李容娜，陳 莉，張 歡，周 楠

（河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210098）

當(dāng)前，大力發(fā)展可再生能源是我國建設(shè)現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)強(qiáng)國的大國戰(zhàn)略［1］.風(fēng)能是一種清潔安全的綠色能源，在新能源開發(fā)中占有重要地位.我國海域面積遼闊，擁有豐富的海上風(fēng)能資源.東南沿海及其附近島嶼的風(fēng)能資源尤其豐富，可供利用的海上風(fēng)能資源約為陸上的三倍［2］.與陸地風(fēng)電相比，海上風(fēng)電具有鮮明的優(yōu)勢，如節(jié)約土地資源、噪聲污染小、風(fēng)能資源豐富、年發(fā)電時(shí)間較長等，適合進(jìn)行集中大規(guī)模的開發(fā)，近年來得到快速發(fā)展.大直徑單樁基礎(chǔ)作為應(yīng)用最廣泛的海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)之一，隨著海上風(fēng)電場朝向大規(guī)?；?、深水化、離岸化發(fā)展，風(fēng)機(jī)承受的荷載將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其提供的支撐，新型單樁基礎(chǔ)成為專家學(xué)者研究的熱點(diǎn)［3］.

有關(guān)學(xué)者［4］提出了一種在單樁上設(shè)置翼板的新型單樁基礎(chǔ)型式.加翼單樁基礎(chǔ)通過泥面下的翼板來增強(qiáng)樁身土抗力，改善單樁基礎(chǔ)泥面水平位移過大的問題，使基礎(chǔ)具備更高的水平承載能力、更低的造價(jià)和施工技術(shù)難度.目前，關(guān)于加翼單樁基礎(chǔ)的研究還處于初級階段，集中在基于離心試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷撵o荷載下的承載性能研究和樁基礎(chǔ)水平極限承載力的研究［5-14］.海上風(fēng)機(jī)在實(shí)際工程中，不同性質(zhì)的地基土體及變化的荷載加載方向均會對基礎(chǔ)承載能力提出不同的考驗(yàn).因此，對于加翼單樁基礎(chǔ)承載性能進(jìn)一步地探討十分必要.本文采用ABAQUS有限元軟件建立了海上風(fēng)機(jī)加翼單樁基礎(chǔ)模型，考慮材料非線性及樁土相互作用，研究加翼單樁基礎(chǔ)承載性能及加載方向、土性參數(shù)和摩擦系數(shù)對加翼單樁基礎(chǔ)承載性能的影響，研究成果對加翼單樁基礎(chǔ)的應(yīng)用和推廣具有一定指導(dǎo)意義.

1 ABAQUS模型建立

本文以文獻(xiàn)［15］研究中5.5 m直徑加翼單樁基礎(chǔ)為原型.轉(zhuǎn)輪直徑130 m，輪轂高度90 m，機(jī)艙葉輪組合重量為239 t，塔筒長度75 m，機(jī)組（基礎(chǔ)環(huán)以上）總重為523 t；同樁長普通單樁基礎(chǔ)（MP46）入土樁長46 m，同鋼量普通單樁基礎(chǔ)（MP53）入土樁長53 m；加翼單樁（FP）入土樁長46 m，壁厚均為0.07 m，翼板按環(huán)形布置四塊，每塊長11 m，寬2.75 m，厚0.07 m.

1.1 材料參數(shù)

風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)材料為DH36型鋼材，彈性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.3，密度7850 kg/m3；土體為粉砂夾粉土，本構(gòu)關(guān)系為彈塑性模型.土體材料參數(shù)見表1.

表1 土體材料參數(shù)取值Tab.1 Soil material parameter values

1.2 單元選擇與網(wǎng)格劃分

上部風(fēng)機(jī)簡化為一個(gè)集中質(zhì)量點(diǎn)，塔筒采用B3空間梁單元，下部基礎(chǔ)及土體采用C3D8R三維實(shí)體單元.有限元土體為圓柱形，直徑為20倍樁徑，土體高度為1.5倍入土樁長.在3倍樁徑范圍內(nèi)對土體網(wǎng)格進(jìn)行適當(dāng)加密，最小徑向網(wǎng)格尺寸約為0.5 m，最大徑向網(wǎng)格尺寸3 m，豎直方向上，樁底以上部分以1 m間隔劃分，剩余以2 m間隔劃分，網(wǎng)格總數(shù)保持在80 000～120 000左右.有限元模型示意圖如圖1所示.

1.3 接觸與邊界條件設(shè)置

上部風(fēng)機(jī)與塔筒頂端、塔筒底端與樁基礎(chǔ)均采用耦合連接進(jìn)行約束；土體與基礎(chǔ)的接觸面存在相互作用，在ABAQUS中通過設(shè)置面-面接觸進(jìn)行模擬.結(jié)構(gòu)與土體間的法向作用采用“硬接觸”，即只考慮接觸時(shí)傳遞壓應(yīng)力，不考慮負(fù)壓作用帶來的拉應(yīng)力，允許樁土接觸后分離，接觸面的切向摩擦系數(shù)取為0.589.

圖1 有限元模型示意圖Fig.1 Finite element model diagram

2 承載能力校核

2.1 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)挪威船級社規(guī)范（DNV-OS-J101）［16］和德國船級社規(guī)范（GL 2012）［17］中的規(guī)定，本文海上風(fēng)機(jī)加翼單樁基礎(chǔ)變形控制標(biāo)準(zhǔn)確定為：①計(jì)算泥面處的水平位移不超過L/500，L為樁體入土深度；②泥面樁體轉(zhuǎn)角不超過0.004 36 rad；③樁體端部的位移不超過10 mm及L/5000；④風(fēng)機(jī)塔筒頂端轉(zhuǎn)角不超過5°；⑤豎向沉降不超過0.1 m.

2.2 環(huán)境靜荷載的選取

本文的風(fēng)、浪、流荷載選取石銳龍［18］文中的江蘇省東部沿海某海域數(shù)據(jù)，考慮兩種工況，基礎(chǔ)泥面線處所受荷載如下：①極端高潮位工況下，水平力為4489 kN，豎向力為8318 kN，彎矩為203 642 kN·m；②極端低潮位工況下，水平力為4020 kN，豎向力為8318 kN，彎矩為186 353 kN·m.

2.3 剛度校核

表2列出了加翼單樁基礎(chǔ)在兩種工況下的靜力校核結(jié)果，其中，考慮到加翼單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的對稱性，選取與翼板夾角為0°（FP0）和45°（FP45）的水平荷載作用的兩種加翼單樁進(jìn)行靜力校核.

由表2可知，不同荷載施加方式的加翼單樁基礎(chǔ)在極端高潮位和極端低潮位的組合設(shè)計(jì)工況下均能滿足變形控制標(biāo)準(zhǔn).極端高潮位工況下樁基礎(chǔ)的泥面線水平位移和轉(zhuǎn)角最大，沉降相差不大，因此在后續(xù)的結(jié)構(gòu)承載性能詳細(xì)分析中只選取較危險(xiǎn)的極端高潮位工況進(jìn)行研究，以下各樁基礎(chǔ)的對比也是基于此種工況而定.

2.4 強(qiáng)度校核

采用許用應(yīng)力法，即取0.6倍材料屈服強(qiáng)度為材料許用應(yīng)力［19］，加翼單樁基礎(chǔ)的應(yīng)力結(jié)果見表3.由表可見，兩工況下的樁身最大應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，強(qiáng)度校核符合規(guī)范要求.

表2 剛度校核表Tab.2 Stiffness check table

表3 強(qiáng)度校核表Tab.3 Strength check table

3 基礎(chǔ)極限承載性能

3.1 極限承載力的確定方法

采用位移加載法，對加翼單樁基礎(chǔ)FP、與FP同樁長的普通單樁基礎(chǔ)MP46以及與FP同鋼量下入土樁長為53 m的普通單樁基礎(chǔ)MP53極限承載能力進(jìn)行對比分析.

3.2 水平極限承載性能

于樁基泥面線處與翼板成0°施加水平位移荷載L/500（FP及MP46為92 mm，MP53為106 mm），得到加翼單樁基礎(chǔ)和同用鋼量下及同樁長的普通單樁基礎(chǔ)的水平荷載-位移曲線，如圖2.由圖可見，在水平位移加載前期，水平荷載增長趨勢接近線性，此時(shí)加翼單樁基礎(chǔ)及普通單樁基礎(chǔ)均處于可恢復(fù)的彈性變形階段.隨著水平位移不斷增大，水平荷載的增長趨勢逐漸變緩，基礎(chǔ)的變形包含彈性變形及塑性變形兩部分，但基礎(chǔ)尚未達(dá)到破壞階段.FP及MP53相對MP46的水平極限承載力提升了23.7%及53.9%，可知增設(shè)翼板和增長入土樁長均能顯著提升海上風(fēng)機(jī)樁基礎(chǔ)的水平極限承載力，且同用鋼量下，相較于增設(shè)翼板，增長入土樁長顯示出更好的水平承載性能.

圖2 水平荷載-位移曲線Fig.2 Horizontal load-displacement curves

3.3 豎向極限承載性能

圖3為加翼單樁基礎(chǔ)和同用鋼量下及同樁長的普通單樁基礎(chǔ)在施加100 mm豎向控制位移時(shí)的豎向荷載-位移曲線.與圖2中水平荷載-位移曲線變化趨勢相似，豎向荷載-位移曲線先近似線性增長，之后隨著豎向沉降增大，樁基底部的土體逐漸變得密實(shí)，曲線斜率逐漸變小，豎向荷載增加速率逐漸放緩.在施加控制豎向沉降時(shí)，樁基達(dá)到極限豎向承載力.增設(shè)翼板和增長入土樁長均能顯著提升海上風(fēng)機(jī)樁基豎向極限承載力，且同用鋼量下，相較于增設(shè)翼板，增長入土樁長顯示出更好的豎向承載性能.此外，由圖3可見，尚未施加外部豎向位移時(shí)，各樁基礎(chǔ)已經(jīng)發(fā)生了不同程度的沉降，這是結(jié)構(gòu)本身的自重導(dǎo)致的.

3.4 彎矩極限承載性能

圖4為加翼單樁基礎(chǔ)和同用鋼量下及同樁長的普通單樁基礎(chǔ)施加控制轉(zhuǎn)角0.004 36 rad后所得的彎矩荷載-位移曲線.由于海上風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)中對基礎(chǔ)轉(zhuǎn)角有著十分嚴(yán)格的要求，在轉(zhuǎn)角值很小時(shí)已達(dá)到額定變形，故在此轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，彎矩荷載呈線性增長，在額定轉(zhuǎn)角下達(dá)到極限彎矩.加翼單樁基礎(chǔ)的抗彎極限承載力比同樁長單樁基礎(chǔ)大，且轉(zhuǎn)角越大，加翼單樁基礎(chǔ)的抗彎優(yōu)勢越明顯.

圖3 豎向荷載-位移曲線Fig.3 Vertical load-displacement curves

圖4 彎矩荷載-轉(zhuǎn)角曲線Fig.4 Bending moment load-rotation angle curves

4 基礎(chǔ)承載性能研究

4.1 加載方向的影響

圖5為翼板與加載方向的四組夾角0°、15°、30°、45°（分別用FP0、FP15、FP30和FP45表示）下加翼單樁基礎(chǔ)的水平位移及彎矩沿樁身的分布情況.由圖5 a可見，在四種不同的加載方向下，加翼單樁基礎(chǔ)的水平位移隨樁基入土埋深的分布呈現(xiàn)極為相似的規(guī)律，位移零點(diǎn)位置相距較近.30°的水平加載方向最能增加四個(gè)翼板對加翼單樁基礎(chǔ)水平承載能力的貢獻(xiàn).由圖5 b可見，加載方向?qū)抖撕鸵眄數(shù)膹澗赜绊懞芪⑷酰虞d方向?yàn)?0°的加翼單樁體現(xiàn)了最佳的水平承載能力.

圖5 加載方向的影響Fig.5 Influence of loading directions

圖6 彈性模量對水平位移的影響Fig.6 Influence of elastic moduli on horizontal displacements

4.2 彈性模量的影響

圖6為不同土體彈性模量下加翼單樁基礎(chǔ)的樁身水平位移曲線.由圖6可知，當(dāng)?shù)鼗翉椥阅Ａ繛?5 MPa時(shí)，樁身各處的水平位移最大.土體彈性模量越大，加翼單樁基礎(chǔ)的樁身水平位移越小.地基土彈性模量為15、20、45、67MPa的加翼單樁基礎(chǔ)的樁身水平位移峰值均出現(xiàn)在翼頂.土體彈性模量的改變對加翼單樁基礎(chǔ)的樁身變形和位移零點(diǎn)的影響十分顯著.

圖7為不同彈性模量下加翼單樁基礎(chǔ)在泥面線處的水平位移云圖.顯然可見，地基土彈性模量的變化對加翼單樁基礎(chǔ)樁土模型的泥面線處水平位移影響很大.隨著彈性模量變化，樁側(cè)摩阻力、樁端承力及土抗力也隨之發(fā)生顯著的改變.彈性模量為67 MPa時(shí)加翼單樁對周圍土體水平位移的影響范圍最小.

4.3 摩擦系數(shù)的影響

采用加翼單樁基礎(chǔ)與土體的摩擦系數(shù)表征結(jié)構(gòu)與土體的切向接觸，分析極端高潮位時(shí)不同摩擦系數(shù)下的樁身水平位移變化規(guī)律，探究摩擦系數(shù)對加翼單樁-土體相互作用的影響.

摩擦系數(shù)對基礎(chǔ)樁身水平位移的影響見圖8.由圖8 a可見，摩擦系數(shù)對加翼單樁基礎(chǔ)受載導(dǎo)致的水平位移有影響，且影響隨摩擦系數(shù)的增大而增大，這一結(jié)論與相關(guān)文獻(xiàn)吻合［20］.該現(xiàn)象的原因是增大摩擦系數(shù)會增加結(jié)構(gòu)的豎向剛度，進(jìn)而增強(qiáng)了加翼單樁基礎(chǔ)的整體總剛度.故今后在海上風(fēng)機(jī)加翼單樁基礎(chǔ)的工程設(shè)計(jì)和推廣應(yīng)用中，可以采用調(diào)節(jié)加翼單樁基礎(chǔ)與土體之間的糙度等手段，以達(dá)到增大結(jié)構(gòu)-土體摩擦系數(shù)從而提升結(jié)構(gòu)水平抵抗能力的目的.此外，由圖8 b可知，相較于翼頂水平位移，樁底水平位移對摩擦系數(shù)較不敏感，這可能是豎向沉降密實(shí)了樁端土體，從而降低了樁土切向接觸對結(jié)構(gòu)水平抵抗能力的積極作用所導(dǎo)致的.

圖7 不同彈性模量下泥面水平位移圖Fig.7 Horizontal displacement diagram under different elastic moduli

圖8 摩擦系數(shù)對樁身水平位移的影響Fig.8 Influence of friction coefficients on horizontal displacement of pile

5 結(jié)論與展望

本文利用ABAQUS有限元軟件對海上風(fēng)機(jī)加翼單樁基礎(chǔ)的承載性能進(jìn)行分析，得到主要結(jié)論：

1）增設(shè)翼板和增長入土樁長均能顯著提升海上風(fēng)機(jī)樁基礎(chǔ)的水平、豎向及抗彎極限承載力，且同用鋼量下，相較于增設(shè)翼板，增長入土樁長顯示出更好的極限承載性能.

2）翼板與水平加載方向的夾角為30°時(shí)最能增加四個(gè)翼板對基礎(chǔ)水平承載能力的貢獻(xiàn).

3）土體彈性模量的改變對加翼單樁基礎(chǔ)樁身變形的影響十分顯著.軟土地基對基礎(chǔ)的約束作用隨著土體彈性模量下降發(fā)生驟減.在硬黏土、砂土等彈性模量較大的地基土中，加翼單樁基礎(chǔ)的水平抵抗作用對土體彈性模量的敏感程度大大低于軟土地基.

4）隨著結(jié)構(gòu)-土體摩擦系數(shù)的增大，加翼單樁樁身水平位移隨之減小.相較于翼頂水平位移，樁底水平位移對摩擦系數(shù)較不敏感.