張 旭

(1.中葡新能源技術(shù)中心(上海)有限公司，上海 200335；2.上海勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200335)

0 引言

近年來我國海上風(fēng)電進(jìn)入快速發(fā)展期，我國沿海距岸邊50km范圍內(nèi)可開發(fā)的海上風(fēng)能資源為7.58億kW，大約是陸上實(shí)際可開發(fā)風(fēng)能資源儲量的3倍。隨著海上風(fēng)電的大力發(fā)展，對風(fēng)電基礎(chǔ)的要求越來越高，目前常用基礎(chǔ)形式有重力式、樁基礎(chǔ)、導(dǎo)管架、浮式基礎(chǔ)和吸力桶基礎(chǔ)等形式，其中樁基礎(chǔ)相對最為常見，海上風(fēng)電樁基礎(chǔ)和支撐結(jié)構(gòu)占比約30%[1]。

吸力桶基礎(chǔ)作為單樁基礎(chǔ)的替代形式，是海上風(fēng)電新型基礎(chǔ)，能有效降低基礎(chǔ)成本約30%[2]。吸力桶基礎(chǔ)多為底端開口、頂端封閉的大直徑圓桶，具有成本低、施工工藝簡單、一體化施工、二次使用等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)快速安裝，能較好地適用于我國沿海區(qū)域的海洋地基[3]。同時(shí)，吸力桶基礎(chǔ)能較好地抵抗風(fēng)電機(jī)組承受的較大水平荷載和彎矩，在最近幾年得到較好發(fā)展。一些學(xué)者開展了桶形基礎(chǔ)受力與承載的相關(guān)研究，如Barari等[4]與Sun等[5]基于莫爾-庫侖彈塑性模型，分析了桶徑與貫入比對桶體極限承載力的影響。劉振紋等[6]通過有限元計(jì)算，分析了桶形基礎(chǔ)的豎向破壞模式，基礎(chǔ)埋深范圍內(nèi)的土體強(qiáng)度，以及基礎(chǔ)形狀對地基豎向承載力的影響。劉梅梅等[7]通過有限元計(jì)算，得到豎向加載作用下不同長徑比的桶形基礎(chǔ)承載特性與失效形式，提出在計(jì)算極限承載力時(shí)，可考慮將桶與桶內(nèi)土體作為一個(gè)整體進(jìn)行簡化分析。朱斌等[8]與Achmus等[9]通過模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法研究了吸力桶基礎(chǔ)的水平承載力。Zhang等[10]通過離心模型試驗(yàn)研究，指出桶形基礎(chǔ)在長期荷載作用下會發(fā)生較大沉降和側(cè)向位移。Hung等[11]借助有限元探討了在不同不排水抗剪強(qiáng)度下，桶形基礎(chǔ)的承載力隨長徑比的變化，并分析了桶體在水平和豎向荷載作用下的運(yùn)動(dòng)形式及基礎(chǔ)周圍土體的破壞機(jī)理。Wu等[12]在飽和軟黏土中對桶基礎(chǔ)進(jìn)行分析，得到豎向荷載作用下的極限承載力，提出軟黏土的不排水抗剪強(qiáng)度、土體各向異性及吸力桶基礎(chǔ)的長徑比都是影響吸力桶基礎(chǔ)豎向承載力的主要因素。Bagheri等[13]分析了單調(diào)和循環(huán)荷載作用下桶形基礎(chǔ)的變形行為，指出在桶蓋附近會發(fā)生較大水平位移。

因此，海上風(fēng)電長期服役進(jìn)程中，在風(fēng)暴潮等多模式、多工況荷載作用下，研究吸力桶及地基基礎(chǔ)的極限承載性能具有重要工程意義。

1 本構(gòu)模型與參數(shù)計(jì)算

土體本構(gòu)模型為各向同性彈塑性模型，采用Mohr-Coulomb(M-C)準(zhǔn)則，其力學(xué)模型為：

(1)

式中：σ1，σ3分別為最大、最小主應(yīng)力；f為屈服函數(shù)，且f>0時(shí)，材料處于塑性流動(dòng)狀態(tài)，f<0時(shí)，材料處于彈性變形階段，f=0時(shí)，材料處于彈塑性臨界狀態(tài)。

以上即為剪切破壞判據(jù)，拉伸破壞判據(jù)為：

ft=σt-σ3=0

(2)

式中：σt為巖體抗拉強(qiáng)度。

巖土的體積模量、剪切模量分別由下式計(jì)算：

(3)

(4)

式中：K，G分別為體積模量、剪切模量；E為彈性模量；ν為泊松比。

對于接觸面參數(shù)，法向剛度kn，剪切剛度ks，取接觸面相鄰區(qū)域“最硬”土層等效剛度的10倍[5]，即

(5)

式中：Δzmin為接觸面法向連接區(qū)域上最小尺寸。

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘察報(bào)告，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)，綜合確定的地層力學(xué)參數(shù)如表1所示。由式(3)～式(5)計(jì)算的接觸參數(shù)如表2所示。

表1 物理力學(xué)參數(shù)

表2 接觸參數(shù)

考慮吸力桶主要所受荷載，即上部風(fēng)機(jī)重力、風(fēng)機(jī)所受風(fēng)荷載傳遞下來的水平力、彎矩、扭矩，以及水中等效波浪力的聯(lián)合作用，風(fēng)機(jī)荷載包括自重 9 056kN、水平力2 584.7kN、彎矩258 179kN·m、扭矩12 980kN·m，波浪荷載為18 526.83kN。其中，水平荷載即風(fēng)機(jī)所受的風(fēng)荷載傳遞下來的水平荷載；波浪荷載為水中塔筒所受的波浪力，通過水下塔筒表面上水的高度(作用水柱高度14.12m)計(jì)算出來的等效波浪荷載。聯(lián)合荷載作用如圖1所示。

圖1 吸力桶受荷示意

由于單柱復(fù)合桶高度較高，且各部分構(gòu)件結(jié)構(gòu)特征不同，加工工藝不一，在陸上建造時(shí)，將基礎(chǔ)分為上部桶體結(jié)構(gòu)(基礎(chǔ)頂法蘭以下17m立柱)、中部過渡段及下部鋼桶進(jìn)行分別預(yù)制，然后進(jìn)行組裝合龍。單柱復(fù)合桶形基礎(chǔ)安裝施工，包括陸上建造及總拼合龍、運(yùn)輸及海上安裝，總體工藝流程為陸上分段預(yù)制→基礎(chǔ)合龍→綁扎出運(yùn)→基礎(chǔ)海上安裝→基礎(chǔ)防沖刷施工。

2 三維模型構(gòu)建

根據(jù)廣東地區(qū)某海上風(fēng)電場工程地質(zhì)條件，聯(lián)合Rhino三維建模與有限元軟件，建立吸力桶-地層的大尺度場三維數(shù)值模型，并通過編寫結(jié)點(diǎn)、單元、坐標(biāo)系統(tǒng)的Fish語言轉(zhuǎn)換程序，導(dǎo)入有限差分巖土軟件，如圖2所示，吸力桶外桶直徑36m、壁厚25mm，內(nèi)桶直徑10m、壁厚15mm，內(nèi)設(shè)6塊分艙板，泥面以上塔筒高45m，桶嵌入地層約13m。建立的地層模型長度為外桶徑的10倍即360m，高54m。單樁復(fù)合桶的單柱部分分上、中、下3段，其中上段直徑7m、壁厚70mm、高20m，下段直徑10m、壁厚75mm、高11m，中段為連接上、下段的過渡段，壁厚70mm、高14m。泥面桶蓋厚30mm。

圖2 吸力桶-地層三維模型

地層上邊界為自由無約束邊界，底部采用固定位移約束，地層側(cè)面采用x，y約束，吸力桶無固定約束，僅施加聯(lián)合荷載。z向應(yīng)力場將在計(jì)算中由自重自動(dòng)計(jì)算產(chǎn)生。

將有限元模型劃分網(wǎng)格，吸力桶-地層整體模型共劃分90 252個(gè)單元、101 812個(gè)結(jié)點(diǎn)。吸力桶及靠近桶的土層采用加密處理，距吸力桶較遠(yuǎn)部位網(wǎng)格逐漸稀疏。其中，吸力桶(含肋板連接件、分艙板、圓板)的網(wǎng)格剖面如圖3所示。

圖3 吸力桶結(jié)構(gòu)剖面

為了模擬吸力桶、土間的真實(shí)接觸、滑移、分離狀況，在吸力桶、地層間設(shè)置接觸面：桶蓋板-土接觸、桶側(cè)壁-地層接觸、桶底端面-土接觸，如圖4所示。

圖4 吸力桶、地層間接觸面

3 變形分析

隱藏吸力桶的肋板、分艙板，為便于更好地觀察桶身與土層變形，分析吸力桶、土間變形及其相互作用。

吸力桶-土整體的水平向(x)位移矢量云圖如圖5a所示，總體上可看出，位移基本都集中在桶上，最大水平位移為252mm，出現(xiàn)在桶上部，最小水平位移為0.276mm。土體變形主要集中在桶附近的較小區(qū)域，且基本出現(xiàn)在淺層，約為嵌入土中的桶高一半，在桶高一半位置以下的土層，其水平變形極小。

圖5 吸力桶-土的水平向與豎向位移矢量云圖(單位：m)

吸力桶-土整體的豎向(z)位移矢量云圖如圖5b所示，可看出右側(cè)與桶相鄰的小區(qū)域受桶的偏轉(zhuǎn)作用，出現(xiàn)擠壓隆起變形，“上翹”30.5mm；由于桶向右偏轉(zhuǎn)而與土脫開，左側(cè)土層臨空，出現(xiàn)一定程度的“傾倒”下沉。

吸力桶、土間的接觸狀態(tài)如圖6所示，通過剪切滑移接觸可看出，桶側(cè)壁與土層接觸良好，桶蓋與土層間基本無剪切滑移行為，桶蓋與土為法向受壓接觸。

圖6 接觸面的接觸狀態(tài)

根據(jù)位移計(jì)算結(jié)果計(jì)算泥面轉(zhuǎn)角，[(105.8mm+28.6mm)/(36 000mm)]×100%=0.373%<0.436%，滿足安全要求。

4 受力與屈服分析

吸力桶身最大主應(yīng)力云圖如圖7所示，由于桶身在組合外荷載工況下向右偏轉(zhuǎn)，桶身所受最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)桶與桶蓋交界處的內(nèi)桶壁，約30MPa。

圖7 桶身最大主應(yīng)力云圖(單位：Pa)

桶身最小主應(yīng)力云圖如圖8所示，桶身最大受壓部位為內(nèi)桶的底端中間部位，約78MPa，比桶身所受的最大拉應(yīng)力30MPa大很多。桶蓋以上的桶身左側(cè)部分基本處于受拉狀態(tài)，為主要的受拉區(qū)，應(yīng)力值為正。

圖8 桶身最小主應(yīng)力云圖(單位：Pa)

由于桶體在外荷載作用下向右偏轉(zhuǎn)，桶體右側(cè)受壓，外桶上部的桶單元體應(yīng)力演化曲線如圖9所示，在多工況荷載作用下，該部位單元體與土體相互作用，受擠壓，壓應(yīng)力逐漸增大，外桶體所受壓應(yīng)力>1MPa后基本趨于穩(wěn)定，表明其附近的土體與桶體處于應(yīng)力平衡狀態(tài)。

圖9 單元體(外桶上部)的應(yīng)力演化特征

土體屈服區(qū)如圖10所示，可明顯看出，內(nèi)、外桶的相鄰?fù)翆悠茐?，且以外桶的外圈土破壞為主，其中受壓?cè)(右側(cè))土體破壞程度明顯高于非受壓側(cè)(左側(cè))。左側(cè)上表層為淺層破壞，右側(cè)為受壓側(cè)，土層破壞深度深于左側(cè)。

圖10 土層最大剪應(yīng)變增量云圖

無論內(nèi)桶還是外桶，其桶外壁土的破壞程度高于桶內(nèi)壁土，外桶的外圈土破壞程度高于內(nèi)桶的外圈土。桶壁的內(nèi)外土層未形成良好的塑性貫通區(qū)，故桶體穩(wěn)定，不會無限傾覆、滑移。

5 地基極限承載力分析

在正常復(fù)合加載工況下，保持豎向荷載、彎矩不變，不斷增大水平荷載直至極限，為減少計(jì)算時(shí)間，采取1/2模型，進(jìn)行極限承載分析。

泥面轉(zhuǎn)角與水平荷載增量及其百分?jǐn)?shù)的變化關(guān)系如圖11所示，當(dāng)水平荷載增加1 300kN時(shí)，轉(zhuǎn)角達(dá)到0.692%，曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)(突變點(diǎn))，此時(shí)可認(rèn)為極限水平荷載增量為1 300kN，即在正常復(fù)合加載工況下，水平荷載可繼續(xù)增大100.59%，有1 300kN 的裕量，極限值為1 292.35+1 300=2 592.35kN。

圖11 泥面轉(zhuǎn)角與水平荷載增量及其百分?jǐn)?shù)的變化關(guān)系曲線

泥面與桶頂?shù)乃轿灰齐S水平荷載增量變化曲線如圖12所示，隨著水平荷載逐漸增大，泥面水平位移曲線基本呈直線均勻變化，在水平荷載增加1 300kN 時(shí)，曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)(突變點(diǎn))。

圖12 泥面水平位移與水平荷載增量變化關(guān)系曲線

泥面轉(zhuǎn)角與彎矩增量及其百分?jǐn)?shù)的變化關(guān)系如圖13所示，當(dāng)彎矩增加60MN·m時(shí)，轉(zhuǎn)角達(dá)到0.696%，曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)(突變點(diǎn))，此時(shí)可認(rèn)為極限彎矩增量為60MN·m，即在正常復(fù)合加載工況下，彎矩還可繼續(xù)增大46.48%，有60MN·m的裕量，極限值為129+60=189MN·m。

圖13 泥面轉(zhuǎn)角與彎矩增量及其百分?jǐn)?shù)的變化關(guān)系曲線

吸力桶桶蓋處的左、右側(cè)泥面水平位移隨彎矩增量的變化曲線如圖14所示，隨著彎矩逐漸增大，泥面水平位移曲線呈直線均勻變化，在彎矩增加60MN·m時(shí)，位移曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)(突變點(diǎn))。

圖14 泥面水平位移與彎矩增量變化關(guān)系曲線

泥面轉(zhuǎn)角與豎向荷載增量及其百分?jǐn)?shù)的變化關(guān)系如圖15所示，當(dāng)考慮上部的風(fēng)機(jī)自重荷載時(shí)，泥面轉(zhuǎn)角比不考慮風(fēng)機(jī)自重荷載時(shí)更小，表明一定的自重荷載反而有利于提升風(fēng)機(jī)的安全性。這是由于施加了豎向荷載后，桶內(nèi)及底部土體受到擠壓并受桶壁及分艙板的約束而變得密實(shí)，密實(shí)土體所具有的較大承載能力使得桶-土具備一體化承載模式對抵抗水平力有利。

圖15 泥面轉(zhuǎn)角與豎向荷載增量及其百分?jǐn)?shù)的變化關(guān)系曲線

在自重荷載基礎(chǔ)上，繼續(xù)逐漸增大豎向荷載，轉(zhuǎn)角將逐漸增大、突變，復(fù)合桶形基礎(chǔ)將失穩(wěn)。

泥面水平位移隨著豎向荷載的不斷增大而增大，最終發(fā)生突變、失穩(wěn)，如圖16所示。

圖16 泥面水平位移與豎向荷載增量變化關(guān)系曲線

6 結(jié)語

結(jié)合工程地質(zhì)與荷載條件，考慮吸力桶-土相互接觸，建立了實(shí)體、結(jié)構(gòu)、地層的復(fù)雜三維數(shù)值模型，進(jìn)行多工況、多荷載模式的變形規(guī)律與承載特性分析，得出以下結(jié)論。

1)吸力桶受力一般強(qiáng)度可控，均未超過材料極限，其穩(wěn)定性主要受變形控制，桶體位移與泥面處轉(zhuǎn)角均在安全允許范圍內(nèi)，整體安全。

2)根據(jù)地質(zhì)條件與荷載工況，通過參數(shù)化語言建模與吸力桶全尺寸精細(xì)化設(shè)計(jì)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的變形與承載力計(jì)算，驗(yàn)算了桶形基礎(chǔ)正常服役狀態(tài)下的穩(wěn)定性，在實(shí)際工程中可根據(jù)需要調(diào)整模型尺寸、參數(shù)，進(jìn)行對比與整體穩(wěn)定性驗(yàn)算，為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

3)經(jīng)典的地基承載力計(jì)算公式無法精確計(jì)算復(fù)合加載模式下寬淺式桶形基礎(chǔ)地基的極限承載力，通過FLAC3D有限差分法計(jì)算了桶形基礎(chǔ)在正常運(yùn)行狀況下地基在不同荷載模式下的極限承載力，為失穩(wěn)提供預(yù)判。