ)中,研究該基礎(chǔ)型式在砂土中的可沉貫性以及所需的吸力;并與同情況下的傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)進行了比較,證明了所提出的裙式吸力基礎(chǔ)具有較好的沉貫性能,具有工程實踐推廣價值。

裙式吸力基礎(chǔ);砂土地基;沉貫阻力;海洋工程

Abstract:Suction foundations are also referred to as suction anchors,suction pilesor suction caissons,and are conventionally used in offshore engineering to fix platform andmoor floating structures.Currently they act extensively as foundations for the offshorewind turbines in shallow sea water.Such a foundation is suffering from large lateral cyclic loading andmoment resulting in the excessive horizontal displacement and rotation.In addition,due to the erosion of seabed caused bywaves,the bearing capacity for the suction foundationwill be decreased.Tomitigate these disadvantages,a new typeof suction foundation named the skirted suction foundation ispresented in thispaper.Houlsby′sapproach to analyzing the installation of conventional suction anchors in sand isextended to the skirted suction foundation.The two stagesof the penetration of the skirted suction foundation consisting of self-weight induced and suction-induced are investigated.Compared with the installation of the conventional suction foundation depicted in the literature,it is shown that the skirted suction foundation hasa better behaviorof installation with lower costof construction and further time-saving.

Key words:skirted suction foundation;sand layer;penetration resistance;ocean engineering

隨著全球能源危機、環(huán)境污染和溫室效應(yīng)日益加重,越來越多的國家重視開發(fā)可再生能源。由于海上風能資源豐富,海上風電工程具有零污染、零排放且沒有視覺、噪音以及不占用陸地等優(yōu)點,自世界上第一個海上風力發(fā)電廠1991年在丹麥建成,吸引了荷蘭、英國、德國、意大利、瑞典和挪威等歐洲國家和美國等海洋國家的重視和大力發(fā)展海上風力發(fā)電工程[1]。中國是一個海上風力資源豐富的國家,尤其黃海和東海屬于淺海風場資源,據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(中國風能網(wǎng)),我國近海10m水深的風能資源約1億kW、近海20m水深的風能資源約3億 kW、近海30m水深的風能資源約4.9億kW,是陸地風能資源的2倍,具有巨大的能源資源潛力。2008年我國已成為世界第四大風電利用國家,但目前海上風電占的比例微乎其微;我國海上風力發(fā)電與世界發(fā)達國家相比,雖然起步較晚,但發(fā)展迅速。如:2008年9月25日上海東海大橋100 MW海上風電示范項目正式開工,標志著中國海上風電場建設(shè)開發(fā)正式開始;山東威海將建世界最大海上風電場,投資210億元,年發(fā)電量25億 kWh;2006年1月12日在青島召開了中德環(huán)境論壇,計劃在青島沿海海域設(shè)立5臺5MW級海上風電機組。另外,在渤海、黃海、東海和海南等沿海海域也規(guī)劃建立多處風力發(fā)電廠。這對解決我國能源危機、環(huán)境污染和CO2減排等問題,起到重大作用[2]。

當前,國際海上風電場所處最大海水深度為30m,而大部分建在5～15m水深海域。作為海上風電工程的基礎(chǔ)是整個工程的重要組成部分,目前主要采用的基礎(chǔ)形式:重力式基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)和吸力基礎(chǔ)[3-4]。吸力基礎(chǔ)作為目前國際海洋工程中應(yīng)用廣泛的一種新型基礎(chǔ)型式,它具有費用經(jīng)濟、方便施工、施工速度快、可重復利用等優(yōu)點而被作為各種系泊在海上浮動式結(jié)構(gòu)物、海洋平臺的基礎(chǔ),并且近幾年也在海洋海上風力發(fā)電工程中得到了成功應(yīng)用,引起了海上風機發(fā)電領(lǐng)域的廣泛興趣和重視[5-6]。傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)通常直徑2～8 m,長徑比小于6,厚度一般為25～35mm[7]。通過對水平荷載作用下吸力錨基礎(chǔ)響應(yīng)的分析,吸力錨受到的最大彎矩和剪力發(fā)生在淺土層中,即淺層土和吸力錨的相互作用決定了吸力錨基礎(chǔ)水平承載力和最大撓度變形。要提高吸力錨的水平承載力,減少其幅值響應(yīng),就要想辦法提高淺層土中吸力錨和土的相互作用性能[8-10]。

當前5MW風機是最大功率,也是今后海上風場主流采用機型[2],筆者參加了挪威科技大學 Geir Moe教授負責的5MW海上風機設(shè)計(葉片直徑126m,HUB直徑3m,HUB高度90 m。),提出了一種新型吸力基礎(chǔ)——裙式吸力基礎(chǔ),如圖1所示。這種裙式吸力基礎(chǔ)研究意義是:

圖1 裙式吸力基礎(chǔ)示意Fig.1 Sketches for skirted suction foundation

1)根據(jù)水平荷載作用下吸力錨撓度變形機理,設(shè)置了“裙”結(jié)構(gòu),增加了吸力錨基礎(chǔ)的抗彎剛度和剪切剛度,從而減少了水平荷載和彎矩作用下基礎(chǔ)的水平和轉(zhuǎn)角響應(yīng)幅值;

2)“裙”的設(shè)置擴大了吸力基礎(chǔ)的側(cè)面積和承臺面積,提高了基礎(chǔ)側(cè)面與土體的摩擦力和豎向承載力,減少了基礎(chǔ)主桶長度;

3)“裙”的設(shè)置大大提高了抵抗海床沖刷的能力,從而保證承載力不受沖刷而降低,延長了基礎(chǔ)壽命。

通過科技查新,裙式吸力基礎(chǔ)是一種新型海洋結(jié)構(gòu)[11],國內(nèi)外尚無對此理論與試驗研究報道。

1 裙式吸力基礎(chǔ)的沉貫性

要使所提出“裙”式吸力基礎(chǔ)與傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)比較具有競爭優(yōu)勢,必須滿足兩方面的要求:一是較好的沉貫性能;二是提供較大的承載能力。其中,裙式吸力基礎(chǔ)滿足沉貫要求是承載能力分析的前提。利用解析方法證實了所提出的新型吸力基礎(chǔ)——裙式吸力基礎(chǔ)在砂土地基中應(yīng)用的可行性。

裙式吸力基礎(chǔ)沉貫過程可分為兩個階段:

1)自重作用下沉貫

裙式吸力基礎(chǔ)首先在自重作用下下沉,此時,主桶頂部范圍內(nèi)排水閥門全打開,主桶底部與海床接觸,由于底部呈尖形和基礎(chǔ)側(cè)壁由薄壁鋼板組成,在自重作用下繼續(xù)下沉;由于側(cè)壁阻力隨貫入深度逐漸增大,下沉速度逐漸減小,直至貫入停止,即完成自重作用下的沉貫,主桶內(nèi)部與海床形成一個密閉水體。

2)吸力作用下沉貫

裙式吸力基礎(chǔ)自重作用下沉貫結(jié)束后,關(guān)閉主桶頂部所有排水孔,開啟與中間排水孔連接的潛水泵,排除主桶內(nèi)水體,此時內(nèi)部水壓力減小,與裙式吸力基礎(chǔ)頂部形成壓力差即吸力,再由于主桶內(nèi)部土體與其外部土體形成水頭差,產(chǎn)生繞過主桶底部的滲流,由于滲流作用使得基礎(chǔ)底部有效應(yīng)力下降,抗力減小,使得基礎(chǔ)在吸力作用下繼續(xù)下沉,直到下沉到預定位置。在這個過程中,要事先設(shè)計好L和H的尺寸,同時設(shè)計好主桶高度(即至少與傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)相比,具有相同承載力和同樣潛水泵功率條件),不增加基礎(chǔ)造價和施工費用。

2 裙式吸力基礎(chǔ)沉貫阻力計算

在傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)中,常用來計算砂性土沉貫阻力的方法:Shell Offshore Research公司采用的折減系數(shù)法和Houlsby[12]等人的極限平衡理論。把Houlsby方法推廣到裙式吸力基礎(chǔ)計算中,求得了裙式吸力基礎(chǔ)沉貫所需的吸力。

2.1 裙式吸力基礎(chǔ)自重作用下的沉貫計算(貫入深度 h1)

在自重沉貫過程中,“裙”結(jié)構(gòu)沒有接觸到海床(如圖2所示),基礎(chǔ)只承受豎向荷載,且不考慮主桶內(nèi)土塞的影響。自重沉貫是指吸力基礎(chǔ)在自重作用下克服摩阻力豎直貫入土體內(nèi)一定深度,沉貫阻力為基礎(chǔ)主桶內(nèi)外壁的摩阻力和端部阻力之和。

圖2中,V′為豎向有效荷載,即裙式吸力基礎(chǔ)的自重與其浮力的差;Di為裙式吸力基礎(chǔ)主桶內(nèi)徑;h1為基礎(chǔ)的入土深度;Do為裙式吸力基礎(chǔ)主桶外徑;D為裙式吸力基礎(chǔ)主桶平均直徑;t為基礎(chǔ)壁厚。

取吸力基礎(chǔ)內(nèi)部土體為隔離體,具體受力(不考慮水平力作用,平衡抵消了)如圖3所示。圖中,γ′為土的有效重度;K為與水平和豎向應(yīng)力有關(guān)的系數(shù);δ為土體與基礎(chǔ)的內(nèi)摩擦角。

圖2 裙式吸力基礎(chǔ)沉貫示意Fig.2 Installation of the skirted suction foundation

圖3 主桶內(nèi)土體受力分析Fig.3 Forces acting on soilwithin themain bucket

其中,等式(8)右側(cè)第一項為吸力基礎(chǔ)主桶外壁側(cè)向阻力;第二項為主桶內(nèi)壁側(cè)向阻力;第三項為主桶端部阻力。

2.2 裙式吸力基礎(chǔ)吸力作用下的沉貫計算

吸力沉貫是指在吸力作用下,基礎(chǔ)克服土抗力而貫入到海床預定位置。吸力沉貫阻力不僅要考慮重力影響,還要考慮到吸力作用,并且此階段分為兩個部分:

①沉貫深度在z≤h1+h2范圍內(nèi)(如圖4所示)

其計算公式:

式中:等號左邊是吸力和有效自重之和,等號右邊是基礎(chǔ)的側(cè)摩阻力和端阻力之和;s為吸力(kPa);a為與基礎(chǔ)端部超孔隙水壓力有關(guān)的系數(shù),在均勻滲透性土層的沉貫中一般取0.5[12];其余參數(shù)含義同上。

②沉貫深度在h1+h2

此階段是發(fā)生在裙范圍內(nèi)的沉貫,因此裙式吸力基礎(chǔ)的阻力要在上述①沉貫的基礎(chǔ)上附加裙內(nèi)外壁的摩阻力和端阻力,在式(9)基礎(chǔ)上進行修正,則裙的內(nèi)外壁側(cè)阻力及端阻力之和f:

式中:Dsi為裙的內(nèi)徑;h3為裙的入土深度;Dso為裙的外徑;D為裙的平均直徑。

則式(9)變?yōu)?/p>

圖4z≤h1+h2范圍內(nèi)的沉貫Fig.4 Installation in the range ofz≤h1+h2

圖5h1+h2≤z≤h1+h2+h3范圍內(nèi)的沉貫Fig.5 Installation in the range ofh1+h2≤z≤h1+h2+h3

3 實例驗證

選取文獻[12]在Sandy Haven地點處砂土地基中傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)的相關(guān)計算參數(shù)(表1所示),采用上述公式計算裙式吸力基礎(chǔ)沉貫所需的吸力,并與之進行了比較研究。文獻[12]采用的傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)的尺寸是2.5m×4m(高度×直徑),經(jīng)過等體積換算,得出裙式吸力基礎(chǔ)尺寸:主桶2m×3.5m(高度×直徑),裙的尺寸l×h3=0.5 m×0.5 m。

表1 計算參數(shù)Tab.1 Data for calculations

1)自重作用下基礎(chǔ)沉貫量計算

把上述相關(guān)參數(shù)代人式(8)中,得出裙式吸力基礎(chǔ)自重沉貫的最大深度h1=0.48m。

2)吸力作用下主桶沉貫量計算

根據(jù)h1=0.48m,h3=0.5m,可得到h2=1.02m。因此在自重沉貫0.48 m后,這一階段需要計算繼續(xù)沉貫1.02 m深度所需的吸力大小。由式(9)來求該階段所需吸力s=17.3 kPa。

3)“裙”范圍內(nèi)的沉貫計算

在自重沉貫0.48 m、吸力沉貫1.02 m后,本階段需要計算裙式吸力基礎(chǔ)的“裙”完全沉貫入海床所需的吸力大小。將對應(yīng)參數(shù)值代入式(10)中,得f=140.4 kN,再利用式(11),得所需吸力為28.5 kPa,小于文獻[12]提供實例的傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)所需吸力31 kPa。比較表明:在基礎(chǔ)用料相同的情況下,裙式吸力基礎(chǔ)減少了主桶的高度,所需吸力小,說明裙式吸力基礎(chǔ)具有較好的可沉貫性能、動力能量節(jié)省等優(yōu)點。因此,也說明裙式吸力基礎(chǔ)具有較好的經(jīng)濟性和推廣應(yīng)用價值。

4 結(jié) 語

提出了一種新型的吸力基礎(chǔ)——裙式吸力基礎(chǔ),定性分析了裙式吸力基礎(chǔ)的沉貫機理、能有效提高承載能力和具有較好的抗沖刷能力;并定量分析了砂土地基中,自重和吸力作用條件下裙式吸力基礎(chǔ)的沉貫過程,得到了達到預期沉貫深度所需的吸力,并與傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)進行了比較,證明了所提裙式吸力基礎(chǔ)具有較好的經(jīng)濟性、可靠性和推廣應(yīng)用價值。另外,對于裙式吸力基礎(chǔ)承載力研究和其它土層如粉土、粘土中的沉貫研究,應(yīng)通過室內(nèi)模型實驗和數(shù)值方法做深入研究。

[1] Breton S,Moe G.Statusof plansand technologies foroffshorewind turbines in Europe and North America[J].Renewable Energy,2009(34):646-654.

[2] Wang Z,Jiang C.The key technology of offshore wind farm and its new development in China[J].Renewable&Sustainable Energy Reviews,2009(13):216-222.

[3] Moller A.Efficientoffshorewind turbine foundations[J].Wind Engineering,2006,29(5):463-470.

[4] 黃維平,劉建軍,趙戰(zhàn)華,等.海上風電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].海洋工程,2009,27(2):130-136.

[5] Houlsby G T,Byrne BW.Suction caisson foundations for offshorewind turbines and anemometermasts[J].Wind Engineering,2000,24(4):249-255.

[6] Byrne W,Houlsby T,Martin C.Suction caisson foundations foroffshorewind turbines[J].Wind Engineering,2002,26(2):145-15.

[7] Chen W.Uniaxial behavior of caissons in soft deposits in deepwater[D].Perth:The University of Western Australia,2005.

[8] 詹云剛,欒茂田,袁凡凡,等.復合加載下考慮接觸作用的地基承載特性數(shù)值分析[J].海洋工程,2009,27(1):40-48.

[9] 王 志,杜守繼,王德禹.Spar平臺吸力式基礎(chǔ)極限承載特性數(shù)值分析[J].海洋工程,2009,27(3):54-61.

[10] 矯濱田,魯曉兵,張建紅,等.垂向動載荷下桶形基礎(chǔ)響應(yīng)實驗研究[J].海洋工程,2009,27(3):45-53.

[11] 李大勇,都 浩,孫宗軍,等.海底裙式吸力錨,中國ZL200920239914.8[P].中華人民共和國國家知識產(chǎn)權(quán)局,2010.

[12] Houlsby G T,Byrne B W.Design procedures for installation of suction caissons in sand[J].Geotechnical Engineering,2005,158(GE3):135-144.

Behavior of installation of offshore skirted suction foundation in sand

LIDa-yong1,WANGMei2,LIU Xiao-li1
(1.Shandong University of Science and Technology,Shandong Provincial Key Laboratory of Civil Engineering Disaster Prevention and Mitigation,Qingdao 266510,China;2.Departmentof Geotechnical Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China)

P751

A

1005-9865(2011)01-0111-05

2010-04-27

山東省“泰山學者”建設(shè)工程專項資助項目;國家自然科學基金資助項目(51078227);山東省自然科學基金資助項目(ZR2009FM003);教育部留學回國人員科研啟動基金資助項目

李大勇(1971-),男,山東泰安人,博士,教授,主要從事海洋巖土和地下工程等方面的研究工作。E-mail:ldy@sdust.edu.cn