自升式海上風電安裝平臺插樁深度計算方法

王徽華

（江蘇龍源振華海洋工程有限公司，江蘇 南通 226014）

0 引 言

隨著環(huán)保要求日益嚴苛，風能作為一種綠色能源越來越受到重視。由于海上的風況遠遠優(yōu)于陸地，當前風力發(fā)電正逐步由陸地延伸到海上，海上風能的開發(fā)和利用已成為世界新能源發(fā)展的亮點。風電安裝船作為建設(shè)海上風電場的關(guān)鍵裝備，其開發(fā)利用也得到關(guān)注和重視。自升式風電安裝船是一種全新的海洋工程船，主要用于運輸和吊裝海上風電設(shè)備。該船將運輸船、海上作業(yè)平臺、起重船及生活供給船的各項功能融為一體，可獨立完成海上風電設(shè)備的運輸和安裝作業(yè)，因此在海洋風電安裝領(lǐng)域得到廣泛應用。該船通過將樁腿插入海底來支撐船體結(jié)構(gòu)進行海上風機的吊裝，樁腿入泥深度直接影響平臺的吊裝性能，因此開展自升式海上風電安裝平臺的入泥深度研究意義重大。

當前相關(guān)研究人員已針對海底土層承載力的計算開展較多工作。袁凡凡等[1]開展層狀地基土的承載力計算，在邁耶霍夫和漢納成層土地基極限承載力計算的基礎(chǔ)上進行改進，提出多層土的極限承載力計算。楊軍[2]采用數(shù)值模擬的方法開展自升式平臺插拔樁土體數(shù)值模擬研究，得到入泥深度和拔樁力。張兆德等[3]采用有限元分析模型開展樁靴貫入土層的過程研究，得到樁土交界面處土體流動的動力反應特性。本文在經(jīng)典土力學的基礎(chǔ)上，采用層狀土的承載能力計算理論開展海洋風電安裝平臺插樁入泥深度的計算，并將其與實際的施工記錄及非線性有限元分析結(jié)果相對比，驗證方法的準確性。

1 自升式風電平臺樁靴入泥深度計算

1.1 樁靴入泥過程描述

預壓加載時樁靴的貫入是一個連續(xù)的過程，貫入深度一般根據(jù)地基土承載力沿土層的變化曲線和樁靴承擔的荷載來確定。地基土承載力沿土層的分布曲線是通過假想樁靴位于土層中不同的位置（見圖1），由地基承載力公式計算得出的。

海上自升平臺樁靴承載力計算的特點為：

1) 樁靴自身尺寸較大，在計算承載力時，需考慮樁靴承載影響范圍內(nèi)土層強度的變化，即按多層土（層內(nèi)均質(zhì)）地基或強度隨土層深度線性變化的地基土進行承載力評價；

2) 樁靴貫入深度較大，需考慮地基土可能回流到樁靴上部對承載力的影響。

圖1 樁靴入泥過程

SNAME[4]和ISO[5]推薦采用淺基礎(chǔ)承載力計算公式評價樁靴承載力及貫入深度，并考慮層狀地基對承載力的影響。

1.2 計算流程

1) 以基礎(chǔ)位于層間分界面上為前提，計算各層土所能提供的承載力，計算結(jié)果用于下一步計算時判斷土層的軟硬和計算最終承載力；

2) 從海床泥面開始，針對不同的貫入深度，根據(jù)地基土層的情況（軟硬的組合）計算承載力；

3) 根據(jù)不同貫入深度得到承載力，繪制承載力沿地基深度的變化曲線，根據(jù)樁腿預壓荷載確定貫入深度，判斷穿刺風險。

1.3 土層承載力計算

1.3.1 均質(zhì)地基承載力計算

均質(zhì)土地基極限承載力的一般計算式[6]為

式(1)中：c為地基土的黏聚力；q為基礎(chǔ)底面以上荷載，一般為基礎(chǔ)底面以上土重；Nc，Nq，Nγ為地基承載力系數(shù)，與地基土類型有關(guān)；sc，sq，sγ為基礎(chǔ)形狀修正系數(shù)，與基礎(chǔ)形狀及地基土類型有關(guān)；dc，dq，dγ為基礎(chǔ)埋深修正系數(shù)，與基底深度及地基土類型有關(guān)。

1.3.2 層狀地基承載力計算

1) 上硬下軟的雙層及多層地基的承載力采用MEYERHOF等[7]提出的層狀地基承載力計算公式計算，即

式(2)中：Hi為第i層土的厚度；iφ為第i層土的內(nèi)摩擦角；D為基礎(chǔ)底面的埋深；iγ為第i層土的重度；ksi為第i層土的沖剪系數(shù)，根據(jù)上下土層的強度比和第i層土的內(nèi)摩擦角，由MEYERHOF等[7]提供的計算圖確定；cai為第i層土的黏結(jié)力，根據(jù)第i層土的黏聚力和上下土層的強度比，由MEYERHOF等[7]提供的計算圖確定。

2) 采用式(1)和式(2)進行層狀土的承載力計算。

2 穿刺破壞判斷

對于存有軟弱下臥層的海洋地基，上部堅實土層提供的承載力受軟弱下臥層的影響。在平臺吊裝作業(yè)或風暴自存狀態(tài)下，受環(huán)境荷載影響，樁靴對地壓力可能暫時超過設(shè)定的對地壓力值，或樁靴地基因處于偏心受荷狀態(tài)而導致地基承載力有所下降。此時若堅實土層提供的極限承載力不足，樁靴地基可能會發(fā)生穿刺破壞。

圖2為穿刺破壞示意，在樁靴地基極限承載力隨樁靴貫入深度的變化曲線上出現(xiàn)承載力隨貫入深度下降段，當樁靴承擔的最大荷載超過上部土層的最大極限承載力時，樁靴地基會發(fā)生穿刺破壞。

由于環(huán)境荷載的不確定性，難以給出樁靴可能出現(xiàn)的最大對地壓力及荷載偏心程度的確定值。一般采用在平臺設(shè)計工況下得到的最大樁腿荷載乘以一定的安全系數(shù)K進行穿刺破壞的校核。

圖2 穿刺破壞示意

式(3)中：Fmax為樁靴位于堅實土層中計算出的最大承載力；FDmax為設(shè)計指定（預計）的樁腿預壓力。

根據(jù)SNAME[4]的推薦，當硬土層提供的極限承載力安全系數(shù)K≥1.5時，穿刺不會發(fā)生，該位置適合平臺插樁。

3 計算結(jié)果

選取如東龍源試驗風場進行計算分析，其中某機位的海底地質(zhì)情況如下。

1) Q4-①層粉砂：主要由新近沉積的粉砂及粉土組成，含少量貝殼碎屑，層厚7.1m，飽和、松散，中等壓縮性土。

2) Q4-②-2層粉砂：偶見貝殼碎屑，局部夾黏土薄層，層厚5.60m（本計算調(diào)整為3.6m），稍密，中等壓縮性土。

3) Q4-③-夾1層狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土：淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土與粉土呈互層狀，其中淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土單層厚2～30mm，流塑；粉土單層厚1～20mm，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土與粉土厚度比為2:1～5:1，見少量腐殖質(zhì)及貝殼殘片。層厚12.5m，屬高壓縮性土，工程性質(zhì)差。

4) Q3-⑥-1層粉砂：見少量貝殼碎屑，局部夾粉土和薄層可塑狀黏土，層厚19.80m，中密～密實，中等壓縮性土。

5) Q3-⑥-3層粉細砂：含少量貝殼碎屑，局部夾粉土和薄層狀黏土，本次揭露層厚14.6m，密實，屬中等壓縮性土。

風機采用“龍源振華2號”進行吊裝，其設(shè)計樁靴壓力為3.773×107N。各土層的參數(shù)見表1。

表1 各層土的參數(shù)

首先開展均勻地質(zhì)下各層土的承載力計算，即不考慮各層土之間的相互影響，結(jié)果見表2。

表2 樁靴位于各層土表面時的承載力

考慮相鄰土層的影響，進行層狀土的承載力計算，結(jié)果見圖3。

圖3中實線為樁靴貫入土層后其土層極限承載力與入泥深度的變化曲線，點劃線分別為3.773×107N和5.660×107N，可見該機位的入泥深度很小。考慮到表面浮泥的影響，入泥深度很小，僅為0.5m，實際的入泥深度為0.6m（根據(jù)施工記錄），這與實際入泥深度相差很小，沒有穿刺風險。

此外，采用非線性有限元數(shù)值模擬方法對自升式風電安裝平臺的樁腿入泥深度進行校核。地基土采用理想彈塑性模型描述，屈服準則采用ABAQUS內(nèi)建的Mohr-Coulomb準則。有限元模型圖見圖4。在海底表面插樁，計算得到的載荷-位移曲線見圖5。

圖3 樁靴所在位置土壤承載力隨樁靴貫入深度的變化

圖4 有限元模型圖

圖5中，曲線在7.644×107N左右時急劇下降，可選用該值作為極限承載力，相應的樁靴沉降量為80mm。由圖5可知，樁靴位于第一層土上時，該層土的承載力已經(jīng)遠大于樁腿的預壓載荷，因此可以認為：由有限元計算可得的插深約為 0，考慮海底的浮泥影響，可認為插泥深度為0.5m。結(jié)果表明，本文提出的理論計算方法與非線性有限元分析結(jié)果及實際插樁入泥深度相吻合。

圖5 載荷-位移曲線

4 結(jié) 語

針對自升式海洋風電安裝平臺的施工特點，提出一種用于評估其樁腿入泥深度的計算方法，并與實際的插樁入泥深度相比較，得出以下結(jié)論：

1) 利用該方法可較為快速地開展樁腿入泥深度評估，可為風電施工企業(yè)節(jié)省較多的成本；

2) 計算結(jié)果與實際的施工記錄相比，誤差較小，可為海上風電的施工提供較為準確的依據(jù)。

【 參 考 文 獻 】

[1] 袁凡凡，閆澍旺，孫萬禾.關(guān)于成層土地基極限承載力的計算方法[J].水利學報，2001, 32 (3): 41-45.

[2] 楊軍.自升式平臺插拔樁土體數(shù)值模擬及平臺強度計算[D].北京：中國石油大學，2010.

[3] 張兆德，張心.土體流動對自升式平臺樁靴極限承載力的影響[J].船舶與海洋工程，2015, 31 (3): 16-21.

[4] SNAME.Guidelines for site specific assessment of mobile jack-up units: Technical and research bulletin5-5A[S].1997.

[5] ISO.Petroleum and natural gas industries–offshore structures–part 4: Geotechnical and foundation design considerations: ISO 19901-4[S].2003.

[6] 錢家歡，殷宗澤.土工原理與計算[M].北京：中國水利水電出版社，1996.

[7] MEYERHOF G G, HANNA A M.Ultimate bearing capacity of foundations on layered soils under inclined load [J].Canadian Geotechnical Journal, 1978, 15: 565-572.