循環荷載下樁—筒組合基礎承載力衰減分析

王 曉 強

(浙江工業大學，浙江 杭州 310012)

1 概述

海上風電基礎形式主要由水深和地質、海床條件決定，單樁鋼管基礎和筒形基礎由于其運輸、安裝方便，經濟性好等優點，在淺海區域應用廣泛[1]。海上風電基礎長期受風、浪等荷載的循環作用。對于單樁鋼管基礎和筒形基礎在水平循環荷載作用下的響應問題，學術界做了大量研究。MATLOCK[2]基于黏土中小直徑水平受荷樁的模型試驗，提出了單樁基礎的p—y曲線公式；何沛豐等[3]就p—y曲線、經驗擬合法與數值分析法，綜述了水平循環荷載作用下海上風力發電樁基礎累積變形的特征；胡安峰等[4]通過室內循環三軸試驗和有限元分析，建立了軟黏土剛度衰減模型，研究了水平荷載循環次數與幅值對樁身側向位移的影響；王愛霞等[5]通過離心機模型試驗，研究了長期循環荷載作用下，筒形基礎承載力的喪失和基礎破壞情況；王海旭[6]對筒形基礎在循環荷載作用下其累積變形的發展做了深入的研究；劉樹杰等[7]使用有限元分析的方法，對復合多筒基礎在豎向荷載、水平荷載和力矩作用下的極限承載力進行了研究。

綜上可知，目前大多數學者停留于對單一的單樁鋼管基礎或筒形基礎的研究，而對樁—筒組合基礎受循環荷載的能力鮮有研究。本文建立樁—筒組合基礎的三維有限元模型，研究不同筒體加固下的樁—筒組合基礎在循環荷載作用下水平承載力衰減規律。

2 有限元模型介紹

為了研究水平循環荷載下樁—筒組合基礎的響應，根據海上風電機場地狀況，采用單樁鋼管基礎與筒形基礎結合的樁—筒組合基礎，并在ABAQUS中建立樁—筒組合基礎的三維有限元模型，幾何比尺為1∶1。

2.1 幾何尺寸

根據目前已建成的風電場風機基礎[8]，本文樁—筒組合基礎有限元模型分為鋼管樁與吸力筒，如圖1所示。其中，鋼管樁部分的直徑d=6 m，其總長L=80 m(插入海床的深度為60 m)；吸力筒部分直徑D分別取3d,4d,5d，高度h=2d。Bransby[9]建議，為消除水平受荷樁邊界效應的影響，土體模型的長和寬均取25d，豎向取13.3d。

2.2 材料參數

水平循環荷載作用下，樁—筒組合基礎采用理想彈塑性材料，鋼材為Q345C，其楊氏模量Ep=2.1×108kPa，泊松比υp=0.25，屈服強度σs=345 MPa。

土體為淤泥質黏土，取自杭州灣中部某風電場，其初始楊氏模量Es0=10 MPa，內摩擦角φ=28.81°，初始不排水抗剪強度Su0=15 kPa，泊松比υs=0.29，土體靈敏度St=5。根據ZHOU[10]提出的理想彈塑性模型概念，以及夏華盛[11]在有限元分析中應用。水平循環荷載下土體強度衰減為:

(1)

(2)

其中，Su為土體弱化后不排水抗剪強度；Es為土體弱化后楊氏模量；δrem為土體靈敏度的倒數；ε為循環加載中的塑性應變；ε95為原狀土樣在室內三軸試驗中，豎向最大應力95%處的塑性應變。

為了適應循環荷載作用下土體強度的衰減，并將上述公式應用到ABAQUS模擬中，土體采用摩爾庫侖塑性本構，考慮應變水平對土體楊氏模量與不排水抗剪強度的影響。

3 承載力分析

3.1 靜力承載力

根據FD 003—2007風電場工程技術標準：風電機組地基基礎設計規定(試行)和實際工程中對于風機基礎泥面處轉角的控制，在基礎頂部施加0.17 m水平位移，控制樁基礎在泥面處轉角在0.5°以內[12]。

單樁基礎在水平靜荷載作用下，3d～5d深度的土體提供主要水平承載力，為研究筒體直徑(D)和高度(h)對加固效果的影響，分別取高度為1d，2d，3d，直徑為3d，4d，5d的筒體作為對照建模，具體參數見表1。

表1 模型筒的參數

在規范允許的工作條件下，樁周土體仍處于彈性工作階段，筒對于單樁基礎有著很顯著的加固效果，其中筒徑(D)和筒高(h)是影響加固效果的兩大因素。在單樁基礎的基礎上加入筒形基礎以后，對基礎的水平承載力提升很明顯。表2中對不同直徑和高度的筒體對基礎水平承載力進行了統計。從中可以得到，筒體直徑每增加1倍樁徑可以提升約49.07%的水平承載力，筒體高度每增加1倍樁徑可以提升約28.17%的水平承載力。經過對比分析，增加筒徑的加固效果相較于增加筒體高度的效果高19%～23%。

表2 承載力提升情況

3.2 循環加載后承載力衰減

飽和軟黏土在循環荷載作用下，土體的強度隨循環次數和動應力比的變化，會出現不同程度的衰減[13]。波浪荷載對風機基礎體系主要由：作用在樁上的水平荷載以及作用在海床上產生附加壓應力和超靜孔壓[14]。根據杭州灣實測波浪特性[15]，并結合WANG等[16]對作用于樁上波浪力的分析，將模型中的波浪荷載進行簡化。

模擬波浪荷載周期為2.5 s，幅值為2 000 kN時，考慮循環次數的變化，對上文中所有模型算例進行對照分析。圖2為受不同次數的循環荷載后，各基礎的承載力衰減曲線。由圖2可見，在本文所模擬的波浪荷載循環作用下，單樁基礎與樁—筒基礎的承載力隨循環次數的增加出現了不同程度的衰減。相比較于樁—筒基礎，單樁基礎的承載力衰減很微小。當循環次數小于60次時，樁—筒基礎的承載力衰減隨循環次數的增加而顯著增大。

由圖2可知，在循環荷載作用100次后，承載力衰減完成95%以上。因此，將各模型循環100次后的承載力，作為基礎循環加載衰減后的承載力，數據統計記錄于表3。結合圖2與表3可知，樁—筒基礎衰減后的承載力仍遠大于單樁基礎，樁—筒基礎承載力衰減量遠大于單樁基礎。樁—筒基礎承載力的衰減與筒徑(D)和筒高(h)關系如下：筒體直徑每增加1倍樁徑，循環荷載作用后，基礎承載力衰減占原承載力百分比會提升在2.47%～11.23%；筒體高度每增加1倍樁徑，循環荷載作用后，基礎承載力衰減占原承載力百分比會提升約5.98%；筒徑增加對循環荷載作用后基礎的承載力的影響由大變小，而筒高增加對循環荷載作用后基礎的承載力影響則較為穩定，增加1倍筒高衰減后承載力減少約6%。

表3 承載力衰減情況

樁—筒基礎在循環荷載作用后的承載力衰減與土體強度的衰減有關。土體在受循環荷載的反復作用后會產生塑性應變，隨著塑性應變的累計，土體強度出現衰減。并且，隨累計塑性應變的增大，土體強度的衰減程度逐漸減小。如圖3所示，將土體累計塑性應變通過加載后基礎的累積殘余位移反應。單樁基礎的累積殘余位移遠大于樁—筒基礎，1次循環加載后的殘余位移約占總累積殘余位移的59.83%，20次循環加載后累積殘余位移占總累積殘余位移中的80.49%；樁—筒基礎1次循環加載后的殘余位移約占總累積殘余位移的36.27%，20次循環加載后累積殘余位移占總累積殘余位移的62.67%。無論是單樁基礎或是樁—筒基礎，第一次循環加載后殘余位移在總累積殘余位移中占很大的比重。此外，經過20次循環加載后，累積殘余位移的增加明顯減小?？芍?，殘余位移的發展是隨循環次數的增加不斷增加，但循環加載前期位移累積遠大于中后期。由累積位移情況推算，樁—筒基礎的水平剛度遠大于單樁基礎。

4 結論

通過三維有限元建模，分析了淤泥質黏土中單樁基礎和樁—筒基礎對水平循環荷載的響應，得到結論如下：

1)筒體對樁體有顯著的加固效果，通過對基礎進行水平靜力加載分析可知，筒體直徑D相較于筒體高度h對加固效果的影響更顯著；

2)樁—筒基礎的承載力衰減隨循環次數的增加而增大，且當循環次數小于60次時，循環次數對基礎承載力衰減顯著；

3)筒徑增加對循環荷載作用后基礎的承載力的影響隨筒徑增大逐漸變小，而筒高增加對循環荷載作用后基礎的承載力影響則較為穩定；

4)樁—筒基礎的水平剛度遠大于單樁基礎，循環加載后基礎殘余位移遠小于單樁基礎，位移累積與承載力衰減在循環加載的同一階段完成。

在海上風電基礎設計中，為保障風電基礎在工作中的長期可靠，必須對基礎在所選風電場場地中所受長期循環荷載進行相關分析，同時也需要對場地土的力學性質進行深入研究。本文以杭州灣某風電場作為分析對象，參考杭州灣中部波浪荷載特性進行研究，后續或可深入研究中樁—筒基礎的最優筒高和筒徑比值等問題。