方孝伍 吳衍劍 許洪露

（中國電建集團福建省電力勘測設計院有限公司 福建福州 350003）

0 引言

風能是一種可循環(huán)利用的能源，海上的風速比陸地上的大且穩(wěn)定，并且減少了對土地資源的占用，因此探討海上風機的發(fā)展變化是現(xiàn)在研究的重點。單樁基礎因其結構簡單、占用面積小、施工方便、沉降量不大且穩(wěn)定、適用范圍廣等優(yōu)點，成為了海上風電比較常見的基礎型式。我國海上風電場大都位于近海淺水海域，更適合應用大直徑單樁基礎。

沖刷是水流對海床的侵蝕行為，局部沖刷則發(fā)生在樁基阻礙水流流動的周圍土層。在波浪荷載下，樁基的安全性能、動力響應將變得更為復雜［1］。很多學者對樁基沖刷進行了相關的研究。CHENG 等［2］假定了理想的沖刷坑形態(tài)，提出了1 種新型p-y 曲線計算方法，并驗證了局部沖刷下的p-y 曲線，最后通過有限元模型進行驗證，結果表明沖刷深度對于樁身響應的影響明顯大于沖刷坑底面寬度和傾角。HAO 等［3］研究了軟黏土中的樁基，綜合考慮了應力歷史、沖刷深度、沖刷寬度、沖孔坡角對軟土地基樁側力的影響，認為沖刷對樁基的影響可以歸納為沖刷深度和應力歷史2 個主要因素。戴國亮等［4］利用LPILE 軟件模擬與p-y 曲線相比較，較好的模擬了沖刷形態(tài)，并研究了沖刷深度、沖刷坡角和沖刷寬度的參數(shù)敏感性，得出了三者對土基承載力的影響依次下降的結論。蔣建平等［5］利用ABAQUS 軟件根據(jù)實際工況建立了部分埋入水平受荷樁的三維有限元計算模型，進行了沖刷條件下水平受荷樁的模擬，考慮了沖刷角度、深度、樁直徑和樁頂約束條件的影響。結果表明，局部沖刷作用對樁頂自由的工況影響最大，樁頂固定條件次之，對彈性側移約束的影響最小。王其昊［6］對無沖刷條件下的CPT 錐尖阻力和側摩阻力進行修正，推導了局部沖刷下考慮土體應力歷史變化的參數(shù)表達式，并且基于總側阻力等效的原則，提出了局部沖刷下的簡化樁土模型，并通過PLAXIS 3D 模擬得到驗證。綜上，目前關于在分層土中單樁基礎沖刷的研究并不多，尤其是黏土中的沖刷狀態(tài)相較于沙土中較為復雜。本文以某風電場項目中1 個采用單樁基礎形式的機位作為研究對象，以有限元軟件ABAQUS 為工具，通過改變沖刷坑的形態(tài)來確定沖刷對樁身以及土體承載力和變形的影響，并研究了不同沖刷深度下樁基的動力響應規(guī)律。通過此分析便于為后續(xù)類似工程的單樁基礎結構防沖刷設計提供參考。

1 工程背景資料

據(jù)現(xiàn)場資料勘察，該機位處水深24.6 m，水面處標高為1.2 m。地勘鉆孔資料、土層分布以及地勘提供的部分土層物理力學參數(shù)如表1 所示。

表1 土層分布及物理力學參數(shù)

針對此機位鉆孔條件，實際工程中是按無過渡段的大直徑單樁基礎結構進行設計。設計方案為：鋼管樁樁頂標高為16.0 m，樁端標高為-70.0 m，泥面處標高為-23.4 m，樁基基礎埋深為46.7 m。鋼管樁上部與塔筒底部連接處的樁身直徑為6 m，鋼管樁底部直徑為7.8 m，樁身中部通過變直徑椎體進行過渡連接。鋼管樁材質及力學參數(shù)如表2 所示。風機采用上海電氣7 MW 風電機組。

表2 鋼管樁材質及力學參數(shù)

2 不同深度沖刷坑單樁基礎結構有限元模型

2.1 沖刷參數(shù)的確定

海洋環(huán)境中通常會存在結構物周邊土體沖刷的問題。當結構物在海床上完成安裝以后，其附近的水流可能會加強，從而增強周邊泥沙運動，最終引起局部范圍土體的沖刷［7］。通常在定常流作用下，依據(jù)流速不同，樁周砂土的沖刷坑形狀可以分為3 種：①當流速較小時，沖刷坑形狀為馬蹄形；②隨著流速增大，沖刷坑的形狀由馬蹄形過渡為近似圓形；③流速繼續(xù)增大，沖刷坑形狀演化為倒圓錐形［8］。黏土的沖刷坑形狀變化與砂土類似。當流速較低時，僅樁后的表層軟弱黏土被沖走；當流速增大到足夠帶走樁周土體時，樁周沖刷坑形狀依次向馬蹄形、圓形、倒圓錐形過渡［9］。

最大沖刷深度直接影響樁基承載力，因此最大沖刷深度的數(shù)值是計算地基承載力降低量的重要數(shù)據(jù)。而海上風機局部沖刷機理相對復雜，影響因素較多，導致局部沖刷深度的計算存在差異性［10］。目前國內外用于計算波浪、潮流作用下局部沖刷的公式較多［11］。

（1）對于非黏性土，Shen 基于雷諾數(shù)提出了樁基沖刷深度的計算方法，見式（1）、（2）。

式中：SD是沖刷深度；um是海床平均流速；d 是樁徑；v 是流體的運動黏度，對于水的運動黏度，取10-6m2/s。

（2）對于黏性土，Briaud 同樣基于雷諾數(shù)提出了樁基沖刷深度的計算方法，見式（3）。

（3）韓海騫公式，如式（4）。

式中：hb為最大局部沖刷深度；h 為最大水深；B 為平均阻水寬度；d50為泥沙平均中值粒徑為弗汝德數(shù)，u 為最大流速；k1為基礎樁平面布置系數(shù)；k2為基礎樁垂直布置系數(shù)。

利用已建的帶風電機組基礎局部沖刷的實測數(shù)據(jù)，對上述公式的適用性進行驗證。結果得出，韓海騫公式比較適用于淤泥質海岸，得到的理論最大沖刷深度與折減系數(shù)相乘，基本與實際最大沖刷深度一致。因此，選取沖刷深度范圍內的部分沖刷深度作為模型的變量，分別為0、3、5、7 m。假定局部沖刷坑形態(tài)為倒圓錐狀，其截面形狀如圖1 所示。通過沖刷深度、底面寬度、頂面寬度和坡角加以描述，各參數(shù)之間的關系可表示為式（5）。

圖1 樁基局部沖刷示意圖

LIN 等［12］認為，沖刷坡角一般接近河床土體的休止角，對于砂土來說一般為30°至44°，而對于淤泥質海岸而言，淤泥幾乎沒有摩擦角，因而沖刷坑頂部寬度在工程實踐中可取為兩倍的局部沖深。

2.2 有限元模型的建立

海上風機單樁基礎為變徑鋼管樁，直徑范圍6.0～7.8 m，基礎壁厚0.05 m。采用線彈性本構關系模擬分析，選用Mohr-Coulomb 理想彈塑性本構模型，對鋼管樁體單元和土體單元均采用三維8 節(jié)點縮減積分（C3D8R）實體單元進行有限元計算分析，對鋼管樁外表面、內表面與周圍土體的接觸均采用面對面的摩擦接觸，樁土接觸摩擦系數(shù)的值取0.35。荷載加載點在樁頂中心處，選擇合理的邊界范圍，模型周邊土層按半徑50 m圓柱體設置，土層高度為100 m。周邊土體徑向位移約束，土體底部固定，建好后的不同沖刷深度結構有限元模型見圖2。

圖2 有限元數(shù)值模擬計算模型示意圖

2.3 荷載組合

本次研究的工況組合依據(jù) 《海上風電場工程風電機組基礎設計規(guī)范》（NB/T 10105—2018）確定，主要考慮風機荷載與波流荷載，選取正常使用極限工況進行變形計算，其中風機荷載為主要荷載，波流荷載為次要荷載。正常使用極限工況下的荷載設計值如表3 所示。

3 沖刷對單樁及土體的變形影響分析

3.1 單樁變形情況分析

圖3 為處于極限平衡狀態(tài)時，在不同沖刷深度下的單樁基礎對應的樁身位移云圖。由圖3 可知，隨著沖刷深度的增加，單樁基礎相同位置處的位移逐漸增大，從不沖刷到沖刷深度為7 m 時，樁身位移最大值從44.6 cm 增大到53.9 cm。鋼管樁樁身水平位移曲線如圖4 所示，可以看出，當沖刷深度分別為0、3、5、7 m 時，對應的樁頂處的水平位移分別為31.9、32.9、35.3、38.6 cm。沖刷坑的深度對樁身泥面以上部分變形的影響大于泥面以下部分。

圖3 單樁基礎位移云圖

圖4 不同沖刷深度的土體本構模型下鋼管樁水平位移曲線

圖5 為不同沖刷深度下樁身壓力隨樁身高度變化曲線，可以看出，在泥面處以下一定范圍內樁身不受到土的壓力，在泥面以下10 cm 左右位置處開始受到壓力。由于沖刷使部分土體流失，產生倒圓錐狀的沖刷坑，隨著沖刷深度的增大，樁身周圍土體減少，對樁身的壓力也隨之減小。當樁身高度在-40 m 左右位置時，不沖刷土體中的樁身壓力約為55 kN；而沖刷坑深度為7 m 時，樁身壓力僅為45 kN 左右。當距離樁底部10 m 左右時，樁身壓力增大速度突然變快，并在接近樁底的-68 m 左右位置處達到極值，不沖刷土體的樁身最大壓力為377 kN，沖刷7 m 土體的樁身最大壓力為405 kN。最后樁端受到的壓力分別減小至235、263、273、290 kN。

圖5 不同沖刷深度下樁身壓力隨樁身高度變化曲線

3.2 土體變形情況分析

圖6 為不同沖刷深度下土體的位移云圖，圖7 為沖刷深度與最大土體位移的關系曲線。由圖6 和圖7 可知，隨著沖刷深度的增加，樁內土的位移逐漸增大，當沖刷深度為7 m 時，樁內土的位移達到了14.11 cm。與無沖刷相比，沖刷3 m 時土體最大位移較無沖刷時增大了11.2%，后續(xù)沖刷深度每增加2 m，樁內土體最大位移增加趨勢較為穩(wěn)定，均增加了12%左右。樁外土體位移相差不大，說明沖刷對樁外土體位移幾乎無影響，且沖刷對基礎土體的破壞模式影響較小。

圖6 不同沖刷深度下土體的變形位移云圖

圖7 土體最大位移與沖刷深度的關系曲線

圖8 展示了不同沖刷深度的土體等效塑性應變圖。土體塑性破壞區(qū)域主要集中在樁身泥面以下中間偏上區(qū)域，且隨著沖刷深度的增加，會在該破壞區(qū)域下部形成新的小范圍破壞區(qū)域。

圖8 不同沖刷深度的土體等效塑性應變圖

4 沖刷對結構固有頻率的影響分析

圖9 展示了不同沖刷深度下結構的第一階模態(tài)。對于一般結構而言，第一階固有頻率是影響結構安全的最主要因素，因此，盡量使其遠離動力荷載的主頻率。圖10 展示了不同沖刷深度下結構的第一階固有頻率。隨著沖刷深度的增加，結構第一階固有頻率逐漸降低，并且降低的幅度越來越快，相較于不沖刷的結構，沖刷達到7 m 時的第一階固有頻率降低了15.9%，由此可見，單樁基礎結構固有頻率受沖刷影響較大。

圖9 不同沖刷深度下結構的第一階模態(tài)

圖10 不同沖刷深度下結構的第一階固有頻率變化曲線

5 結語

針對沖刷對海上風電單樁基礎的影響，本文采用數(shù)值模擬的方法，建立了大直徑單樁基礎有限元模型，參照沖刷相關經驗公式，確定了沖刷坑的深度以及倒錐形的沖刷坑形態(tài)，依據(jù)風浪荷載組合進行相關計算，分析了沖刷對單樁基礎以及周圍土體的影響。結果表明，隨著沖刷深度的增加，單樁基礎相同高度處的位移逐漸增大，樁身外側壓力逐漸減小。對于土體而言，沖刷程度越大，樁內土體位移越大，塑性破壞區(qū)域面積越大，而樁外土體位移以及土體破壞模式幾乎不受沖刷的影響。隨著沖刷深度的增加，樁身的第一階固有頻率逐漸降低，并且降低幅度逐漸增大。