豎向荷載作用下吸力基礎周圍土體破壞方式及變形規律研究

孟艷春 王 璐

（青島黃海學院，山東 青島 266427 ）

近年來，隨著國家對海洋資源的開發和利用，海上風電技術得到了推廣和應用，但相對于傳統陸上風電，海上風電的安裝建設成本比較高，達20%～30%，而傳統陸上風電只需10%左右[1]。因此，解決海上風電基礎海上打樁、安裝問題成為重點。目前，國際上普遍采用的基礎形式主要有以下幾種：單樁基礎、群樁基礎、重力式基礎、吸力基礎和多桶吸力基礎。

由于吸力基礎與傳統的海上風電基礎相比，不僅工程造價更加低廉、施工安裝更加方便快捷、而且，受海上環境變化影響較小且基礎可回收利用，使得吸力基礎這種新型基礎形式近年來在海上風電工程中得到了廣泛應用[2,3,4]。吸力基礎一經提出，就得到國內外專家學者的廣泛關注。針對吸力基礎的多項性能，主要包括沉貫性能、抗拔性能及承載性能等，國內外學者采用多種研究方法，包括模型試驗、理論分析、數值模擬等對吸力基礎進行分析研究。Byrne 等[5]借助復雜的加載設備，采用swipe 加載方式，在砂土地基中對吸力基礎在多種荷載作用下進行承載力1g 模型試驗。試驗結果表明，加載頻率對基礎的承載性能影響甚微。Supachawarote 等[6-7]利用ABAQUS 有限元模擬軟件，對處于軟粘土中的吸力基礎在傾斜荷載作用下的破壞特性和承載特性進行分析研究，改變基礎的長徑比，繪制出相應的承載力破壞包絡線，并將有限元結果與上限法結果進行比較，發現有限元結果與試驗結果更接近。李馳等[8]借助FLAC3D 軟件對飽和砂土地基中的吸力基礎進行有限元模擬，探究了基礎周圍土體變形受動荷載的影響。黎冰等[9]為了分析砂土中基礎長徑比、荷載作用點及作用角度對基礎抗拔承載特性的影響，對吸力式沉箱基礎進行了室內模型試驗。呂陽等[10]為了尋找基礎的貫入阻力和土塞高度在不同吸力作用下的變化規律，借助數值模擬軟件對黏土中吸力筒的大變形沉貫過程進行了模擬研究。郭彥雪[11]采用ABAQUS 有限元數值模擬的方法，對飽和砂土地基中裙式吸力桶形基礎的豎向承載性能進行分析，并驗證了裙寬對基礎承載力的影響，另外對基礎的破壞機制進行了探究。

與陸上風電基礎不同，海上風電基礎除受上部結構傳來的自重以外，還受到波浪、風等產生的水平靜荷載作用和循環荷載動力響應，同時，還會受到洋流的沖刷作用和風暴潮、臺風等極端海洋氣候對基礎產生的瞬時荷載作用[12]。李大勇等針對上述海上風電基礎的受力特點，同時受加肋式吸力基礎[13]的啟示，提出了一種新型吸力基礎-裙式吸力基礎[14]。相比于傳統吸力基礎，裙式吸力基礎增加了“裙”結構，有效地提高了吸力基礎的抗沖刷能力，承載性能和抗拔能力，延長了基礎的使用年限，更適合用于海上風機的基礎。 總結國內外已有研究成果，已經取得了在不同荷載作用下關于裙式吸力基礎沉貫性能和水平承載性能的諸多成果，但對于豎向荷載作用下吸力基礎周圍土體的變形規律和破壞方式的研究，還比較匱乏，值得進一步研究。

1 有限元模型及參數設置

基于吸力基礎模型（圖1）的特點，選用有限元軟件ABAQUS 中的CAX4單元對其進行模擬，飽和砂土選用單元類型為CAX4R的Mohr-Coulomb 模型。

基礎與飽和砂土之間設置類型為主-從面接觸的接觸面，并將主面選取為剛度較大的吸力基礎面，采用0.25 這一摩擦系數。吸力基礎及砂土物理力學參數如表1 所示。

表1 材料參數設置

圖1 吸力基礎模型剖面

圖2 有限元計算模型

為了消除砂土地基的邊界效應對基礎承載力的影響，數值模擬的邊界范圍如下：水平方向選取10 倍桶徑，豎直方向選取5 倍基礎高度（圖2）。以水平向約束作為有限元模型的邊界側面，固定約束作為底面，頂面設置為自由邊界。有限元模擬的加載方式采用位移控制，最大位移為0.005 mm，與吸力基礎相關試驗的比例保持一致。

有限元模擬所采用的吸力基礎模型編號說明如下（以II-3W6H 為例）：“II”表示主桶長徑比為2，“3W”表示裙寬D2 為50 mm，“6H”表示裙高L1 為60 mm。文中吸力基礎的有限元模型尺寸，見下表。

表2 吸力基礎有限元模型尺寸 單位: mm

2 計算結果及分析

通過討論傳統吸力基礎及裙式吸力基礎的破壞方式，以及“裙”尺寸對裙式吸力基礎位移、應變分布的影響，研究了基礎破壞時周圍土體的變形范圍以及破壞機理。

2.1 傳統吸力基礎

對砂土地基來說，會發生整體剪切破壞或者局部剪切破壞。借助ABAQUS有限元軟件，對豎向承載力作用下不同長徑比的吸力基礎模型進行模擬，得到破壞時的塑性應變分布圖（見圖3）、位移矢量曲線（如圖5），并對豎向荷載作用下的傳統吸力基礎的破壞方式進行分析。

圖3 豎向單調荷載作用下傳統吸力基礎的等效塑性應變分布圖

對圖3 進行分析，發現在豎向單調荷載作用下，傳統吸力基礎塑性區的發展局限于土體中的某一范圍內，即在基礎底部下方及周圍形成類似對數螺線型的塑性變形區。這是因為隨著傳統吸力基礎的下沉，基礎主桶與地基接觸區域會產生較大的剪切破壞，進而造成基礎兩側與土體接觸區域破壞較大。此外，傳統吸力基礎在豎向單調荷載的作用下，其頂部兩側與土體接觸區域會產生裂縫，即沉陷范圍。因此，在飽和細海砂中，傳統吸力基礎在豎向單調荷載作用下的破壞形式為整體剪切破壞。

3 結論

采用有限元模擬的方法研究了地基土體在荷載下的變形規律，討論了傳統吸力基礎及裙式吸力基礎的破壞方式，分析了裙式吸力基礎周圍土體受“裙”結構擾動的影響，得到以下結論：

（1）在飽和細海砂中傳統吸力基礎與裙式吸力基礎的破壞形式都屬于整體剪切破壞。在豎向單調荷載的作用下，兩種基礎塑性區的發展限制于地基中的某一范圍內，即在基礎底部下方及周圍形成類似對數螺線塑性變形區。

（2）隨著裙高的增大，基礎對周圍土體的影響范圍增大，且距離基礎越近，土體的隆起量越大。

（3）相對于傳統吸力基礎，裙式吸力基礎周圍土體的沉陷范圍更大。當裙寬相同時，隨著裙高的增加，沉陷范圍逐漸減小。裙高的引入，能夠有效的控制基礎周圍土體的沉陷。