收稿日期：2022-03-07

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（52171274）

通信作者：張浦陽(yáng)（1978—），男，博士、副教授，主要從事海上風(fēng)電方面的研究。zpy_td@163.com

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0270 文章編號(hào)：0254-0096（2023）04-0189-06

摘 要：針對(duì)三筒吸力式導(dǎo)管架基礎(chǔ)在粉砂質(zhì)土、淤泥質(zhì)土中的承載特性進(jìn)行一系列的數(shù)值研究。選取不同厚度的粉砂質(zhì)土和淤泥質(zhì)土組合，利用ABAQUS有限元軟件對(duì)不同土質(zhì)組合下基礎(chǔ)單向的水平承載能力、破壞特性和吸力筒的臨側(cè)土壓力進(jìn)行分析。研究發(fā)現(xiàn)：三筒吸力式導(dǎo)管架基礎(chǔ)在不同土質(zhì)組合下的水平承載能力呈規(guī)律性的變化，且隨粉砂質(zhì)土厚度的增加而增大。結(jié)構(gòu)承載力在吸力筒側(cè)壁的粉砂質(zhì)土厚度為3～6 m時(shí)表現(xiàn)出最大的增長(zhǎng)能力，研究結(jié)果可為實(shí)際工程中三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供建議和參考。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電；吸力式筒型基礎(chǔ)；承載力；粉砂質(zhì)土；淤泥質(zhì)土

中圖分類(lèi)號(hào)：TK513.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

海上風(fēng)電筒型基礎(chǔ)是目前開(kāi)始規(guī)?；瘧?yīng)用的基礎(chǔ)型式，該基礎(chǔ)的下沉原理是利用抽吸海水在筒內(nèi)形成的吸力使周?chē)Ｋ畬⒒A(chǔ)壓入土壤中，可做到快速下沉、節(jié)省成本。海上風(fēng)電基礎(chǔ)主要受上部風(fēng)力機(jī)荷載和風(fēng)浪流等環(huán)境荷載作用，其受力特點(diǎn)主要表現(xiàn)為，受水平方向荷載和彎矩的影響顯著，而豎向荷載對(duì)其影響不明顯。因此，基礎(chǔ)承載性能和穩(wěn)定性問(wèn)題是風(fēng)電基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中最需要關(guān)注的問(wèn)題之一［1］。

近年來(lái)各國(guó)學(xué)者針對(duì)三筒吸力式導(dǎo)管架基礎(chǔ)開(kāi)展了一系列水平、豎向和彎矩極限承載力的研究。Kim等［2］利用有限元法研究了三筒基礎(chǔ)在粘土不排水條件下筒群效應(yīng)對(duì)承載性能的影響。Hung等［3］利用三維有限元分析了多筒基礎(chǔ)在水平彎矩荷載作用下飽和粘土與砂土組合的承載能力。Vicent等［4］對(duì)飽和砂土下的筒型基礎(chǔ)進(jìn)行水平荷載的長(zhǎng)期循環(huán)加載，研究了循環(huán)荷載和飽和砂土對(duì)結(jié)構(gòu)水平承載力的影響。劉永剛等［5］對(duì)淤泥質(zhì)黏土中復(fù)合筒型基礎(chǔ)的水平承載力進(jìn)行了研究，得到復(fù)合筒型基礎(chǔ)在水平荷載作用下的土壓力分布規(guī)律、位移變化機(jī)制和極限承載能力。張浦陽(yáng)等［6］對(duì)多筒基礎(chǔ)的承載能力和上部結(jié)構(gòu)的受力性能進(jìn)行有限元模擬，研究了多筒基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)周?chē)馏w的破壞特性和傳力特點(diǎn)。丁紅巖等［7］研究了上方覆蓋的軟土層厚度對(duì)砂土地基處多筒基礎(chǔ)承載特性的影響。研究結(jié)果表明，隨著上覆軟土層厚度的增加，基礎(chǔ)的豎向、水平以及抗彎承載力呈線性減小的趨勢(shì)，但軟土層厚度對(duì)于極限彎矩荷載作用下的基礎(chǔ)旋轉(zhuǎn)中心位置影響很小。

1 有限元模型概況

1.1 計(jì)算模型

結(jié)構(gòu)共分為上部過(guò)渡段、中間導(dǎo)管架和下部吸力筒基礎(chǔ)3部分。下部基礎(chǔ)為三筒結(jié)構(gòu)，各筒分別通過(guò)加強(qiáng)段和上部導(dǎo)管架相連。導(dǎo)管架部分分為上中下3部分，各部分由X型斜撐支撐連接。上部法蘭用于連接上部風(fēng)力機(jī)和導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)。吸力樁筒直徑為12 m，高度為15 m，各筒間隔為35 m。導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的各段連接和斜撐交錯(cuò)的位置需進(jìn)行加厚處理。模型設(shè)計(jì)水深為41.5 m，三筒導(dǎo)管架采用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，水上部分容重為78.5 kN/m3，水下部分的浮容重為68.5 kN/m3。風(fēng)力機(jī)荷載作用于過(guò)渡段頂部位置，法蘭結(jié)構(gòu)的中心點(diǎn)處，距離吸力筒頂（水平面）67.5 m。結(jié)構(gòu)與土體的接觸形式選用綁定接觸和摩擦接觸，吸力筒和土體的接觸部分采用摩擦接觸，其余各部分導(dǎo)管架、過(guò)渡段和接頭段均采用綁定接觸。鋼結(jié)構(gòu)材料屬性如表1所示。

計(jì)算過(guò)程中，以法蘭頂部的中心作為加載點(diǎn)，采用位移控制法逐步施加水平位移，確定相應(yīng)的荷載，由此得到位移-荷載曲線。

1.2 計(jì)算土體參數(shù)和模型組合

吸力筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)布置的海域下方土質(zhì)以粘土、淤泥質(zhì)土和粉砂質(zhì)土為主，吸力筒基礎(chǔ)需要深入海泥面以下來(lái)保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，水下部分考慮浮容重。土質(zhì)條件如表2所示。

本文主要研究吸力筒深入部分土體性質(zhì)對(duì)筒型基礎(chǔ)水平承載力的影響，采用歸一化的處理方式，變量?jī)H為筒內(nèi)外土體性質(zhì)。對(duì)筒體接觸部分的土體進(jìn)行11種方式的組合，從全淤泥質(zhì)土到全粉砂質(zhì)土，得出不同土質(zhì)組合下的基礎(chǔ)承載能力。具體研究和計(jì)算方案參考表3。結(jié)構(gòu)整體施加水平荷載，0、3、6、9、12和15代表土體的厚度，字母代表土體性質(zhì)，SC代表淤泥質(zhì)土，SS代表粉砂質(zhì)土。例如SC-6則代表淤泥質(zhì)土底部位于吸力筒筒裙底下側(cè)6 m處，SS-9代表粉砂質(zhì)土最高處位于吸力筒筒裙底部向上9 m，如圖1所示?！?”代表筒裙底部正好位于淤泥質(zhì)土和粉砂質(zhì)土的結(jié)合部位。地基土體采用100 m×100 m×60 m的正方體，可消除邊界條件對(duì)三筒基礎(chǔ)受力性能的影響［2］，土體采用Mohr-Coulomb模型。加載方向的規(guī)定如圖2b箭頭所示。

1.3 承載力的確定

基礎(chǔ)進(jìn)入塑性區(qū)和達(dá)到破壞的臨界值是通過(guò)位移-荷載曲線決定的。當(dāng)曲線出現(xiàn)第一拐點(diǎn)時(shí)，基礎(chǔ)被認(rèn)為進(jìn)入塑性區(qū)；當(dāng)位移-荷載曲線出現(xiàn)第一個(gè)極值點(diǎn)時(shí)，則被認(rèn)為達(dá)到臨界破壞點(diǎn)。兩處相對(duì)應(yīng)的荷載分別為地基臨塑荷載和基礎(chǔ)極限承載力［1］。如果位移-荷載曲線無(wú)明顯拐點(diǎn)，則需要利用切線相交法找到結(jié)構(gòu)發(fā)生臨界破壞時(shí)所對(duì)應(yīng)的荷載和位移，如圖3所示。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

如圖4所示，淤泥質(zhì)土的承載能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于粉砂質(zhì)土。當(dāng)吸力筒筒裙恰好位于兩種土層的交界處時(shí)，承載力相較于全淤泥質(zhì)土覆蓋的情況表現(xiàn)更好。如圖5a所示，對(duì)比不同深度的淤泥質(zhì)土，在12～15 m后土層的承載能力變化不再明顯，二者的位移也相差不大。同時(shí)隨著淤泥質(zhì)土層厚度的增加，土體的水平承載能力呈類(lèi)線性增長(zhǎng)。

當(dāng)整個(gè)吸力筒都處于淤泥質(zhì)土，即淤泥質(zhì)土層厚度達(dá)到30 m時(shí)，土體的水平承載能力最小，且隨著粉砂質(zhì)土厚度的增加，承載力逐漸提高。但由于所有SS組合的吸力筒附近土體都為淤泥質(zhì)土，承載能力仍遠(yuǎn)小于粉砂質(zhì)土覆蓋的情況。比較圖5a和圖6b可發(fā)現(xiàn)，SC-3（粉砂質(zhì)土層）情況下土體的承載能力較SS-3（淤泥質(zhì)土層）情況下高31.85%。

如圖6a所示，粉砂質(zhì)土體的承載能力會(huì)隨筒裙附近該土體厚度的增加而近似地呈線性增長(zhǎng)。結(jié)果表明，粉砂質(zhì)土層為18 m時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)附近的土體承載力相較于15 m的土層厚有很大程度的提高，水平承載力增高約18.78％。圖6b結(jié)果表明，粉砂質(zhì)土層每增加3 m，基礎(chǔ)水平承載力依次增強(qiáng)6.07%、6.45%、5.27%和3.17%。分析結(jié)果可知，粉砂質(zhì)土?xí)黠@提高土體的水平極限承載力。將吸力筒深入粉砂質(zhì)土3 m后，土體所能承受的水平荷載可顯著提高約20%。因此，實(shí)際工程中可以考慮將吸力筒底部插入相應(yīng)深度的粉砂質(zhì)土層中，以此更大程度地保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。同時(shí)結(jié)果表明，粉砂質(zhì)土厚度為21～24 m時(shí)，土體的承載力增幅最明顯。此時(shí)，吸力筒壁附近的砂土達(dá)到6～9 m。隨著砂質(zhì)土厚度的持續(xù)增加，土體的水平承載能力增長(zhǎng)幅度會(huì)逐漸降低。

圖7結(jié)果顯示，不同厚度的粉砂質(zhì)土在橫向荷載作用下呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律。隨著砂質(zhì)土厚度的增加，整個(gè)土體的塑性變形區(qū)域逐漸變小，破壞程度也相應(yīng)減弱。

由圖8可看出，淤泥質(zhì)土情況（SC）下，SC-3到SC-15土體的塑性變形區(qū)域在逐漸變小，但不同厚度的淤泥質(zhì)土在水平荷載的作用下呈現(xiàn)相似規(guī)律。淤泥質(zhì)土厚度的增加會(huì)導(dǎo)致吸力筒底部環(huán)狀區(qū)域內(nèi)逐漸出現(xiàn)變形。在淤泥質(zhì)土層厚度達(dá)到27 m時(shí)，上下塑性變形區(qū)被徹底分開(kāi)。

對(duì)比兩種工況可發(fā)現(xiàn)，兩種土體在水平荷載作用下的破壞模式相似，筒體底面形成連貫的勺型破壞區(qū)域，破壞面向基礎(chǔ)的底面向下處延伸很深，說(shuō)明在基礎(chǔ)底部發(fā)生了平動(dòng)滑移破壞。在水平荷載作用下，筒體周?chē)馏w形成主動(dòng)土壓力區(qū)和被動(dòng)土壓力區(qū)。上部荷載向基礎(chǔ)方向的傳力使筒壁外側(cè)形成被動(dòng)土壓力，筒外土體受擠壓作用在該區(qū)域發(fā)生楔形塑性破壞。可看到在SC工況下，最大塑性變形發(fā)生在筒壁外側(cè)與土體的交界面底部，此處會(huì)形成一個(gè)較嚴(yán)重的塑性變形區(qū)域。楔形破壞區(qū)域主要集中在筒基下方兩點(diǎn)、外壁和外側(cè)土體處，筒內(nèi)土體未見(jiàn)明顯塑性變形。說(shuō)明此時(shí)筒內(nèi)土體整體還未發(fā)生塑性變形，形成局部剪切破壞的可能性較?。?-11］。

圖9為土體達(dá)到最大水平承載能力時(shí)三筒基礎(chǔ)所受的筒側(cè)土壓力。在水平荷載作用下，三筒基礎(chǔ)受壓側(cè)筒壁土體抗力主要由臨載方向土體的被動(dòng)土壓力提供。其土壓力會(huì)隨粉砂質(zhì)土的增厚呈現(xiàn)規(guī)律性增大，且土壓力極值點(diǎn)沿SS-15工況向0依次減小。從圖9a可看出，筒內(nèi)部土體臨載側(cè)的主動(dòng)土壓力受粉砂質(zhì)土厚度的變化，在底面以下5、8、11和14 m處會(huì)產(chǎn)生壓力突變，突變位置處向下的粉砂質(zhì)土產(chǎn)生的主動(dòng)土壓力較小。同時(shí)在兩種土質(zhì)交界層向下約1 m的位置會(huì)出現(xiàn)主動(dòng)土壓力的極小值點(diǎn)。

吸力筒內(nèi)壁受壓側(cè)的主動(dòng)土壓力如圖10所示，可看出主動(dòng)土壓力受淤泥質(zhì)土厚度的影響呈現(xiàn)較規(guī)律的變化，且隨著埋深的增加，主動(dòng)土壓力呈線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)。淤泥質(zhì)土層厚度整體影響筒壁內(nèi)側(cè)的主動(dòng)土壓力呈現(xiàn)規(guī)律性變化，隨著淤泥質(zhì)土層厚度的增大，主動(dòng)土壓力在SC-3工況下達(dá)到一個(gè)土壓力峰值，SC-9工況下的主動(dòng)土壓力最小。同時(shí)從筒壁外側(cè)的被動(dòng)土壓力曲線可看出，筒底部位于15 m埋深處的被動(dòng)土壓力值在0工況，即兩種土質(zhì)分別在達(dá)到15 m厚度時(shí)最大。同時(shí)各種工況下土體的土壓力均在埋深約14 m時(shí)呈現(xiàn)突變，形成土壓力極大值。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)建立12種不同方式的土體組合，對(duì)三筒吸力式導(dǎo)管架基礎(chǔ)進(jìn)行水平承載力研究，得出以下主要結(jié)論：

1）粉砂質(zhì)土厚度在一定程度上影響著吸力筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)的選址，其中粉砂質(zhì)土覆蓋在吸力筒壁3～6 m時(shí)，結(jié)構(gòu)的水平承載能力增長(zhǎng)最大，此深度對(duì)于實(shí)際工程較為經(jīng)濟(jì)合理，但貫入過(guò)厚的粉砂質(zhì)土層可能會(huì)導(dǎo)致安裝困難。

2）通過(guò)淤泥質(zhì)土（SC）和粉砂質(zhì)土（SS）兩種工況對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，三筒基礎(chǔ)底部處于SS土質(zhì)時(shí)的水平承載能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于結(jié)構(gòu)底部處于SC土質(zhì)的情況。對(duì)比3 m厚的SS和SC，前者的基礎(chǔ)水平承載能力優(yōu)于后者約31.85%。

3）兩種土質(zhì)下，吸力筒受壓側(cè)筒壁處的主被動(dòng)土壓力呈現(xiàn)不同的規(guī)律，土體抗力主要由被動(dòng)土壓力提供，其極值點(diǎn)會(huì)隨粉砂質(zhì)土層厚度的增加呈規(guī)律性的增加。

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INFLUENCE OF DIFFERENT SOIL ON HORIZONTAL BEARING CHARACTERISTICS OF TRIPOD SUCTION JUCKET FOUNDATIONS

Zhang Puyang1，F(xiàn)eng Jiacheng1，Li Xiangliang2，Zhang Jinfu2，Le Conghuan1，Ding Hongyan1

（1. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety， Tianjin University， Tianjin 300072， China；

2. Fujian Provincial Investigation Design and Research Institute of Water Conservancy and Hydropower， Fuzhou 350001， China）

Abstract：In this paper， a series of numerical studies on the bearing capacity of the tripod jacket foundation in sandy soil and silty clay are conducted. The combination of sandy soil and silty clay with different thicknesses is selected， and the general finite element program ABAQUS is used to analyze the bearing capacity of the foundation， the failure characteristics of the foundation and the soil pressure on the side of the cylinder under the horizontal load with different soil combinations. The calculation results show that with the thickness of the silty soil increasing， the horizontal bearing capacity of the tripod suction jacket foundation is regularly increased. The structural bearing capacity shows the greatest growth when the thickness of the attached silty soil is 3-6 m， which can provide suggestions and references for the site selection of the tripod jacket foundation in the actual project.

Keywords：offshore wind power； suction bucket jacket foundation； bearing capacity； silty sand； silty clay