雙點異向循環荷載下吸力式四桶型基礎承載特性實驗

馬玉亮，楊永春

(中國海洋大學工程學院，青島 266100)

隨著全球經濟的發展，各國對能源的需求日益增大。能源的過度消耗導致化石能源的日益竭盡，全球能源結構發生明顯變化。在人們尋求新型能源時，海上風能作為一種清潔的可再生綠色能源，逐漸走進了人們的生活。與陸地風機相比，海上風機所處的環境風速更加穩定，有利于大型風電場建設，特別是對于沿海經濟發達地區，海上風電更具競爭優勢[1]。但與此同時，海上風機基礎所處的海洋環境比較復雜，受到風、浪等多種環境荷載的共同作用，使得海上風機基礎的承載特性變化更加復雜[2-4]。因此，如何保證基礎的安全便顯得十分重要。

桶型基礎是一種新型海上風機基礎，由于其成本較低，安裝簡便，施工周期短，沒有噪聲，能安裝在傳統深埋式基礎不能安裝的區域[5-6]，逐步被人們認可。目前，在單桶基礎的穩定性研究方面，丁紅巖等[6]針對桶形基礎的沉放過程，在粉質黏土中進行了大比尺模型試驗。曲延大等[7]采用真空預壓法，在軟土地基中進行了豎向靜荷載與循環荷載的模型試驗。王景琪[8]探究了地震作用和環境荷載對桶形基礎的影響，考慮了砂土液化時桶形基礎的承載性能變化，并研究了多種循環荷載對基礎的不同作用機理。國外多名學者[9-10]也針對不同土質下單桶基礎的承載特性進行了相關研究。而在多桶基礎的承載特性和聯合工作機理方面，張葦[11]在飽和砂土中進行了吸力式多桶型基礎的大比尺室內模型試驗，分析了基礎在斜向靜荷載作用下的承載特性。Wu等[12]針對吸力式四桶型基礎，進行了雙點循環荷載實驗，研究了風、浪荷載作用方向相同時基礎的承載性能。

在實際工程中，存在著風、浪荷載不同向的情況，這會引起作用在風機基礎上風荷載與波浪荷載的荷載方向呈一定的夾角[13-14]。目前，相關研究大多將桶型基礎所受風、浪荷載作用在相同方向時作為最危險的工況。在此研究背景下，現進行不同荷載夾角下的雙點循環荷載模型實驗，研究在飽和細砂地基中，四桶型基礎在雙點不同荷載夾角工況下的極限循環承載能力，并與雙點同向荷載作用下的基礎承載特性進行對比，分析吸力式四桶型基礎的承載特性變化規律。

1 實驗前期準備

1.1 吸力式四桶型基礎模型

吸力式四桶型基礎模型由4個主桶、連接結構以及豎向塔筒組成，塔筒固定在4個主桶位置的幾何中心處，與連接結構剛性固定，如圖 1所示。主桶材質為不銹鋼，長徑比為1，高H與直徑D均為160mm，壁厚4mm。主桶在實驗過程中自身變形可忽略不計，滿足剛度需求。實驗的土體直徑為1280mm，高700mm。實驗用細砂土的相對密度為2.67，黏聚力為6.25kPa，內摩擦角為36°，壓縮模量為17MPa。

圖 1 吸力式四桶型基礎模型Fig.1 The suction four-bucket foundation

1.2 加載裝置與方向定義

探究吸力式四桶型基礎承載特性的實驗系統由MTS雙通道伺服動態加載系統、拉力傳感器、激光位移測量系統、數據采集系統及力傳遞系統(加載支撐梁，軸承滑輪等)組成。利用加載系統，對四桶型基礎上下兩加載點施加不同方向的循環荷載，以此來確定不同工況下基礎的循環承載性能。通過力采集系統獲得的拉力值控制加載，確保基礎所受荷載的準確性，測量精度為0.1N。激光位移測量系統的兩個激光位移計布置在塔筒受力方向的后側，豎直向下測量，其中一個位移計用于測量受拉側桶中心的豎向位移，另一個位移計與該位移計的水平距離固定。分析兩點的豎向位移值，確定基礎的轉角，激光位移計的分辨率為0.005mm。實驗的整體布置如圖 2所示。

定義相鄰兩吸力桶連線中點的垂直方向為0°加載方向，沿相對兩吸力桶的連線方向為45°加載方向，如圖 3所示。

圖 2 雙點動載實驗圖Fig.2 The cyclic load test device

圖 3 基礎模型加載方向示意圖Fig.3 Diagram of loading direction of the model

確定其中一個加載點的加載方向，調整另一個加載點的加載方向，使上下兩加載點形成一定的荷載夾角，雙點動載實驗的不同荷載方向的組合工況如表 1所示。

表 1 動載實驗加載方向組合Table1 Loading direction combination in dynamic load test

1.3 靜極限承載力測量

吸力式桶型基礎受水平單調荷載的研究是其承載性狀研究的重要形式。通過進行單點水平靜載實驗，確定基礎在該加載點處的靜極限承載力及達到極限狀態時的水平位移，為動載實驗中基礎的失效判斷提供參考。實驗加載高度選取對應風荷載和浪荷載兩種荷載的作用點高度，選取0°和45°兩種加載方向，相鄰桶中心距為2.0D。每次實驗之前讓砂土在自重作用下固結不少于10h，確保每次實驗砂土的抗剪強度保持一致，保證實驗結果具有可比性。每種工況下重復進行3次實驗，取其平均值作為靜極限荷載值，結果作為后續雙點動載實驗中荷載取值的依據，如表 2所示。

表 2 靜載實驗結果Table2 List of static load test bearing capacity

2 實驗過程

根據單點靜極限承載力的實驗結果，定義循環荷載為

Ff，c=Fa+Fcsin(ωt)

(1)

式(1)中：Fa為平均荷載，是加載點處施加的恒定荷載值，實驗平均荷載比的取值范圍為0.3～0.4，即靜極限荷載值的30%～40%；Fc為正弦荷載部分的幅值，取值范圍為靜極限荷載值的5%～25%，即幅值荷載比為0.05～0.25。定義循環荷載比為平均荷載比與幅值荷載比的疊加值，通過選取不同的平均荷載比與幅值荷載比，比較在不同的荷載夾角及循環荷載下，吸力式四桶型基礎的承載性能變化。

雙點動載實驗的兩加載點高度采取相對固定的1︰5 的加載高度比，對應波浪荷載和風荷載的作用位置；保證風荷載與波浪荷載對于泥面的彎矩比為5︰2；對應波浪載荷的加載頻率為0.1Hz，風荷載的加載頻率為0.15Hz，均采用非對稱正弦波形加載，時程曲線如圖 4所示。實驗通過MTS雙通道伺服動態加載系統進行加載，在系統控制界面中設定加載條件如圖 5所示，通過系統自動反饋控制加載，從而使荷載值滿足實驗要求。

實驗過程中發現，在循環荷載作用下，隨著循環次數的增加，基礎的水平位移逐漸增大，受壓側桶體產生一定量的豎向沉降，沉降程度隨著兩加載點荷載夾角的增加而減小。同時，基礎的受拉側桶體與土體之間產生裂縫，隨著實驗的進行，基礎與土體之間的間隙不斷擴大，基礎出現整體上拔的趨勢，發生轉動失穩的破壞，基礎整體及局部變化形式如圖 6所示。

圖 4 兩加載點循環荷載時程曲線圖Fig.4 Cyclic load time history diagram of two loading points

圖 5 加載控制系統界面Fig.5 Interface of load control system

圖 6 達到破壞時吸力式四桶型基礎整體及局部變化Fig.6 Changes of foundation under failure conditions

圖 7 兩加載點水平位移-循環次數曲線圖Fig.7 Displacement time history diagram of the loading point

3 實驗結果分析

根據實驗得到的靜極限承載力及極限狀態對應的水平位移值，認為兩加載點中任意一點的循環位移幅值達到對應工況下的極限位移值或基礎整體轉角為3°時，基礎判定為失效，得到基礎失效時對應的循環加載次數。以失效時對應的循環加載次數作為基礎承載性能的衡量指標，判斷在不同荷載夾角、循環幅值和循環均值條件下基礎的循環承載性能差異。

圖7 為兩加載點的位移隨循環次數的變化，加載點沿荷載方向的位移增量并非線性增加，基礎的累積位移增加速度隨循環次數的增加而逐漸減慢，這是因為循環荷載對地基的擾動加速其排水固結，使得土體剛度有所增加。累積位移的增大最終導致多桶型基礎破壞。

圖8(a) 為風荷載方向為0°，波浪荷載方向為45°時，在不同平均荷載比、循環荷載比下，基礎失效時對應的循環次數。觀察曲線發現，在同種工況下，當平均荷載比一定時，幅值荷載比越大，基礎所能承受的循環荷載次數越少，說明基礎的承載能力越弱。圖 8(b)為風荷載方向為45°，波浪荷載方向為0°時，在不同平均荷載比、循環荷載比下，基礎失效時對應的循環次數。對比以上兩種工況的實驗結果，對于相同的荷載夾角，當風荷載作用于0°方向時，基礎的承載性能相較于風荷載作用于45°方向時有整體性的減弱。這是由于基礎的受力形式發生變化，風機作為主要影響荷載，0°方向的承載性能弱于45°方向的承載性能，加之波浪荷載的側向擾動，加速了基礎的失穩。

固定風荷載的作用方向為0°、Fa=0.35，調整波浪荷載形成不同的荷載夾角，進一步分析四桶型基礎結構在不同風、浪荷載夾角下的承載特性，結果如圖9所示。

圖 8 工況d、e不同平均荷載比下基礎循環次數變化曲線Fig.8 Curve of cycle number under different average load ratio of working condition d and e

圖 9 風載方向0°，Fa=0.35時夾角-循環次數曲線Fig.9 Angle-cycle number curve at wind load direction 0 ° and Fa=0.35

在較大的循環荷載比下，基礎在非同向循環荷載作用下的承載性能與同向循環荷載作用下的承載性能變化不大；但隨著循環荷載比的降低，基礎的承載性能差距顯著增大，風荷載與波浪荷載夾角為15°～30°時，基礎的承載能力較荷載方向相同時有一定程度的削弱。這說明在較小的循環荷載比下，一定的荷載夾角導致基礎的承載能力下降，基礎處于更加危險的情況。

4 結論

針對實際工程中存在的風、浪荷載不同向的情況，在細砂地質條件下進行了多種荷載方向組合的雙點循環荷載模型實驗，并與兩荷載同向作用下基礎的承載性能進行對比。得到的結論如下。

(1)在循環荷載作用下，基礎的水平位移較豎向位移變化更大，吸力式四桶型基礎最終發生轉動失穩，風荷載是影響結構承載性能失效的主要因素。

(2)對比相同荷載夾角下不同的荷載工況組合發現，荷載方向組合的不同導致基礎的受力形式發生變化，當風荷載作用于0°方向時，基礎的承載性能相較于風荷載作用于45°方向時有整體性的減弱。

(3)實驗結果表明，在風、浪荷載大小相同的條件下，當兩荷載存在一定的荷載夾角時，基礎的承載能力有一定程度的減弱；在較小的循環荷載比下，需要考慮不同夾角循環荷載對基礎承載性能的影響。

對不同荷載夾角作用下吸力式四桶型基礎的破壞形式與破壞規律進行了探究，研究了在一定荷載夾角下吸力式四桶型基礎的承載性能變化，為吸力式四桶型基礎的工程應用提供了一定的參考。