海上風電植入式嵌巖樁承載特性分析

冀 昊，賀正興，賈小剛

（1.水電水利規劃設計總院，北京 100120；2.福建省水利水電勘測設計研究院，福建福州 350001；3.福州海峽發電有限公司，福建福州 350200）

引言

樁基礎是海上風電中最常用的基礎形式[1]，隨著近年來海上風電的大面積開發，其遇到的地質條件也趨于復雜，在海底淺層土中存在大量基巖的情況，傳統的樁基礎的施工方式不適用。嵌巖樁是指樁的下部有相當一段長度澆筑于堅硬巖層中的鉆孔灌注樁巖。目前主要分為灌注嵌巖樁、灌注式錨桿嵌巖樁、預制植入式嵌巖樁等[2-5]。

植入式嵌巖樁施工時先搭設鉆孔平臺，進行地基處理后，使用鋼護筒及定位架保證定位準確后使用沖擊鉆機進行樁基成孔，然后將預制的鋼管樁吊入孔內，最后進行在樁外及樁底進行混凝土灌注[6-7]。植入式嵌巖樁基礎由于其施工的復雜性，目前對于嵌巖樁結構的受力、變形及其灌漿混凝土的承載特性尚未明確。本文通過有限元軟件研究了海上風電植入式嵌巖樁的承載性能，并分析了樁外混凝土灌漿對其承載特性的影響。

1 有限元模型

1.1 結構尺寸

對于植入式樁基礎，樁植入后進行灌漿處理，填充與土體間的空隙。通過ABAQUS 建立模型[8-9]，樁徑為5.5-6.5 m，樁長62.5 m，入土深度為35 m，嵌巖深度為10 m。灌漿厚度40 cm，灌漿深度與樁入泥深度相同，灌漿料強度為C30，灌漿采用混凝土塑性損傷模型，灌漿層與巖石之間為tie 接觸，與其它土層為摩擦接觸，摩擦系數0.4。混凝土與樁之間為摩擦接觸，摩擦系數0.6。其網格采用c3d8r單元，為節省計算量，同時保證計算精度，靠近樁體處網格加密，隨距樁體距離增加，網格逐漸變疏，模型剖面及網格如圖1 所示。

圖1 模型剖面示意圖

1.2 荷載條件

樁基上部風機荷載選用某海域6 MW 風機荷載。樁身極限工況荷載見表1。

表1 極端工況荷載

1.3 土質參數

根據現場情況，擬研究機位的土質參數選取如表2 所示：

表2 機位土質參數

2 混凝土塑性損傷模型

混凝土損傷塑性模型是公認的對混凝土非彈性行為模擬最為有效的模型。混凝土在承受外荷載前就已有的微缺陷、微孔洞被稱之為“損傷”，其破壞過程就是各種尺度損傷(微孔洞、微裂縫)的發展演化和累積所造成的；在荷載尚未達到可使混凝土材料組分發生屈服或塑性流動之前，混凝土作為整體已經完全破壞了[10]。

混凝土在單軸受壓下超出彈性范圍的部分定義為受壓損傷，受壓應力數據可以表示為非彈性應變的函數，必要時可加上應變率、溫度以及場變量。

圖2 混凝土損傷塑性模型受壓應力-應變關系

圖2 中：ε un，σ un分別為卸載點的應變和應力；分別為無損傷的混凝土彈性受壓應變和考慮損傷的混凝土受壓彈性應變；分別為混凝土的受壓塑性應變和受壓非彈性應變。

混凝土在單軸受拉下超出彈性范圍的部分定義為受拉損傷，受拉應力數據可以表示為開裂應變的函數。超出彈性部分的受拉應力-應變數據在ABAQUS 中以的形式正值輸入，開裂應變定義為總應變減去材料無損傷的彈性應變，即，如圖3 所示。

圖3 混凝土損傷塑性模型受拉應力—應變關系

圖3 中：εun，σ un分別為卸載點的應變和應力；分別為無損傷的混凝土受拉彈性應變和考慮損傷的混凝土受拉彈性應變；分別為混凝土的受拉塑性應變和受拉非彈性應變[11]。

3 灌漿料參數對承載特性的影響

采用不同灌漿料強度以及灌漿厚度，研究其對承載特性的影響，混凝土采用C30、C40、C60 三種強度，灌漿厚度為40 cm，60 cm 兩種，相關工況見表3。

表3 灌漿料參數工況

3.1 混凝土開裂分析

根據有限元計算結果，混凝土主要為受拉破壞。隨著外荷載增加，破壞主要分為三個階段，每個階段破壞部位不同。破壞區域集中在三個部位，C30-1 工況結果如圖4 所示。第一階段，在泥面處右側混凝土開始破壞，隨著荷載增加，破壞區域逐漸向下發展，最終沿高度方向破壞范圍約1 倍樁徑；第二階段，在泥面下14 m 左右區域左側開裂，破壞范圍隨荷載增加沿水平向和豎向擴展，最終破壞范圍豎向約0.5 倍樁徑，水平向大約2/3 倍樁徑；第三階段，開裂區域位于泥面下24-25 m，混凝土左側受拉開裂，最終達到極限荷載后水平破壞范圍約0.5 倍樁徑，豎向破壞范圍接近0.5 倍樁徑。

圖4 不同階段混凝土受拉破壞圖

圖5 為不同工況下各階段開裂破壞起始時刻對應的外荷載，縱坐標為相對于滿級荷載的百分比，橫坐標為1、2、3 三個破壞階段起始時刻。隨著灌漿料強度提高和灌漿厚度的增加，其各階段抗裂能力均有所提高。灌漿料強度提高后，其抗裂能力的增加值：第三階段>第二階段>第一階段。

圖5 各階段對應的破壞荷載

3.2 樁身變形分析

通過比較各工況在極限荷載作用下的樁身的撓度曲線可以看出，在灌漿厚度相同的情況下，灌漿料強度對樁身變形基本沒有影響。通過增加灌漿厚度，可以有效減小樁身變形。本次計算中，每種強度均增加20 cm 灌漿厚度，泥面處撓度減小約10 %，總體變形趨勢不變，如圖6 所示。

圖6 樁身變形曲線

3.3 樁身彎矩、剪力分析

從彎矩、剪力分布圖可以看出，不同工況下樁身彎矩基本無變化，樁身剪力分布存在差異。在泥面附近，剪力值C30>C40>C60，在弱風化層上部附近，剪力值C60>C40>C30，弱風化層剪力值相差不大。上述結果表明，隨著混凝土灌漿強度提高，混凝土在泥面處對樁的作用力減弱，在弱風化層表面對樁的作用力增強。

圖7 樁身彎矩沿深度變化曲線

圖8 樁身剪力沿深度變化曲線

3.4 混凝土彎矩、剪力

在灌漿厚度40 cm 情況下，隨著灌漿強度提高，混凝土彎矩數值變小，彎矩峰值點更靠下。混凝土強度越低，第三階段開裂的范圍較大，根據3.1 節的結論，該處開裂后彎矩峰值點會向上移動，所以C30-1 的混凝土彎矩更大。

在灌漿厚度60 cm 情況下，彎矩差異更加多樣。C30-2 因強度較低，第三階段開裂較嚴重，其峰值點更靠上；C60-2 因強度較高，在第三階段的未完全破壞，還有一定的抗彎能力，導致開裂處的彎矩仍然較高；C40-2 在第三階段的破壞程度比C60-2更嚴重，開裂處的抗彎能力減弱，彎矩較C60-2 小。

在圖9 中，樁身剪力的差異主要集中在兩個正峰值上。

圖9 混凝土彎矩沿深度變化曲線

灌漿厚度40 cm，在泥面下第一個峰值處，剪力值C30-1>C40-1>C60-1；在第二個峰值處，剪力值C30-1

灌漿厚度60 cm，在泥面下第一個峰值處，剪力值C40-2 與C30-2 接近，大于 C60-2；在第二個峰值處，剪力值C30-2C40-2>C30-2。弱風化層出現差異的原因可能是混凝土太厚，第三階段開裂程度不同導致該位置剪力差異較大，進而影響至弱風化層

上述結果表明，隨著混凝土灌漿強度提高，混凝土在泥面處對樁的作用力減弱，在弱風化層表面對樁的作用力增強。

圖10 混凝土剪力沿深度變化曲線

4 結語

本文基于海上風電植入式嵌巖樁基礎，采用有限元軟件ABAQUS 進行數值模擬，考慮了樁外側灌漿料參數對嵌巖樁承載特性的影響，結果表明：

1）樁周灌漿混凝土破壞大致分為三個階段，從泥面到弱風化層主要破壞位置共三處，每個階段破壞一處，破壞順序由上至下依次破壞；

2）灌漿層的存在可以減小樁身變形，增加其厚度同樣能減小變形，但增加灌漿料強度對變形影響不大；

3）增加灌漿料強度對抗彎能力提升不明顯，但增加灌漿厚度對抗彎能力提升顯著，所以在極限荷載作用下，灌漿并沒有提升基礎的抗彎剛度，而是通過增加與樁土的作用面積增大了抗彎能力。