上覆軟土層對海上風電四筒基礎承載特性影響

丁紅巖， 張超， 張浦陽1,， 翟漢波

(1.天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072； 2.天津大學 濱海土木工程與安全教育部重點實驗室，天津 300072； 3.天津大學 建筑工程學院，天津 300072)

風能是一種可再生清潔能源，近十幾年全球海洋風電產業迅速發展，同時風機的基礎形式也得到了豐富和發展。風機基礎結構形式的選擇對風機建設成本具有重要影響，合理的基礎形式能夠大大降低設計施工費用。筒型基礎具有設計施工簡單、節約成本和適用條件廣泛的優點，近年來被廣泛地應用于海洋風電設施建設當中，其中寬淺式四筒基礎具有抵抗超大水平荷載和自身穩定性強的優勢，因此寬淺式四筒基礎被應用于風機基礎。

在筒型基礎應用研究中，國內外學者進行了大量研究。1994年挪威EUROPIPE16/11E大型導管架生產平臺的基礎首次采用筒型基礎[1]，2012丹麥腓特烈港建成首臺風機筒型基礎，開創海上風電領域應用先河[2]，隨后筒型風機基礎的研究逐漸興起。丁紅巖等[3]、李大勇等[4]、Koh等[5]對筒型基礎安裝、拖航和基礎上部導管架連接結構等進行了研究，對筒型基礎的推廣和應用具有重要作用。Kim等[6]通過有限元ABAQUS軟件對三筒基礎的承載特性進行了研究。Huang等[7]和Tran等[8]通過有限元法對水平荷載和彎矩聯合作用下的三筒基礎的承載特性進行了研究，對飽和粘土和砂土中三筒承載特性進行了分析。武科等[9]和劉樹杰等[10]對飽和粘土中多筒基礎和單筒基礎的承載特性進行了三維數值分析，闡述了筒型基礎的承載能力、破壞特征和破壞機制。閆澍旺等[11]和金書成等[12]通過數值分析方法對均質地基中單筒基礎的承載特性、破壞機制和理論計算等進行了研究。練繼建等[13]和劉潤等[14]對多層土和均質土地基中的寬淺式單筒基礎進行了三維數值分析，研究了將多層土均質化的承載計算方法、基礎的失效模式和承載特性。張浦陽等[15]對三筒基礎和四筒基礎的承載特性和上部支撐結構的受力性能進行了數值分析，研究了三筒基礎和四筒基礎承載特性。丁紅巖等[16]通過有限元法對復合式筒型基礎承載特性進行了研究，分析了復合筒型基礎在單向荷載作用和復合加載作用下基礎的承載能力和承載特征。

筒型基礎承載特性方面的研究理論不斷發展和完善，推動了筒型基礎在實際工程中的應用。但筒型基礎承載能力的研究主要在均質土中進行，復雜土質條件下高徑比較小的寬淺式四筒基礎承載特性研究較少。然而，我國部分海域粉質砂土地基表面存在不同厚度的淤泥質粘土層，勢必會對寬淺式四筒基礎的承載特性造成影響，因此有必要對含有上覆軟弱土層的砂土地基中寬淺式四筒基礎的承載能力及承載特征進行研究，文中采用單向荷載研究方法，對上覆軟土層地基中寬淺式四筒基礎的承載能力、極限狀態時的破壞特征和筒側的土體壓力進行研究，更加清楚的區分了單向荷載作用下上覆軟土層對寬淺式四筒基礎承載特性的影響。

1 有限元模型

1.1 計算模型

文中采用通用有限元軟件ABAQUS建立海上風機四筒基礎原尺寸模型[15]，四筒基礎間剛性連接，如圖1(a)所示。四筒基礎模型采用鋼制線彈性本構模型，密度為7 800 kg/m3，彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.3。風機四筒基礎塔架底部距筒體頂面距離為22 m，采用塔架底座作為加載控制點時，在水平加載工況研究中因加載點高度會產生彎矩，水平荷載和彎矩在研究中相互影響。為了得到純單向荷載作用下四筒基礎在上覆軟土地基中的承載規律，模型中抑制筒體上部結構，選擇四筒基礎模型筒頂幾何中心作為加載控制點，采用位移控制法分別施加豎向、水平和彎矩荷載，四筒計算模型和加載方法如圖1(b)所示。

圖1 有限元模型及加載方法Fig.1 Finite element model and loading method

選取粉質砂土層為四筒基礎主體土層，淤泥質粘土為上覆軟土層，設定淤泥質粘土層厚度h分別為0、1、2、3和4 m。地基土體采用直徑為300 m、高度為90 m的圓柱體，可以消除邊界條件對四筒基礎受力性能的影響，土體底面采用固端約束，側面采用水平約束，土體和筒型基礎接觸面建立接觸對模擬筒土接觸關系，土體采用Mohr-Coulomb本構模型，具體參數如表1所示。

表1 土體參數Table 1 Parameters of specimens

1.2 計算方案

具體研究方案如下表2所示。表中規定：F代表四筒，V、H和M分別代表豎向、水平和轉角加載，0、1、2、3和4代表淤泥質粘土層厚度，0°和45°加載時分別用末位數字0和45代表。例如，F-M-2-45代表上覆軟土層厚度為2 m時四筒基礎在對角彎矩作用下承載特性研究方案。

表2 計算方案Table 2 Calculation scheme

2 寬淺式四筒型基礎豎向承載特性

2.1 豎向極限承載能力

在粉質砂土和上覆不同厚度軟土層地基中，寬淺式四筒基礎的豎向荷載-位移曲線和上覆軟土層對豎向承載力影響分別如圖2、圖3所示。

圖2 豎向荷載-位移曲線Fig.2 Vertical load-displacement curve

圖3 上覆軟土層對豎向承載力影響Fig.3 Influence of soft soil layer on vertical bearing capacit

取筒型基礎沉降量0.07D時所對應的荷載值作為豎向極限承載力[16]。由圖2和圖3可知，軟弱土層厚度為0、1、2、3和4 m時，寬淺式四筒基礎豎向極限承載力為300、290、270、262和250 MN，軟土層厚度1、2、3和4 m條件下豎向極限承載力比軟土層厚度0 m時分別降低3%、10%、14%和19%。對極限承載能力降低幅度與軟土層厚度關系進行公式擬合，發現寬淺式四筒基礎豎向承載力降低幅度隨軟土層厚度近似線性增長。

2.2 豎向荷載作用下四筒基礎破壞特征

豎向荷載作用下，以0°加載時上覆軟土層厚度為0、2和4 m方案為例，對極限狀態時寬淺式四筒基礎的土體等效塑性應變進行研究，如圖4所示。豎向荷載極限狀態時寬淺式四筒基礎的等效塑性應變主要分布在筒體底部區域，筒體發生豎向沉降，筒底端部刺入下部土體，因此沉降量大且土體產生的塑性應變也最大，從而四筒基礎發生豎向沖剪破壞。受上覆軟土層影響，筒體沉降變形增大，筒底端部刺入沉降量增大，極限狀態時豎向沖剪破壞特征更明顯。

2.3 上覆軟土層對四筒基礎土壓力影響

豎向荷載作用下，對筒頂接觸面土壓力進行研究，考慮到相同土質條件下寬淺式四筒基礎每個筒體頂面土壓力分布相同，以筒體A為研究對象，沿四筒基礎對角A-C方向提取筒土接觸面節點土體壓力進行研究，節點編號由外至內按1～13排列。不同土質條件下筒頂接觸面土壓力分布如圖5。

圖4 豎向荷載作用下土體等效塑性應變Fig.4 Equivalent plastic strain of soil under vertical load

圖5 筒頂土壓力分布曲線Fig.5 Soil pressure distribution curve at top of bucket

由圖5可知，豎向極限荷載作用下，砂土地基中筒頂面土壓力呈現中心大，筒壁邊緣處小的凸形分布規律，含上覆軟土層的地基中筒頂面土壓力呈現沿筒體徑向均勻的分布規律，并且隨著軟土層厚度的增加土壓力沿徑向分布更加均勻。上覆軟土層使筒體頂面土壓力降低，且降低幅度在隨軟土層厚度的增加而增長。上覆軟土層的存在降低了砂土地基中筒體頂面承擔豎向荷載的能力，但也使接觸面土壓力在筒頂分布更加均勻，能夠減小筒型基礎頂面應力集中程度，設計中地基上覆軟土層對豎向承載造成的影響應綜合考慮，合理取舍。

3 寬淺式四筒型基礎水平承載特性

3.1 水平極限承載能力

在粉質砂土和上覆不同厚度軟土層地基中，水平荷載作用下寬淺式四筒基礎的荷載-位移曲線和上覆軟土層對水平承載力影響分別如圖6、圖7所示。

圖6 水平荷載-位移曲線Fig.6 Horizontal-load displacement curve

圖7 水平承載能力降低幅度-軟土層厚度關系曲線Fig.7 Reduction of horizontal bearing capacity-relationship curve of soft soil thickness

四筒基礎水平極限承載能力控制點采用0.02倍的筒高加0.02倍的加載點到筒頂面距離作為寬淺式四筒基礎的極限承載力控制點[16]，模型加載點距筒面距離為零，筒型基礎高度6 m，因此取水平位移達到0.12 m的水平荷載作為四筒基礎的水平極限承載力。由圖6可知，在粉質砂土地基中，四筒基礎平行加載和對角加載的水平極限承載力分別為46和38 MN。平行加載方式時四筒基礎水平極限承載力分別為44、40、35和33 MN，對角加載方式時四筒基礎水平極限承載力分別為36、33、31和28 MN。由圖7可知，上覆軟土層厚度為1、2、3和4 m的條件下，四筒基礎水平極限承載力平行加載方式時分別降低5%、13%、24%和28%，對角加載方式時分別降低5%、13%、18%和26%。對極限承載能力降低幅度與軟土層厚度關系進行公式擬合，可知四筒基礎水平極限承載力降低幅度隨軟土層厚度近似線性增長。

3.2 水平荷載作用下四筒基礎破壞特征

3.2.1 四筒基礎轉動中心位置分析

水平荷載作用下，砂土地基和上覆軟土層地基中的寬淺式四筒基礎位移模式相同。以方案F-H-0-0的基礎位移為例，對0°加載條件下四筒基礎轉動中心位置進行研究，四筒基礎位移如圖8所示。

由圖8可知，水平加載初期，水平荷載很小時四筒基礎豎向位移均向下，水平位移與荷載方向相同，四筒基礎位移模式表現為平動。極限狀態時四筒基礎臨載側筒體豎向位移沿加載方向發生變向，背載方向豎向位移為正值，臨載方向豎向位移為負值，可見四筒基礎圍繞臨載側筒體的某條軸線發生旋轉破壞。同時，極限狀態下水平位移方向仍保持與荷載方向一致，可以斷定四筒基礎旋轉中心位于臨載側筒底部某一深度處。

圖8 四筒基礎位移Fig.8 Displacement of four bucket foundation

為進一步確定旋轉中心的位置，分析上覆軟土層對旋轉中心位置的影響，以臨載側最外部筒體B為研究對象，沿水平荷載方向提取筒體徑向兩端點的豎向位移，規定背載側端點x坐標為0，臨載側端點x坐標為10，得到不同土質條件下筒體徑向端點豎向位移分布，如圖9所示。

圖9 筒徑方向上豎向位移分布Fig.9 Vertical displacement distribution in bucket diameter direction

由圖9知，取豎向位移為零的位置為轉動中心在水平方向上的位置。水平極限荷載作用下，四筒基礎轉動中心位于臨載側筒體內部，0°加載時轉動中心距背載側筒壁約4 m，45°加載時距背載側筒壁約0.3 m。砂土地基和上覆軟土層地基中的寬淺式四筒基礎轉動中心水平方向上位置大致相同，軟土層對極限狀態下四筒基礎轉動中心水平位置無影響。

3.2.2 四筒基礎土體破壞特征

水平荷載作用下，以F-H-0-0、F-H-2-0和F-H-4-0方案為例，對上覆軟土層對基礎土體塑性破壞特征的影響進行研究，土體等效塑性應變如圖10。

由圖10可知，水平承載極限狀態下四筒基礎土體塑性破壞區主要分布在筒體前側和筒體端部位置。受軟土層影響，臨載側筒體外壁軟土層的土體等效應變數值降低，甚至出現等效塑性應變區域退化現象，表明水平極限承載狀態時上部軟土層土體未發生破壞。基礎土體塑性區下移，下部土體等效塑性應變增大，水平荷載承擔增加，下部砂土層在抵抗外部水平荷載其決定性作用。

圖10 土體等效塑性應變Fig.10 Equivalent plastic strain of soil under horizontal load

3.3 水平荷載作用下四筒基礎土壓力分布

水平極限狀態下，四筒基礎圍繞臨載側筒體底部某一深度處的旋轉中心發生轉動，背載側筒體頂面斜向上拔出，臨載側筒體頂面斜向下壓入土體，以F-i-0(i=0，1，2，3，4)為例，沿水平荷載作用方向提取臨載側基礎埋深范圍內的土壓力，分析土壓力分布和軟土層厚度的關系。水平荷載作用下四筒基礎土壓力分布如圖11所示，沿荷載作用方向筒壁分別用1，2表示。

由圖11可知，水平荷載作用下四筒基礎筒壁土體抗力主要由臨載方向的被動土壓力提供，且同一筒體臨載方向被動土壓力大于背載方向被動土壓力，同一筒體臨載方向土體受擠壓程度較大。被動土壓力隨埋深的增加而增長，在埋深5～6 m的范圍內被動土壓力增長幅度最大，主動區土壓力因筒土分離而很小并且趨近于零。受上覆軟土層影響，基礎埋深0～5 m范圍內的主被土壓力隨軟土層厚度增加而減小，在埋深5～6 m范圍，土壓力分布受四筒基礎運動形式影響，極限狀態下臨載側筒體B的臨載方向，筒壁沿埋深方向水平位移相差較小，以平動為主；而對應背載側筒體A因距轉動中心較遠筒壁豎向水平位移分布相差較大，以轉動為主；筒體B內部左側的底部土體和筒體A內部右側的底部土體受筒體水平和豎向擠壓程度較大，被動土壓力較大。因此，筒體B內部左側底部土壓力比筒體A內部左側底部土壓力大，相反側土壓力則小。

4 寬淺式四筒型基礎抗彎承載特性

4.1 抗彎承載能力

在粉質砂土和上覆不同厚度軟土層地基中，在彎矩作用下寬淺式四筒基礎的彎矩-轉角曲線和上覆軟土層對抗彎承載力影響分別如圖12、圖13所示。

取轉角為0.01弧度時所對應的彎矩值為四筒基礎抗彎極限承載力控制點[16]。由圖12和圖13可知，在粉質砂土地基中，四筒基礎平行加載方式和對角加載的抗彎極限承載力分別為196和170 MN·m。在軟土層厚度為1、2、3和4 m的條件下，平行加載時四筒基礎抗彎極限承載力分別為185、70、158和154 MN·m，對角加載時抗彎極限承載力分別為160、153、140和138 MN·m，四筒基礎平行加載時抗彎極限承載力分別降低6%、13%、19%和21%，對角加載時抗彎極限承載力分別降低6%、10%、18%和19%。對極限承載能力降低幅度與軟土層厚度關系進行公式擬合，發現四筒基礎抗彎極限承載力降低幅度隨軟土層厚度近似線性增長。

圖11 水平荷載作用下四筒基礎埋深-土壓力分布曲線Fig.11 Depth-earth pressure distribution curve of four bucket foundation under horizontal load

圖12 彎矩-轉角曲線Fig.12 Moment rotation curve

圖13 抗彎承載能力降低幅度-軟土層厚度關系曲線Fig.13 Reduction of bending bearing capacity-relationship curve of soft soil thickness

4.2 彎距荷載作用下四筒基礎破壞特征

4.2.1 四筒基礎轉動中心位置分析

彎矩荷載作用下，砂土地基和上覆軟土層地基中的寬淺式四筒基礎位移模式相同。以方案F-M-0-0的基礎位移為例，對彎矩加載條件下四筒基礎轉動中心位置進行研究，四筒基礎位移如圖14所示。

由圖14(a)可知，彎矩加載初期，彎矩荷載較小時背載側筒型基礎豎向位移為正值，臨載側筒型基礎豎向位移為負值，四筒基礎圍繞四筒基礎中心旋轉，四筒基礎水平向位移以筒體某高度為分界線，分界線上部筒體水平位移為正值，下部位移為負值，因此可判斷出彎矩荷載較小時轉動中心位于四筒基礎幾何中心筒底面以上某一深度處。彎矩極限荷載作用下，同理依據筒型基礎豎向和水平位移的關系，可以判斷出彎矩極限荷載時四筒基礎轉動中心位于臨載側筒體內部某一高度處，如圖14(b)所示，從彎矩加載初始到彎矩達到極限時，水平方向上四筒基礎轉動中心由四筒基礎幾何中心轉移到臨載側筒體內部。

為進一步確定旋轉中心的位置，分析上覆軟土層對極限狀態下旋轉中心位置的影響。以臨載側最外部筒體B為研究對象，沿彎矩荷載作用下筒體旋轉方向提取筒體徑向兩端點的豎向位移和筒體沿埋深方向的端點水平位移，得到筒體B沿徑向端點x坐標0和10處的豎向位移和沿埋深方向y坐標0和6處的水平位移分布，得到筒體位移分布如圖15所示，坐標規定如上圖9(a)。

圖14 四筒基礎位移Fig.14 Displacement of four bucket foundation

圖15 位移分布Fig.15 Vertical displacement distribution

由圖15可知，0°加載條件下筒體徑向的豎向位移為零的位置距背載側筒壁約為3.5 m，埋深方向水平位移為零的位置約為5 m；45°加載條件下豎向位移為零的位置距背載側筒壁約為1 m，埋深方向水平位移為零的位置約為5.5 m。水平加載條件四筒基礎轉動中心位于臨載筒體內部，水平距背載側筒壁3.5 m和豎向埋深5 m位置，對角加載條件下轉動中心也位于臨載筒體內部，水平距背載側筒壁1 m和豎向埋深5.5 m位置。對比不同軟土厚度條件下轉動中心位置可以發現，軟土厚度不同四筒基礎轉動中心位置相差很小，上覆軟土層對轉動中心位置無影響。

4.2.2 四筒基礎土體破壞特征

彎矩荷載作用下，以方案F-H-0-0、F-H-2-0、F-H-4-0的土體等效塑性應變為例，對上覆軟土層對基礎土體破壞模式的影響進行研究，土體等效塑性應變如圖16所示。

由圖16可知，抗彎承載極限狀態下，四筒基礎土體塑性破壞區主要分布在筒體前側和筒體端部位置，受軟土層影響臨載側筒體外壁軟土層區域等效應變數值降低。軟土層厚度較小時，如F-M-2，土體塑性破壞區域在砂土層范圍較大，在軟土層土體塑性破壞區域范圍較小，四筒基礎彎矩主要由下部砂土層承擔，但受上覆軟土層影響，砂土等效應變數值和范圍減小，砂土抗彎承載特性未能充分發揮，從而四筒基礎抗彎承載能力降低。軟土層厚度較大時，如F-M-4，軟土層土體塑性破壞區域范圍明顯增大，軟土層在承擔彎矩起到重要作用，造成四筒基礎抗彎承載能力降低程度最大。

4.3 彎矩作用下四筒基礎土壓力分布

彎矩荷載作用下，四筒基礎圍繞臨載側筒體內部一點發生旋轉，彎矩達到極限承載狀態，四筒基礎承載失效，以F-M-i-0(i=0，1，2，3，4)方案為例，沿轉動方向提取埋深范圍內筒壁土壓力，分析土壓力分布和軟土層厚度關系，土壓力分布如圖17所示，沿荷載作用方向筒壁分別用1、2表示。

圖16 土體等效塑性應變Fig.16 Equivalent plastic strain of soil under moment

圖17 彎矩作用下四筒基礎埋深-土壓力分布曲線Fig.17 Depth-earth pressure distribution curve of four bucket foundation under moment

由圖17可知，彎矩荷載作用下四筒基礎筒壁土體抗力在旋轉中心高度處存在明顯主被動土壓力轉換點，筒壁同一側土壓力性質發生變化，主被動土壓力相互交換。在旋轉中心下部筒壁的被動土壓力明顯較大，四筒基礎底部被動土壓力對四筒基礎抗彎承載能力具有重要作用。受上覆軟土層的影響，筒壁土壓力隨軟土層厚度的增加而降低，筒壁被動土壓力降低程度最為明顯。四筒基礎在彎矩荷載作用下背載側筒體A外壁與土脫開而退出承載，土壓減小至零。

5 結論

1)受軟土層影響，寬淺式四筒基礎水平、豎向和抗彎承載能力出現不同程度降低，且最大降低幅度分別為19%、28%和21%，水平、豎向和抗彎極限承載力降低幅度隨軟土層厚度近似線性增長。

2)豎向荷載作用下寬淺式四筒基礎的破壞特征表現為筒端部沖剪破壞，受上覆軟土層影響，四筒基礎底部砂土層沖剪破壞特征更加明顯，水平荷載和彎矩作用下基礎破壞特征表現為傾覆破壞，基礎土體塑性破壞區域主要分布在臨載方向筒體前側，且塑性區范圍隨軟土層厚度增加而縮小并下移。

3)水平極限荷載作用下四筒基礎旋轉中心位于臨載側筒體底部，極限彎矩作用下四筒基礎旋轉中心位于臨載側筒體內部，軟土層厚度對寬淺式四筒基礎旋轉中心位置無影響。

4)上覆軟土層使豎向荷載作用下筒頂土壓力分布趨于均勻，豎向土體抗力降低但減小了接觸面的應力集中，水平荷載和彎矩作用下，筒壁側向土壓力隨上覆軟土層厚度增加而降低，筒壁被動土壓力在抵抗水平荷載和彎矩作用中具有重要作用。