摘 要：隨著海上風電的深遠海和風電機組大型化發(fā)展趨勢，固定式單樁基礎的直徑隨之增大，現(xiàn)有的理論方法及簡化模型已無法準確地指導設計，多分層地基條件下的大直徑單樁承載特性亟需科學評估。根據(jù)3個風場的五根試樁現(xiàn)場水平承載力試驗數(shù)據(jù)，對有限元模型的參數(shù)化輸入進行率定，并對水平試樁荷載位移曲線的工程數(shù)據(jù)進行擬合，推薦有限元模型的砂土彈性模量應取壓縮模量的1倍，黏性土取3倍。

關鍵詞：海上風電場；海上風力機；海上風電結構；單樁基礎；試樁

中圖分類號：TU432 """""""""""""""""文獻標志碼：A

0 引 言

隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展和環(huán)保意識的逐漸增強，風能作為優(yōu)化能源結構、減少溫室氣體排放的必要途徑［1］，成為世界綠色發(fā)展戰(zhàn)略的核心［2］。2013—2022年中國海上風力發(fā)電累積并網(wǎng)裝機容量逐年遞增［3-4］。海上風電基礎結構形式各異，目前占比最大的為單樁基礎，約占基礎總量的3/4。同時，海上風力機的深水大兆瓦發(fā)展趨勢愈發(fā)明顯，傳統(tǒng)的樁基設計方法不再適用于大直徑單樁，故工程中通過試樁試驗的方法進行設計和土質(zhì)參數(shù)的校核與調(diào)整，以期為深水大直徑單樁施工設計提供理論支撐。

韋古強等［5］開展了復合樁的水平承載模型試驗，并考慮了水泥土加固前后的單樁極限承載力，考慮用樁周土的非均質(zhì)性提出一種簡化的p-y曲線模型，與試驗結果擬合較好；陳曉路等［6］開展了海上風電水平受荷單樁現(xiàn)場試驗，根據(jù)實測的樁頂荷載位移曲線數(shù)據(jù)，并考慮地基土埋深效應對初始地基反力模量進行修正，提出適用于砂土和黏土的水平荷載的簡化p-y曲線；姜焱培等［7］利用能量守恒公式和Stoles五階波理論和脈動風荷載分別計算基礎所受的浪流和脈動風荷載，認為風荷載對于但直徑單樁起主導作用，設計中可不考慮浪流荷載。

眾多學者基于理論或實測推薦了不同的p-y曲線模型［8-11］，但應用于工程設計的多采用API規(guī)范推薦算法［12］。特別對于多分層地基條件，仍無較好的理論模型，本文利用工程試樁實測數(shù)據(jù)進行有限元數(shù)值模型的驗證，探究數(shù)值方法中土體彈性模量的合理取值，以期為海上風電大直徑單樁的工程設計提供數(shù)值方法支撐。

1 地質(zhì)條件與試驗準備

1.1 地質(zhì)條件

試驗1所在的海上風電場位于廣東南澳島南側海域，海底地貌形態(tài)較簡單，海底地形相對平緩，風場水深在23～29 m之間，安裝單機容量為11 MW機型，共54臺，設計高水位為1.62 m。試驗2所處的海上風場位于江蘇大豐區(qū)海域，離岸距離約55 km，安裝48臺4.2 MW和20臺5.0 MW風電機組，整個風場場區(qū)內(nèi)海底地形變化不大，水深在3～13 m之間，設計高水位為2.8 m。試驗3所處的海上風場位于江蘇如東縣海域，整個風場場區(qū)內(nèi)海底地形變化不大，水深在6～14 m之間，安裝38臺4.0 MW、12臺4.2 WM和20臺5.0 MW風電機組，設計高水位為2.57 m。

土體采用摩爾庫倫模型，ABAQUS軟件的土體輸入?yún)?shù)如表1～表4所示。

1.2 試驗準備

試驗1的海底泥面高程[-24.10] m，樁頂高程6.50 m，水平荷載施加高度高程6.00 m，設計高水位1.64 m，樁體入土深度79.75 m。試驗2-1的21#樁泥面[-6.76] m，樁頂高程7.50 m，水平荷載施加高度高程6.60 m，設計高水位2.76 m，樁體入土深度63.74 m；試驗2-2的22#樁泥面[-7.54] m，樁頂高程7.50 m，水平荷載施加高度高程6.40 m，樁體入土深度49.96 m。試驗3-1的31#樁泥面-12.0 m，樁頂高程11.0 m，水平荷載施加高度高程9.0 m，設計高水位1.96 m，樁體入土深度51.0 m；試驗3-2的32#樁泥面[-10.0] m，樁頂高程11.0 m，水平荷載施加高度高程8.55 m，樁體入土深度51.0 m。

地勘數(shù)據(jù)如表1～表5，試驗樁尺寸如表6，主要儀器設備列表如表7所示。

樁基載荷試驗盡量選在無波浪和平潮期進行，以減少波浪力、水平力對試驗的影響，不應在大風、大浪等氣象水文條件惡劣時進行。試驗期間，距離試50 m范圍內(nèi)不得進行打樁作業(yè)，并應避免各種振動影響，嚴禁船舶碰撞試驗平臺。試驗按照《水運工程地基基礎試驗檢測技術規(guī)程》（JTS 237—2017）［13］執(zhí)行，做單向單循環(huán)法試驗，實驗裝置如圖1所示。

單向單循環(huán)試驗加載、卸載均應分級進行，宜采用等量分級。每分級荷載可為預計最大試驗荷載的1/10，第一級荷載取 2 倍的分級荷載。每級卸載可為分級荷載的2倍。荷載加載時，每級荷載應維持20 min，卸載時應維持10 min，每隔5 min應測讀一次。全部卸載后應每隔10 min測讀一次，測讀30 min。

符合下列條件之一時可終止加載：

1） 達到試驗要求的最大荷載或最大位移（水平靜載荷試驗的樁頂加載值應達到樁頂處水平極限承載力標準值，或頂位移超過1200 mm，或泥面處水平位移超過 160 mm）；

2） 某級荷載作用下，樁的水平位移急劇增加、位移速率明顯增大；

3） 樁身斷裂。

2 試驗結果

試驗平臺高程位置以及加載點位置的樁身水平位移較大，試驗平臺、加載系統(tǒng)設計時，應充分考慮留足樁周空間?；貜椔识x為最大回彈量與最大位移的比值，計算方法如下：

[β=MwLh×100]% （1）

式中：[β]——回彈率，%；[Mw]——最大回彈量，mm；[Lh]——最大位移，mm。

試驗1的最大位移631.9 mm，最大回彈量567.7 mm，回彈率89.81%。試驗2-1的最大位移213.9 mm，最大回彈量188.6 mm，回彈率88.16%；試驗2-2的最大位移223.4 mm，最大回彈量193.9 mm，回彈率86.83%。

3 有限元模型與試樁結果對比

3.1 數(shù)值模型

數(shù)值模型中土體與樁體參數(shù)詳見1.1節(jié)。土體采用摩爾庫倫彈塑性模型，砂土的彈性模量取1倍壓縮模量，黏土取3倍。土體底面采用全約束，側面采用水平約束。樁-土間切向采用摩擦接觸，法向采用硬接觸。模型中樁體采用S4R網(wǎng)格，土體采用C3D8R網(wǎng)格，土體深度120 m，直徑60 m?；A結構采用線彈性本構模型，鋼密度為7850 kg/m3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，基礎有限元模型如圖2所示。

3.2 水平承載

從圖中荷載對比計算結果可看出，數(shù)值1結果與試驗1數(shù)據(jù)擬合較好。取樁體不同高度點的荷載-位移曲線對比可以看出，數(shù)值模型的準確性較高。不同荷載下的樁體位移如圖3所示，荷載越大樁頂位移越大，與荷載反向的位移越大。

樁體的應力在泥面附近最大，試驗中最大的水平荷載為1500 kN時，樁體的最大應力為215.9 MPa，如圖4所示。低于鋼材的屈服強度，實際試驗中樁體沒有發(fā)生破壞，證明了有限元應力計算結果可用于指導工程設計。

取另外2個風電場的4根試樁進行有限元方法的驗證，參數(shù)見表1～表6，對比結果如圖5和表8所示。可發(fā)現(xiàn)彈性模量的選取合理，數(shù)值結果與試驗數(shù)據(jù)具有一致性。

回彈率誤差，定義為數(shù)值模型回彈率與試驗回彈率的變化值，數(shù)值模型回彈率大于試驗回彈率時回彈率誤差為正代表，反之回彈率誤差為負。計算式如下：

[Q=βN-βSβS×100]% （2）

式中：[Q]——回彈率誤差，%；[βN]——數(shù)值模型回彈率，%；[βS]——試驗回彈率，%。

有限元結果中樁頭位移的回彈率與試驗數(shù)據(jù)誤差極小，再次驗證了本文的有限元建模方法和參數(shù)選取的合理性，可較為準確地對試樁過程的位移和荷載進行模擬，為實際工程設計提供一種數(shù)值計算方法。

4 結 論

本文基于實際工程試樁數(shù)據(jù)，結合數(shù)值方法提出單樁水平承載力數(shù)值模擬方法?；趯嶋H工程4個試樁的實測數(shù)據(jù)，確定有限元數(shù)值模型的彈性模量輸入?yún)?shù)應取壓縮模量的倍數(shù)關系，推薦在中國江蘇和廣東海域的粉砂、粉土、粉質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)土等地基土中，有限元模型土體彈性模量取值為砂土1倍，黏性土3倍。

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EXPERIMENT STUDY ON HORIZONTAL BEARING

CHARACTERISTICS OF MONOPILE UNDER MULTI-LAYER

FOUNDATION CONDITIONS

Zhao Hao"Tian Feng"Huang Zhaojing3，Zeng Zerong"Sun Jie3，Qiu Xu1

（1. China Huaneng Clean Energy Technology Research Institute， Co.， Ltd.， Beijing 102209， China；

2. Huaneng Guangdong Shantou Offshore Wind Power Co.， Ltd.， Shantou 51504""China；

3. Huaneng International Power Jiangsu Energy Development Co.， Ltd.， Clean Energy Branch， Nanjing 210015， China）

Abstract：With the development trend of deep-water offshore wind farms and large-scale wind turbines， the diameter of the fixed monopile foundation increases accordingly. The existing theoretical methods and simplified models cannot guide the engineer design accurately. It is urgent to evaluate the lateral bearing capacity of large diameter monopile under multi-layer foundation. According to the horizontal bearing capacity test data of five test piles in three wind fields， the parametric input of the finite element model is calibrated， and the engineering data of the horizontal test pile load to displacement curve is fitted. It is recommended that the elastic modulus of the finite element model should be 1 times of the compression modulus of the sand and 3 times of the clay.

Keywords：offshore wind farms； offshore wind turbines； offshore structures； monopile； pile test