周茂強，蘇浩然，和慶冬，蘇 凱，3，4

(1.浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310014；2.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，湖北 武漢 430072；3.武漢大學(xué)水工巖石力學(xué)教育部重點實驗室，湖北武漢 430072；4.武漢大學(xué)海綿城市建設(shè)水系統(tǒng)湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430072)

海上風(fēng)電與陸上風(fēng)電最大的不同在于其基礎(chǔ)形式，基礎(chǔ)成本約占整個海上風(fēng)電場投資的25%[1]，因此降低基礎(chǔ)成本有利于提高整個風(fēng)電場的經(jīng)濟性，推動海上風(fēng)電發(fā)展。風(fēng)電機組基礎(chǔ)主要作用在于固定風(fēng)電機組，可分為固定式與漂浮式。固定式風(fēng)機基礎(chǔ)中，單樁基礎(chǔ)較其他基礎(chǔ)形式有技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡單、施工簡便快捷、適應(yīng)性強、經(jīng)濟性好等優(yōu)點[2]。

綜合單樁基礎(chǔ)在實際應(yīng)用中的種種優(yōu)勢，單樁基礎(chǔ)是目前海上風(fēng)電中應(yīng)用最廣泛的基礎(chǔ)形式之一。海上風(fēng)機單樁基礎(chǔ)設(shè)計主要由基礎(chǔ)水平向承載力和變形控制，因此單樁基礎(chǔ)水平承載性能是研究的重點。韓吉偉、孔德森等[3- 4]用數(shù)值模擬方法研究海上風(fēng)機大直徑單樁基礎(chǔ)在不同加固形式下的水平承載特性；Achmus等[5]建議在大樁徑條件下盡量使用數(shù)值模擬進行設(shè)計；沈曉雷等[6]研究了葉輪延遲安裝對塔筒的動力響應(yīng)影響；房奇等[7]研究了單樁基礎(chǔ)灌漿連接段的受力機理；孔德森、靳軍偉、楚晨暉等[8-10]研究了單樁基礎(chǔ)的動力響應(yīng)特性；龔維明、毛金銳、王宇楠等[11-13]通過實驗驗證等方式研究了單樁水平承載特性。

圖1 單樁基礎(chǔ)模型示意

目前大多數(shù)研究對地基部分作均質(zhì)簡化處理，且更多聚焦于單一因素對水平承載力的影響，而地基的分層特性以及單樁基礎(chǔ)各項參數(shù)是研究單樁水平承載特性的關(guān)鍵所在。因此本文借助大型通用有限元軟件平臺ABAQUS，對不同地基分層條件下單樁基礎(chǔ)水平承載特性進行相應(yīng)分析，并開展相關(guān)參數(shù)的敏感性分析，以期為后續(xù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供一定參考。

1 工程背景及數(shù)值計算模型

1.1 工程背景

本文基于江蘇某800 MW海上風(fēng)電場項目，采用有限元數(shù)值模擬方法，建立單樁基礎(chǔ)有限元模型。該風(fēng)電場所在海域地貌屬黃海濱海相沉積地貌單元，海底泥面高程在-18.6～0 m(85 m高程)之間，海底地形起伏明顯。

1.2 三維有限元模型建立及工況設(shè)定

為對比不同樁長、樁徑及地層泥質(zhì)條件對單樁水平承載力的影響，在其他條件一定情況下分別設(shè)置5種不同樁徑及5種不同埋深工況進行計算。地基土設(shè)置均質(zhì)土體、上層較差、中夾差土、下層較差等4種工況。

考慮邊界條件，本文中地基土模型水平范圍取為10倍樁徑，縱向范圍為2倍基礎(chǔ)埋深。整個模型均采用C3D8R三維8節(jié)點六面體單元進行劃分。樁-土及分層地基的三維有限元模型如圖1所示。其中，MonoD、MCD分別表示樁徑和埋深；H1、H2和H3表示分層地基中各層土體的厚度。根據(jù)工程資料，以樁頂直徑MonoD=6.0 m，埋深MCD=42 m，單樁泥面以上高度32 m，總樁長74 m的單樁作為典型樁進行研究。

1.3 模型邊界條件與材料參數(shù)設(shè)置

本文中均使用Mohr-Coulomb彈塑性屈服準(zhǔn)則來模擬地層土體的力學(xué)性質(zhì)。地層土體底部約束其全部位移，同時約束地基土側(cè)面的徑向位移，地基土體頂部為自由面。單樁基礎(chǔ)和地層土體之間均采用表面與表面接觸。樁體與地基土之間的接觸屬性法向為“硬接觸”，切向類型為“罰”摩擦函數(shù)，摩擦系數(shù)設(shè)為0.3。根據(jù)工程實測資料設(shè)鋼管樁的彈性模量E=210 GPa，泊松比ν=0.30，密度ρ=7.80 g/cm3。單樁基礎(chǔ)樁長、樁徑、壁厚以及地層土體的物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)具體的工況而定。

2 均質(zhì)地基中單樁基礎(chǔ)的水平承載特性

對于大多數(shù)海上風(fēng)機單樁基礎(chǔ)而言，為保證結(jié)構(gòu)安全，一般控制其樁頂處的位移轉(zhuǎn)角不得超過某閾值。本文采用位移控制法進行加載，相對海床泥面以上32 m高程處耦合參考點定義一個水平位移邊界條件，通過輸出參考點的反力得到荷載與位移的關(guān)系，進而確定樁基礎(chǔ)地基極限承載力。

本文參考相關(guān)文獻[14]以樁頂參考點處的水平位移達到樁徑的5/100，即S=0.05×MonoD為破壞參考標(biāo)準(zhǔn)，以確定單樁水平承載力。均質(zhì)地基土體各項物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 均質(zhì)地層物理力學(xué)參數(shù)

2.1 樁徑變化條件下單樁基礎(chǔ)水平承載特性分析

為探討樁徑及壁厚對單樁水平承載力的影響，在保證總體用鋼量相等的條件下，分別采用不同樁徑及壁厚的單樁基礎(chǔ)進行加載試驗。由于海上風(fēng)機大直徑單樁基礎(chǔ)一般指直徑為3 m以上的鋼管樁，在實際工程中7 m以上的單樁亦較為少見，故本節(jié)以1.2小節(jié)中所述典型樁(樁號4)為基準(zhǔn)，在不改變其他條件及用鋼量前提下分別設(shè)置3～7 m樁徑的單樁進行加載計算，其具體標(biāo)號及尺寸如表2所示。

表2 不同樁徑的壁厚尺寸

均質(zhì)土體中相異樁徑單樁水平荷載-位移曲線見圖2。由圖2可知，隨著樁頂水平位移荷載的增加，樁頂水平反力不斷增加，且基本呈直線分布，這說明在3～7 m樁徑范圍內(nèi)，隨著樁徑的增大，樁的承載性能是遞增的。均質(zhì)土中單樁水平承載力隨樁徑的變化曲線見圖3。由圖3可知，在本文的破壞標(biāo)準(zhǔn)下，單樁基礎(chǔ)的水平承載力逐漸增大。故用鋼量恒定情況下，在此樁徑范圍內(nèi)可以通過增加單樁基礎(chǔ)樁徑來提高其水平承載力。

圖2 均質(zhì)土體中相異樁徑單樁水平荷載-位移曲線

圖3 均質(zhì)土中單樁水平承載力隨樁徑的變化曲線

以上是樁頂水平位移相同時單樁基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)受力狀況。為獲取樁頂相同水平荷載作用下不同樁徑單樁沿樁體埋深的位移與彎矩分布，取典型樁(樁號4)破壞時對應(yīng)的水平荷載作為極限荷載，荷載值為8.5 MN。需要注意的是，在此水平荷載水平下，樁號1～3已達到破壞標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 均質(zhì)土體中相異樁徑樁身位移曲線

均質(zhì)土體中相異樁徑樁身位移曲線如圖4所示。從圖4可以看出，均質(zhì)土中不同樁徑單樁樁身位移變化規(guī)律大致相似，均在埋深約15～20 m處出現(xiàn)正向位移，在樁頂處，不同樁徑樁基位移差別最大。同時隨著樁徑的增大，單樁基礎(chǔ)在同級荷載作用下位移有較為明顯的減小。樁徑從3 m增大到7 m，其樁頂位移減小85.7%。因此，單樁直徑的增加能有效減小單樁受水平荷載作用下的樁身位移。

均質(zhì)土中相異樁徑樁身彎矩曲線如圖5所示。由圖5可知，在相同水平荷載作用下，各工況樁身彎矩分布與變化規(guī)律基本一致，泥面以上各樁徑彎矩曲線基本重合，最大彎矩均出現(xiàn)在埋深6 m處。在極限荷載作用下，隨著樁徑從3 m增加到7 m，樁身最大彎矩減小量約為21.8 MN·m，減小率約為6.9%。樁徑增大基本上不改變樁身彎矩分布情況，對樁身彎矩幅值影響也較小。

圖5 均質(zhì)土中相異樁徑樁身彎矩曲線

2.2 埋深變化條件下單樁基礎(chǔ)水平承載特性分析

通過參數(shù)化建模程序，保持單樁基礎(chǔ)在海床泥面上的長度不變，增大單樁基礎(chǔ)在地基土中的埋深建立不同樁長的三維有限元模型。以1.2小節(jié)中典型樁為基準(zhǔn)，在不改變其他條件前提下分別設(shè)置埋深為20～60 m的5種單樁進行加載計算。

不同埋深單樁水平荷載-位移曲線如圖6所示。從圖6可以看出，當(dāng)埋深從10 m增大到30 m時，單樁水平承載力提高非常顯著，但之后再增大樁長，水平承載力提高幅度很小，圖6中埋深為40～60 m的3條荷載-位移曲線基本處于重合狀態(tài)。這是因為當(dāng)埋深增大到一定程度后，基礎(chǔ)底部處于嵌固狀態(tài)，再增大埋深對樁水平承載力的提升不明顯。

圖6 均質(zhì)土中不同埋深單樁水平荷載-位移曲線

圖7和圖8分別為埋深40 m工況下樁頂位移為0.5 m時地基土與單樁的位移云圖。從圖7可以看出，單樁周邊地基土體變形主要發(fā)生在泥面以下15 m范圍內(nèi)。圖8中樁底端的位移只有5.198 mm。這說明單樁水平承載特性主要取決于單樁周邊淺層地基的性質(zhì)，僅僅依靠增大埋深來提高單樁水平承力是不合理的。

圖7 均質(zhì)土中埋深為40 m時地基土位移云圖

圖8 均質(zhì)土中埋深為40 m時單樁位移云圖

圖9為樁頂水平荷載作用為8.5 MN下不同埋深單樁剪力沿樁身變化規(guī)律，從圖9可以看出，泥面上樁身水平剪力大小及方向幾乎保持不變，至泥面下一定埋深處，剪力方向改變。隨著單樁埋深的增加，剪力最大截面處逐漸向下移動，埋深達到40m后剪力最大截面處在埋深為21 m附近且不再移動。各埋深剪力最大值19 MN，截面上平均剪力遠小于鋼材抗剪強度。

圖9 樁身橫截面剪力沿深度變化

表3 分層地基物理力學(xué)參數(shù)

3 分層地基中單樁基礎(chǔ)的水平承載特性

參考已有研究文獻[2]可知，在其他條件相同情況下，單樁水平承載力主要取決于泥面下4～5倍樁徑深度范圍內(nèi)土體物理力學(xué)參數(shù)。根據(jù)工程地質(zhì)實測資料適當(dāng)簡化，得到分層地基物理力學(xué)參數(shù)見表3。

為分別探討在不同地基工況中樁徑及埋深對單樁基礎(chǔ)水平承載力的影響，與上文2.1、2.2小節(jié)類似，本節(jié)以1.2小節(jié)中所述典型樁為基準(zhǔn)，在不改變其他條件的前提下分別設(shè)置樁徑為3～7 m的5種單樁以及埋深為20～60 m的5種單樁進行不同地基工況下的加載計算。

3.1 分層地基中樁徑變化條件下單樁水平承載特性分析

表4是不同地基工況下單樁水平承載力隨樁徑變化的數(shù)值。從表4中可以得出，相較于工況1地基(較好均質(zhì)地基)，工況2地層泥質(zhì)條件工況下承載力明顯降低，且降幅最大在19%左右。工況3、4地基中承載力變化規(guī)律與其他工況地基中相似。

表4 不同地基工況中不同樁徑單樁水平承載力

3.2 分層地基中埋深變化條件下單樁水平承載特性分析

表5為不同地基工況下單樁水平承載力隨埋深變化的數(shù)值。從表5可知，地基工況2中承載力明顯降低。工況3、4地基中承載力變化規(guī)律與其他工況地基中相似，整體上低于工況1，且降幅與工況2相比較小。

表5 不同地基工況中不同埋深單樁水平承載力

不同樁徑或者埋深單樁水平承載力的變化曲線如圖10所示。從圖10可以看出，工況1地基中單樁水平承載力最高，工況3、4中承載力十分接近且居于工況1、2之間，相同樁徑下工況2地基中水平承載力最低。相較于工況1地基，工況2地基中水平承載力降幅接近20%。這是因為單樁水平承載力主要取決于樁周淺層土體對樁身傾斜的抵抗作用，中間及下層土體對水平承載力的影響相對較小。此外，當(dāng)樁徑較小時各地基單樁水平承載力較為接近，隨著樁徑增大，各條曲線間距也越來越大。這說明樁徑越大，單樁表面積越大，淺層土體對單樁水平承載力的影響也越大。

圖10 不同工況地基水平承載力隨樁徑變化曲線

不同埋深情況下不同分層地基工況單樁水平承載力情況如圖11所示。從圖11可知，工況3、4地基中單樁水平承載力十分相近。當(dāng)埋深增加到40 m時上述兩種工況地基水平承載力與工況1相比僅下降了7.5%。在相同埋深情況下，工況2中水平承載力較其他工況最低，當(dāng)埋深增加到40 m及以上時，工況2中水平承載力較工況1仍分別有17.5%以上的降低。這說明單樁埋深的增加不能完全消除樁周淺層土體對于水平承載力的影響。

圖11 不同工況地基水平承載力隨埋深變化曲線

4 結(jié) 論

(1)樁徑對單樁水平承載力的影響最為明顯，承載力隨樁徑增大而顯著增大，且能夠有效減小水平荷載作用下的樁身位移。樁徑增大基本不改變樁身彎矩分布情況，對其幅值影響較小。埋深對水平承載力影響僅次于樁徑，且樁端嵌固作用存在較為明顯的邊際效應(yīng)，單樁水平承載力及剪力最大截面所處位置深度隨埋深增大先增大而后趨于不變。

(2)樁周淺層土體對水平承載力有較大影響，且樁徑越大，單樁與土體接觸面積越大，上層土質(zhì)參數(shù)對其影響就越明顯。埋深嵌固作用依托于下層土質(zhì)，樁徑相同情況下埋深的增加亦不能完全消除樁周淺層土體對單樁水平承載力的削弱作用。

(3)夾有差土成層地基中單樁水平承載力較均質(zhì)地基皆有一定程度下降。單樁水平承載力在中夾差土與上優(yōu)下劣地基中較為接近；在上劣下優(yōu)地基中最低，本文工況下較均質(zhì)地基降幅為20%左右。

(4)實際工程中應(yīng)考慮實際情況綜合確定單樁樁徑，地基土中可采取灌漿等方法對樁周淺層土體進行加固，同時可適當(dāng)增大樁長來增加樁端的嵌固作用。