摘 要：地基基礎(chǔ)是海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)所受載荷的最終承載者，針對中國沿海軟弱超固結(jié)軟土地基開展力學(xué)特性研究。通過離心模型試驗(yàn)方法對單樁基礎(chǔ)形式的靜力特性進(jìn)行分析和對比。研究結(jié)果揭示通過離心模型試驗(yàn)?zāi)M樁基礎(chǔ)的有效性，該方法能準(zhǔn)確捕捉現(xiàn)場地基的應(yīng)力分布及樁與土體之間的相互作用特性。在軟黏土環(huán)境中，針對不同直徑的單樁進(jìn)行的分析表明，其變形行為及樁土相互作用機(jī)制呈現(xiàn)出顯著的差異性。規(guī)范中的p-y曲線不適用于中國近海土質(zhì)，據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出地基無量綱水平抗力系數(shù)隨埋深變化和與循環(huán)應(yīng)力幅值相關(guān)的循環(huán)弱化因子計(jì)算模型。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電；風(fēng)力機(jī)；樁土作用；離心模型試驗(yàn)；循環(huán)加載；p-y模型；土抗力系數(shù)

中圖分類號：TK89" " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0577

文章編號：0254-0096（2024）08-0537-09

1. 中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 311122；

2. 大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部，大連 116024

0 引 言

海上風(fēng)能作為目前最具開發(fā)前景的可再生能源，正在逐步得到開發(fā)。目前海上風(fēng)電場最常用的基礎(chǔ)是單樁基礎(chǔ)。相比陸上風(fēng)力機(jī)，海上風(fēng)力機(jī)所承受的環(huán)境載荷更為復(fù)雜，在服役期間受到波浪、水流和風(fēng)載荷的激勵(lì)。鑒于此，海上風(fēng)電場的建設(shè)在經(jīng)濟(jì)投入和技術(shù)復(fù)雜度上均較陸上風(fēng)場有顯著提升，這種增加已成為其商業(yè)化推廣的主要障礙［1］。地基基礎(chǔ)作為海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)載荷的最終承載體，對風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有至關(guān)重要的影響［2-3］。鑒于近海風(fēng)電機(jī)組規(guī)模龐大，并承受風(fēng)、浪等復(fù)合荷載的共同作用，這對支撐塔架結(jié)構(gòu)及風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)提出更為嚴(yán)格的要求。

考慮樁土相互作用對單樁風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)的合理設(shè)計(jì)至關(guān)重要，曾雨欣等［4］分析不同樁土作用模型對大型風(fēng)力機(jī)動(dòng)力響應(yīng)的影響。美國石油學(xué)會（American Petroleum Institute， API）［5］在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上總結(jié)水平荷載作用下單樁的非線性p-y曲線。Murchison等［6］在黏土地基上實(shí)施針對3種不同直徑樁的水平荷載實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示了樁徑對樁土相互作用p-y曲線具有顯著的調(diào)控作用。p-y曲線法在海洋石油工業(yè)中廣泛應(yīng)用，但由于試驗(yàn)樁直徑較小，研究結(jié)果不適用于大直徑的海上風(fēng)電樁基礎(chǔ)。朱斌等［7］根據(jù)現(xiàn)場樁試驗(yàn)結(jié)果指出，在砂性土地基的應(yīng)用場景中，API規(guī)范所提供的p-y曲線初始剛度值顯得偏高，這一特性使其不適宜用于大直徑單樁基礎(chǔ)的計(jì)算與分析；Alderlieste［8］在干砂環(huán)境中開展了超大直徑單樁基礎(chǔ)在水平靜力和循環(huán)荷載作用下的離心模型試驗(yàn)。試驗(yàn)中使用的原型樁直徑分別為2.2和4.4 m。試驗(yàn)結(jié)果表明，API規(guī)范提供的p-y曲線并不適用于超大直徑單樁基礎(chǔ)。基于此，Alderlieste對其初始反力模量進(jìn)行修正，并從樁土剛度和循環(huán)累積變形兩個(gè)維度深入探討了超大直徑單樁基礎(chǔ)在長期循環(huán)荷載下的效應(yīng)。

針對國內(nèi)沿海具有代表性的軟弱超固結(jié)軟土地基，本文選取大直徑樁進(jìn)行水平荷載離心模型試驗(yàn)，通過試驗(yàn)結(jié)果分析，提出適用于這一土質(zhì)的p-y、t-z、q-z曲線，為中國近海風(fēng)電開發(fā)提供基礎(chǔ)。

1 單樁離心模型試驗(yàn)分析方法

1.1 軟黏土地基制備

本文的單樁離心模型試驗(yàn)采用馬來西亞高嶺土來制備地基。與常規(guī)海洋土相比，馬來西亞高嶺土具有更高的滲透系數(shù)，這一特性能顯著縮短固結(jié)時(shí)間，且其物理特性相對穩(wěn)定，這些優(yōu)勢為試驗(yàn)的對比分析提供了便利。土特性如表1所示。

與先前的大直徑單樁及小尺寸離心模型試驗(yàn)相比，本次試驗(yàn)的樁徑和埋深均有所增加，從而提高了試驗(yàn)的難度。試驗(yàn)采用正常固結(jié)的軟黏土，為了確保表面土層在預(yù)壓固結(jié)后初始強(qiáng)度不為零，采用完全離心加速自重固結(jié)的方法，圖1所示為所用真空攪拌箱。

1.2 離心機(jī)參數(shù)及單樁模型

本項(xiàng)目試驗(yàn)利用浙江大學(xué)ZJU-400土工離心機(jī)完成，如圖2所示。該離心機(jī)是由浙江大學(xué)和中國工程物理研究院聯(lián)合研制的臂式離心機(jī)，采用雙吊籃工作方式，其有效旋轉(zhuǎn)半徑為4.5 m，吊籃有效容積為1.5 m×1.2 m×1.5 m，容量為400 g?t，最大離心加速度為150 g。在靜力試驗(yàn)中離心機(jī)可在150 g重力加速度下負(fù)載2500 kg工作。

為最大程度滿足相似性，模型樁采用6061鋁合金空心管加工而成，其彈性模量為68.9 GPa，樁端開口。采用與軟黏土固結(jié)過程相同的加載g值進(jìn)行試驗(yàn)加載，通過計(jì)算原型樁與模型樁的抗彎剛度比例n4∶1來確定原型樁尺寸，比尺計(jì)算式為：

[Esπ64（D4s-d4s）=n4Eaπ64（D4a-d4a）] （1）

式中：[Es]、[Ea]——鋼材和鋁合金的彈性模量；[Ds]、[ds]——原型管樁的外徑和內(nèi)徑；[Da]、[da]——模型鋁管的外徑和內(nèi)徑；[n]——長度及加速度比尺，本試驗(yàn)中[n]取100。

100 g條件下進(jìn)行離心機(jī)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆对O(shè)計(jì)，模型樁選型如表2所示。

1.3 加載與測量裝置

1.3.1 水平及豎向荷載的加載與測量

水平加載裝置采用浙江大學(xué)土木工程實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的單自由度水平加載系統(tǒng)。該系統(tǒng)配備伺服電機(jī)，其前端設(shè)有加載反饋裝置，能支持力控制和位移控制兩種加載模式。伺服電機(jī)通過連桿與加載頭相連接，并可根據(jù)試驗(yàn)需求在加載頭位置安裝不同的力傳感器。伺服電機(jī)的加載速度范圍為0.1～10 mm/s，能提供最大2.5 kN的輸出荷載，最大控制位移為50 mm，最大加載頻率可達(dá)7 Hz。水平荷載的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過與加載刀相連的軸力計(jì)獲取，本次試驗(yàn)中選用的軸力計(jì)量程為1 kN。

豎向加載裝置由浙江大學(xué)自主設(shè)計(jì)的液壓油缸單自由度加載裝置（圖3），由側(cè)面LVDT進(jìn)行反饋提供不同加載速率，液壓油缸通過連桿與加載頭相連接，試驗(yàn)人員可根據(jù)具體需求在加載頭位置配置不同的力傳感器。加載速率的施加范圍為：0.5～120 mm/min。豎向荷載通過與加載頭相連接的軸力計(jì)即時(shí)獲取，本試驗(yàn)采用軸力計(jì)量程5 kN。實(shí)際加載高度為20 cm。

1.3.2 位移測量

在水平方向上布置兩道激光位移計(jì)，分別用于測量加載點(diǎn)和泥面以上6倍樁徑（即120 mm）處的水平位移。為校驗(yàn)激光位移計(jì)的測量結(jié)果，加載點(diǎn)處的位移還通過與樁身接觸的刀口進(jìn)行同步測量。豎向位移由粘貼在加載裝置上的激光位移計(jì)獲得（假設(shè)連接處剛度足夠大，不會產(chǎn)生變形）。

1.3.3 樁身彎矩及軸力的測量

樁身的應(yīng)變數(shù)據(jù)是通過安裝在樁身上的應(yīng)變片測量得到的。應(yīng)變片的選擇和布置方式如表3所示，具體的布置方式可參見圖4。

1.4 試驗(yàn)工況

本次離心機(jī)試驗(yàn)在100 g條件下進(jìn)行，對于水平受荷樁，試驗(yàn)工況如表4～表6所示。對于豎向受荷樁，下壓試驗(yàn)完成后，固結(jié)1 h再進(jìn)行上拔試驗(yàn)，加載速率為1 mm/s。

2 離心模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 水平靜載試驗(yàn)分析

2.1.1 荷載位移分析

按照前期試驗(yàn)設(shè)計(jì)，采用2 mm/s加載速率進(jìn)行加載。經(jīng)計(jì)算，在此加載速率下，單樁處于不排水狀態(tài)。圖5給出了經(jīng)歸一化的荷載和泥面位移曲線，其中[su]為[2/3L]（埋深）位置的不排水抗剪強(qiáng)度。由圖5可知荷載-位移曲線屬于加工硬化型，這與文獻(xiàn)［9-10］的研究結(jié)果一致。TM1～TM4的歸一化荷載位移曲線具有較好的一致性，TM5明顯和其他曲線不同，這是由于TM1～TM4屬于“半剛性”樁，TM5屬于“柔性”樁。TM1～TM4在加載初始階段，加載剛度較大，當(dāng)位移超過0.1D時(shí)，荷載增長較小，而位移增長明顯；而TM5的荷載和位移的關(guān)系幾乎為線性關(guān)系。

2.1.2 靜力p-y曲線分析

圖6展示的是歸一化的p-y曲線?？煽闯?，不同樁的p-y曲線特性完全不同。樁徑為5.9 m的p-y曲線在加載初始階段剛度較大，隨后剛度迅速衰減，最后[p/suD]約穩(wěn)定在11附近。而樁徑為2 m的p-y曲線在加載過程中剛度變化較小，最后[p/suD]約在12附近，不同樁徑曲線變化規(guī)律保持一致。雖然不同樁徑的樁在加載過程中的剛度變化不同，但兩者的水平土抗力極值都在Randolph等［11］提出的理論解附近，即水平極限土抗力理論解為9～12，這也從側(cè)面說明試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可靠性。

圖7展示的是旋轉(zhuǎn)中心及彎矩最大值所在埋深與樁土相對剛度的關(guān)系?？芍睆綖?.5 m和5.9 m的大直徑單樁旋轉(zhuǎn)中心約在[3D～4D]之間，旋轉(zhuǎn)中心埋深隨樁土相對剛度增大而增大；最大彎矩值約在[6D～8D]之間，隨樁土相對剛度的增大彎矩最大值埋深也不斷增大。

為得到大直徑“半剛性”單樁統(tǒng)一描述標(biāo)準(zhǔn)，將幾組單調(diào)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)一處理（按埋深[z/L]整體歸一）并分段擬合，擬合結(jié)果如圖8所示。

[0～5D]埋深以內(nèi)，采用指數(shù)函數(shù)[Np=a·（1-b·ec·z/L）]進(jìn)行擬合，得到系數(shù)[a=8.8，b=0.48，c=-1.0]。

[5D～]樁底埋深范圍內(nèi)，采用線性函數(shù)擬合。得到[Np=39.5-51 z/L]。

得到樁身范圍內(nèi)[Np]分布以及不排水抗剪強(qiáng)度值，即可按雙曲正切模型求解得到p-y曲線分布，從而輸入計(jì)算程序得到不同水平荷載作用下的“半剛性”單樁承載特性。

2.2 水平單向循環(huán)加載試驗(yàn)分析

2.2.1 低頻單向循環(huán)加載試驗(yàn)分析

由荷載-位移曲線（圖9）可發(fā)現(xiàn)，荷載-位移曲線表現(xiàn)出明顯的非線性，循環(huán)荷載使超大直徑單樁基礎(chǔ)發(fā)生位移累積，單向循環(huán)加載正向位移累計(jì)明顯且在試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)范圍內(nèi)未達(dá)到穩(wěn)定。

對于柔性單樁力控制單向循環(huán)加載試驗(yàn)，Matlock［12］認(rèn)為循環(huán)位移累積曲線在循環(huán)小于100次即可達(dá)到穩(wěn)定。Dunnavant等［13］發(fā)現(xiàn)在飽和硬黏土中循環(huán)累計(jì)位移會在200次循環(huán)以內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定。對于小幅值力控制循環(huán)加載，在65次循環(huán)后位移應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定，但本文TC2-1在100次循環(huán)后仍未達(dá)到穩(wěn)定，可看出，超大直徑單樁水平加載變形累積不同于小直徑單樁［14-18］。一方面是由于本文大直徑單樁（5.9 m）樁-土相互作用的影響范圍更廣；另一方面低頻循環(huán)荷載作用下，會同時(shí)存在樁周土的弱化與重固結(jié)，這會使得樁周土更不易達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

由圖10可看出，水平低頻循環(huán)荷載作用下，p-y曲線呈現(xiàn)出一系列的滯回圈特征。隨著循環(huán)次數(shù)的累積，這些滯回圈不僅向右方移動(dòng)，且逐漸向位移軸方向傾斜，即發(fā)生應(yīng)變?nèi)趸F(xiàn)象。隨著循環(huán)進(jìn)行，p-y曲線滯回圈越來越小，說明能量耗散越來越小，樁周土體得到重固結(jié)硬化。隨著循環(huán)進(jìn)行，水平土抗力隨循環(huán)次數(shù)增加不斷增長最后趨于穩(wěn)定，這也進(jìn)一步證明隨循環(huán)加載進(jìn)行樁周土不斷排水固結(jié)。

由圖11可看出在加載過程中，卸載割線剛度不斷增長，說明在低頻加載的條件下樁周不斷排水固結(jié)硬化。

對于低頻循環(huán)加載，提出循環(huán)弱化因子和應(yīng)力水平關(guān)系曲線，描述如圖12所示。

循環(huán)弱化因子[t]與應(yīng)力水平[pc/pu]之間為分段線性關(guān)系：

[0.39pcpu， 0≤pcpult;0.040.31pcpu+0.13， 0.04≤pcpult;1] （2）

得到循環(huán)弱化因子[t]與循環(huán)應(yīng)力水平關(guān)系之后，依靠單調(diào)結(jié)果，即可進(jìn)行大直徑“半剛性”單樁低頻循環(huán)累計(jì)變形計(jì)算與設(shè)計(jì)。

2.2.2 高頻單向循環(huán)加載試驗(yàn)分析

高頻單向循環(huán)荷載-位移曲線如圖13所示。

僅對TC5-1～TC5-4進(jìn)行p-y曲線分析，如圖14所示?？芍跍\層范圍（[0.0D～3.0D]）內(nèi)，隨循環(huán)加載次數(shù)增加，水平土抗力不斷降低最后趨于穩(wěn)定，但在深層范圍（[4.0D～7.0D]）并無此現(xiàn)象，水平土抗力隨循環(huán)次數(shù)增加反而增長。說明在淺層范圍土體剛度隨加載次數(shù)曾加不斷降低。

對淺層處的孔壓進(jìn)行分析，如圖15所示?？芍S位移不斷增長，孔壓也不斷增長。

2.3 水平雙向循環(huán)加載試驗(yàn)分析

圖17展示的是雙向循環(huán)荷載-位移曲線。與同加載頻率（0.2 Hz）單向循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比可發(fā)現(xiàn)，非對稱雙向循環(huán)加載位移累計(jì)較小，且不同反向循環(huán)幅值出現(xiàn)不同位移累積現(xiàn)象。

圖18展示的是TC2的雙向循環(huán)加載TC2的p-y曲線，由圖18可知無論是何種類型雙向循環(huán)加載，所有的循環(huán)p-y曲線中的[p]值均未隨著循環(huán)進(jìn)行而產(chǎn)生弱化，且不同埋深的循環(huán)p-y曲線與荷載-位移曲線形式類似。雙向荷載-位移響應(yīng)產(chǎn)生最終是每層土（Winkler地基梁分層理論）共同作用的結(jié)果。因此，對于低頻循環(huán)荷載，如果位移累積變化不大，可以僅分析其荷載-位移規(guī)律。

3 結(jié) 論

樁基離心模型試驗(yàn)?zāi)軌蛴行У啬M樁基的地應(yīng)力狀態(tài)及樁土之間的相互作用。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在軟黏土環(huán)境中，不同直徑的單樁展現(xiàn)出各異的變形模式，且樁土相互作用也呈現(xiàn)出差異性，樁基礎(chǔ)的循環(huán)累積變形與樁周土孔隙壓力的累積密切相關(guān)。在低頻循環(huán)荷載作用下，由于排水固結(jié)的水平作用，地基樁土阻力可能逐漸增大并趨于穩(wěn)定，而在高頻循環(huán)荷載作用下，由于孔壓的減小而積累基礎(chǔ)水平阻力，并據(jù)此提出了無量綱水平阻力系數(shù)隨深度變化及與循環(huán)應(yīng)力幅值相關(guān)的循環(huán)退化因子計(jì)算模型。

與單向循環(huán)加載相比，雙向循環(huán)加載不會對樁基產(chǎn)生明顯的累積變形，目前基于單向加載的樁基累積變形分析方法較為保守。

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SOIL-STRUCTURE INTERACTION ANALYSIS OF LARGE-DIAMETER MONOPILE OF OFFSHORE WIND TURBINE BASED ON

CENTRIFUGAL MODEL TEST

Liu Tao1，Qin Mengfei2，Shi Wei2

（1. Power China Huadong Engineering Corporation Limited， Hangzhou 311122， China；

2. Faculty of Infrastructure Engineering， Dalian University of Technology， Dalian 116024， China）

Abstract：The foundation is the final carrier of the upper load of wind turbine. In this paper， the study on the mechanical properties of soft and over consolidated soil foundation in coastal China is carried out to provide guidance for the design of offshore wind turbine. The static characteristics of single pile foundation are analyzed and compared by centrifugal model test. The results show that the centrifugal model test of pile foundation can reflect the stress state and pile-soil interaction well， and the deformation mode and pile-soil interaction of single piles with different diameters are different in soft clay. p-y curves in the code are not suitable for offshore soil. According to the test results， the calculation model of dimensionless level force majeure coefficient changing with buried depth and the cyclic stress amplitude is put forward， which will provide reference for offshore wind.

Keywords：offshore wind power； wind turbines； soil-structure interaction； centrifugal model test； cyclic loading； p-y model；soil resistance coefficient