吸力桶基礎安裝及固結效應研究進展

摘要：我國已將深遠海風電規劃列為重點，大力推動該領域的技術創新與開發建設。吸力桶基礎是一種獨特的倒置桶形結構，被設計為頂部封閉、下部開口，可利用自重及桶內外壓差實現安裝，不僅安裝簡便，而且穩定性好，是深遠海域海上風電機組或海上平臺的理想基礎形式。基于此，總結國內外在吸力桶基礎安裝與固結兩大核心問題上的研究成果，并提出后續研究的方向，以期進一步推動該領域的發展。

關鍵詞：吸力桶；海上風電；可再生能源

中圖分類號：TU473 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）12-0-0343

Review of the Installation and Consolidation Effects on Suction Bucket Foundations

CHE Zongyuan1， ZHANG Fabin2， ZHANG Fujin3， CAO Xue3， LI Hui4

（1. Jiangxi Transportation Consulting Co.， Ltd.， Nanchang 330008， China;

2. Qinghai Transportation Planning and Design Research Institute Co.， Ltd.， Xining 810008， China;

3. China Railway Eleventh Bureau Group Co.， Ltd.， Wuhan 430061， China;

4. Qinghai Traffic Control Construction Engineering Group Co.， Ltd.， Xining 810021， China）

Abstract： China has prioritized the development of far-reaching offshore wind power plans and vigorously promoted technological innovation and construction in this field. The suction bucket foundation is a unique inverted bucket shaped structure designed with a closed top and an open bottom. It can be installed using its own weight and the pressure difference inside and outside the bucket. It is not only easy to install， but also has good stability. It is an ideal foundation form for offshore wind turbines or offshore platforms in deep sea areas. Based on this， summarize the research results on the two core issues of suction bucket foundation installation and consolidation at home and abroad， and propose future research directions to further promote the development of this field.

Keywords： suction bucket; offshore wind power; renewable energy

在全球氣候變暖及傳統能源日漸枯竭的背景下，清潔能源的探索利用成為全球亟待解決的問題，海上風能展現出巨大的發展潛力。據全球風能理事會預測，2023—2027年，全球將新增風力發電裝機容量680 GW，其中海上風電裝機容量將增加130 GW。我國擁有超過1.8×104 km的海岸線，可開發的海上風能儲量高達0.75 GW，是陸上資源的3倍，開發潛力巨大。2023年，我國貢獻了全球近60%的海上風電新增裝機容量，新增并網裝機容量達到6.3 GW，穩居全球海上風電新增及累計裝機容量的首位，占比高達58%。

1 深遠海風電規劃的開展現狀

為了捕獲更多風能，風力發電裝置不斷更新換代。2023年7月，全球最大的16 MW風力發電機在福建三峽海上風電國際產業園投入運營，其葉輪直徑達252 m，掃風面積超過50 000 m2，入水深度約40 m。同時，我國積極推進深遠海風電的發展。《“十四五”可再生能源發展規劃》中明確提出，開展深遠海風電的規劃工作，并完善其開發建設管理，推動技術創新與示范應用。根據各省份獲批的海上風電規劃，風電總量已超過0.3 GW，其中90%以上為深遠海風電項目。預計在2025年后，國內的主要海上風電項目，將主要布局于深水遠岸海域。這對風機基礎的穩定性提出更高的要求，風機基礎需承受更大的水平荷載、風浪力矩荷載以及海浪力矩荷載。

海上風力發電機組的基礎形式多樣，主要包括重力式基礎（適用于水深小于10 m的區域）、單樁基礎（適用于水深小于25 m的區域）和導管架基礎（適用于水深30～60 m區域）。此外，漂浮式基礎是深海區域的主流，具體形式有半潛式、單柱式、張力腿式和駁船式。作為一種創新的海洋基礎形式，吸力桶結合了傳統樁基礎與重力式基礎的優點，適用于淺海和深海。在淺海，吸力桶基礎可作為導管架的基礎；在深海，吸力錨基礎（一種長徑較大且帶有系泊眼的吸力桶基礎）可作為漂浮式風機或平臺的錨固基礎。

2 吸力桶基礎安裝研究

2.1 吸力桶的安裝過程

吸力桶是一種底部開口、頂部封閉的倒置桶形基礎，頂部連接水泵出水口，其安裝過程主要分為兩步。第一，將吸力桶吊裝至泥面，在此過程中全程打開排水閥；到達既定位置后，依靠自重下沉；自重沉貫結束后靜置20～30 min，以形成密閉環境。第二，啟動泵撬塊系統，用水泵抽出桶內的水，使桶內和桶外的壓力差不斷增大，從而使吸力桶逐漸貫入到達指定埋深。其中，自重貫入階段可以有外部壓力輔助貫入，稱為壓力貫入階段；在排水貫入階段，桶的貫入力由桶自重和桶內外壓差組成，稱為吸力貫入階段。

2.2 吸力貫入與貫入阻力的計算

吸力貫入是吸力桶基礎，也是吸力桶安裝工程實踐中一個難以精確把握的關鍵步驟。在負壓施加過程中，負壓過小可能不足以克服土壤阻力，導致桶體無法下沉；而負壓過大會引起桶內土體隆起，提前與桶頂蓋內表面接觸，從而阻止吸力桶基礎達到預定的貫入深度，這一現象被稱為“土塞現象”。因此，吸力桶貫入過程中存在臨界吸力和最小吸力的要求。為確保吸力桶基礎的順利安裝，需提前確定這兩個關鍵吸力值。依據不排水抗剪強度和靜力觸探試驗結果，并結合土塞形成的機理，在設計規范中提出用于計算臨界吸力和最小吸力的公式。

貫入阻力計算是吸力桶安裝過程中的另一個重要問題，也是研究熱點。吸力桶基礎貫入的阻力主要由兩部分構成，一是裙邊端部受到土的作用反力，二是桶內外裙邊上的側摩阻力。離心機試驗發現：桶基礎的自重、內部壓力、內部土塞等均會影響桶基礎的貫入，且吸力桶吸力貫入與壓力貫入的貫入阻力有明顯區別，前者所引起的土塞高度遠大于后者。但離心機試驗過程較為復雜，操作相對困難，對試驗條件要求較高。脈沖式吸力貫入技術也得到廣泛應用。該技術是在吸力貫入時施加一系列極短時間的吸力脈沖，以降低桶內土塞的涌起高度。脈沖式吸力貫入技術在松砂中的效果明顯，但在軟黏土中的效果甚微。

2.3 吸力桶基礎貫入過程的模擬

吸力桶的安裝會引起裙邊底部土體產生較大的位移變形，傳統的小變形數值分析方法難以克服土體網格的較大畸變，也難以完整模擬吸力桶基礎的貫入過程。因此，很多研究基于大變形有限元方法探討安裝吸力桶引起的土體變形。

利用小應變重網格插值技術（Remeshing and Interpolation Technique with Small Strain，RITSS）能夠較好地模擬吸力桶的安裝過程，吸力桶內的負壓可以轉化為一對相等的力，即吸力桶頂蓋內部的下壓力和桶內土塞表面的上拉力。RITSS方法屬于任意拉格朗日-歐拉（Arbitrary Lagrange-Euler，ALE）方法的一種，適合進行大變形有限元分析。RITSS技術是在一系列小應變分析增量之后進行網格重劃分，在新網格中的高斯點和舊網格中的高斯點之間，對場量（應力和材料屬性）進行映射插值。ALE方法也可對離心機試驗進行良好的模擬驗證。呂陽等[1]研究了安裝方式和摩擦系數對樁貫入阻力的影響，并考慮了吸力的施加及土塞的影響，最終模擬結果與離心機試驗所得結果一致，驗證了ALE方法模擬樁安裝過程的可行性。

耦合歐拉拉格朗日（Coupled Eulerian-Lagrangian，CEL）方法可以很好地模擬吸力桶的安裝效應。在模擬過程中，土體被定義為歐拉體，樁被定義為拉格朗日體，可完整模擬樁貫入及土體變形。安裝完畢后，提取變形后的土體模型并建立小變形拉格朗日分析，結果表明考慮安裝效應后吸力桶的承載力包絡面縮小，即使用預埋假設得出的承載力偏大。利用CEL方法，還可廣泛研究不同的長徑比、摩擦系數、土體參數及土體分層等對貫入阻力的影響。

3 吸力桶基礎固結研究

與更大范圍裙邊基礎的研究相比，對于吸力桶基礎固結響應的研究較少。GAUDIN等[2]利用離心機試驗研究了固結行為對基礎承載力的影響，提出了固結承載力提升的計算公式，并利用數值模擬研究了理想彈性土中裙邊粗糙度和埋深度對裙邊基礎固結行為的影響。GOURVENEC等[3]基于修正劍橋模型，提出了正常固結土及超固結土中預壓固結引起承載力提升的預測框架，并將其拓展，根據預測框架提出了土體固結后承載力包絡面的預測方法。FENG等[4]使用相同模型，分析了閥板基礎在水平、豎直、彎矩和扭矩方向的復合承載力隨土體固結的提升。然而，現有的有限元研究在采用預埋假設時，往往忽略了基礎安裝效應的影響，未考慮安裝過程中土塞的形成以及孔隙水壓力對后續固結的影響。

對于吸力桶的安裝模擬，必須使用大變形有限元模擬，但CEL與ALE方法均基于總應力框架，無法模擬超孔壓的產生及消散。鑒于此，研究人員將安裝和固結階段分開。在安裝階段，通過用戶子程序內置孔壓剛度矩陣，使歐拉大變形分析能夠成功分析有效應力[5]；在固結階段，通過網格映射將歐拉分析結果完全映射到拉格朗日小變形分析模塊，實現了基礎安裝過程和安裝后固結分析的完全模擬。由此，有效解決了安裝模擬中的超空壓問題，但分析過程中需要用戶自定義編輯程序。

在準靜態問題的研究中，RITSS方法已在多種基礎類型上得到實踐與驗證。然而，當前應用主要局限于二維分析層面，仍無法全面評估整體基礎的性能。例如，吸力桶基礎的安裝過程復雜，且伴隨土塞涌起的不確定性，給RITSS方法的數值模擬帶來挑戰。截至目前，關于吸力桶基礎固結響應的研究仍不夠深入，需要進一步深入探索固結過程中的具體表現以及安裝效應的影響機制。

4 結論

隨著深遠海域風電開發戰略的實施，吸力桶基礎憑借其安裝簡便性和環境友好特性，逐漸成為人們關注的焦點。盡管裙邊基礎已經有很多研究成果，但吸力桶基礎作為一類特殊基礎形式，仍需要進一步深入探索。目前，吸力桶基礎的獨特安裝方式，尚缺乏充分的科學模擬與細致分析；在承載力變化、土塞效應的高度以及貫入深度等關鍵問題上，尚未形成系統的研究成果。此外，吸力桶基礎的固結過程通常會導致土體出現不均勻沉降現象，進而對上部結構的穩定性構成潛在威脅。為了全面評估吸力桶基礎的適用條件，保障風力發電機組穩定運行，未來研究工作需要更加深入，以期更有效地應對上述挑戰。

參考文獻

1 呂 陽，王 胤，楊 慶.吸力式筒形基礎沉貫過程的大變形有限元模擬[J].巖土力學，2015（12）：3615-3624.

2 GAUDIN C，DENGFENG F，MARK C，et al.Effects of preloading with consolidation on undrained bearing capacity of skirted circular footings[J].Geotechnique，2015（3）：231-246.

3 GOURVENEC S M，VULPE C，MURTHY T G.A method for predicting the consolidated undrained bearing capacity of shallow foundations[J].Geotechnique，2014（3）：215-225.

4 FENG X，GOURVENEC S.Consolidated undrained load-carrying capacity of subsea mudmats under combined loading in six degrees of freedom[J].Geotechnique，2015（7）：563-575.

5 YI J T，LEE F H，GOH S H，et al.Eulerian finite element analysis of excess pore pressure generated by spudcan installation into soft clay[J].Computers and Geotechnics，2012（5）：157-170.

基金項目：雙洞六車道濕陷性黃土隧道建造關鍵技術研究項目（ZT1102KJ2023-11）。

作者簡介：車宗原（1979—），男，山東菏澤人，高級工程師。研究方向：巖土工程。