裙式吸力基礎豎向承載特性有限元分析

張磊 張文惠

摘 要：裙式吸力基礎對于提高風電塔架基礎承載特性具有顯著的意義。本文通過有限元模擬分析，對傳統和裙式兩種吸力基礎的豎向承載特性進行了比較，結果表明裙的設置，有效提高了吸力基礎的豎向承載力，分擔了基礎頂板所受到的土抗力。

關鍵詞：有限元分析；裙式吸力基礎；豎向承載特性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.18.194

0 引言

裙式吸力基礎相較于傳統海洋樁基礎，具有施工快速、簡便，可重復利用等優勢，更加適用于復雜的海洋環境。針對吸力基礎的豎向承載特性，國內外許多專家學者通過理論推導、數值軟件分析、離心機試驗及模型試驗等方法進行了大量的研究。本文就針對采用有限元軟件的吸力基礎豎向承載特性進行了分析，得出了裙結構對基礎豎向承載特性影響的結論。

1 有限元模型

1.1 參數設置

應該參照試驗所用基礎模型尺寸確定合適的裙式吸力基礎尺寸，主要包括主桶直徑、主桶高度、裙寬和裙高，同時，要保證模型箱尺寸設置的合理性，以滿足邊界條件的需求。裙式吸力基礎采用泊松比為0.16，彈性模量為16GPa的線彈性模型，而在有限元運算過程中，砂土地基材料參數的確定需要依據實際試驗用砂來進行。

1.2 模型建立

在建立模型時，采用主—從面接觸的接觸類型，主面為吸力基礎面，從面為土體面其中主面的剛度較大，而從面的剛度較小，接觸面的摩擦系數為0.25。數值模擬分為兩個分析步進行，第一個分析步是生成初始自重應力場；第二步是采用位移控制式控制所加載的豎向荷載，設置相應的沉降量。有限元模型的計算范圍如下：深度為桶高的5倍，水平為桶徑的10倍，底部邊界為固定約束，外圍邊界為水平約束，邊界條件選取固支、反對稱或對稱類型。試驗結果主要是對基礎豎向荷載與沉降、應力分布及周圍土體隆起量之間的關系[1]。

2 吸力基礎豎向承載力有限元分析

通過有限元分析吸力基礎豎向承載力與長徑比之間的關系。試驗結果表明，對于傳統吸力基礎而言，其豎向承載力的極限值隨著長徑比的增加而增加，且隨著長徑比的增加，吸力基礎破壞時所對應的沉降量越大[2]。試驗結果表明，基礎頂板下方中心位置的土壓力最大，越靠近邊緣土壓力建越小，且統一位置的土壓力隨著長徑比的增大而增大，主要原因在于長徑比的增加，使得吸力基礎豎向承載力的極限值和土體的變形量也得到相應的增加，也就意味著土抗力的增加。此外，隨著長徑比的增加，吸力基礎周圍土體的豎向隆起量也越大。

其次，對于裙式吸力基礎而言，其豎向承載特性主要與裙高和裙寬有關。試驗結果表明，隨著裙高的增加，吸力基礎豎向極限承載力而降低，主要原因在于，裙高的增加使得主桶與基礎周圍土體相隔離，進而導致基礎的承載力會有所下降；裙寬對基礎豎向承載力的影響比較明顯，基礎極限承載力往往會隨著裙寬增加而顯著增加。在保持裙高和裙寬一定的情況下，研究長徑比對筒體各部位承擔載荷比變化情況，試驗結果表明，隨著長徑比的逐漸增加，筒體內外壁承擔的阻力逐漸增大，而其他部位，如裙尖端部、桶尖端、裙內外壁及頂板等所承受的摩阻力緩慢減小。筒體內外壁承受的載荷的比重約占90%，而其他部位搜承受荷約占10%，相較于傳統吸力基礎而言，頂板發揮的作用大大降低，這表明“裙”結構的設置發揮到了明顯的作用[3]。此外，吸力基礎周圍土體的隆起量隨著裙高的增加而減小，而隨著裙寬的增加而增加。總之，為了保證裙式吸力基礎豎向承載特性達到最大化的效果，就必須要選擇合適裙尺寸。

3 有限元分析結果

通過有限元分析，裙式吸力基礎較之于傳統吸力基礎，其豎向極限承載力得到了顯著的提高。裙式吸力基礎的豎向極限承載力會隨著裙高的增加而有所降低，隨著裙寬的增加而顯著提高。頂板下部的土壓力分布方面，傳統吸力基礎和裙式吸力基礎頂板底部的土壓力分布都符合中心位置最大，越靠近邊緣位置越小的規律。裙式吸力基礎頂板下方的土壓力分布也會受裙結構尺寸的影響，裙寬不變，裙高增加，土壓力減小；裙高不變，裙寬增加，土壓力增加。周圍土體隆起量方面，試驗研究表明，裙寬保持不變的情況下，裙高為零時，基礎周圍土體隆起量最大，然后，周圍土體隆起量會隨著裙高的增加而有所降低；裙高保持不變的情況下，裙寬增加，周圍土體隆起量會有所增大。由此可見，對于裙式吸力基礎的豎向承載力而言，確定合適的裙結構尺寸是非常重要的。裙式吸力基礎受豎向承載力的時候，發揮抗組作用的結構除主桶端部、內外桶壁和主桶頂板之外，由于裙結構的設置，裙端、裙壁和裙結構頂板等對基礎的承載力也發揮著非常重要的作用。其中，各部位所承受的豎向載荷比例是不同的，約90%的豎向載荷由主桶內外壁和基礎頂板承擔，主桶內外壁所承受的摩擦力試著其長徑比的增加而不斷增加，而裙內外壁側阻力和尖端阻力所占的比例比較小。值得關注的是，相較于傳統吸力基礎而言，裙式吸力基礎主桶頂板發揮的作用要小得多，因此，吸力基礎中裙結構的引入對分擔阻力發揮著至關重要的作用。

4 結語

總而言之，通過有限元模擬分析，裙式吸力基礎的承載特性，如豎向極限承載力，頂板下方的土壓力分布情況及周圍土體隆起量與裙結構尺寸密切相關。實際工程應用中，需要結合工程的實際情況和標準要求，合理的選擇裙結構尺寸。

參考文獻：

[1]郭彥雪.裙式吸力基礎豎向承載特性有限元分析[J].工程建設，

2013（06）：1-6.

[2]李大勇，黃婷，翟漢波等.豎向荷載作用下砂土中裙式吸力基礎承載特性[J].四川大學學報（工程科學版），2015，47（05）：10-16.

[3]閆澍旺，霍知亮，楚劍等.黏土中負壓桶形基礎下沉與承載性試驗及有限元分析研究[J].工程力學，2016，33（01）：122-132.