海上風力機大直徑單樁數(shù)值模擬對比分析

張靈熙 蔡 新，2 潘 盼 朱 杰 舒 超

（1.河海大學 力學與材料學院，南京 210098；2.河海大學 水利水電學院，南京 210098）

隨著全球變暖和能源危機，可再生資源的發(fā)展越來越受到各國的重視.風能作為一種可再生清潔能源，儲量巨大，且風力發(fā)電在可再生能源領(lǐng)域中是除水力發(fā)電外技術(shù)最成熟、前景最看好的發(fā)電方式之一，因此發(fā)展風能對調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，解決能源危機方面有著非常重要的意義［1］.

我國有著廣袤的近海面積，海上的風能儲量十分豐富，大力發(fā)展海上風電已是必然趨勢，符合我國的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略.但相較于陸上風電，海上風電環(huán)境更加復(fù)雜惡劣，進而對風力機基礎(chǔ)提出了更高的要求.大直徑單樁基礎(chǔ)由于抗彎剛度好、單樁承載力高、預(yù)制方便、施工快捷、無需事先整理海床且成本低廉，已成為應(yīng)用最廣泛的海上風力機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式之一［2］.而大直徑單樁由于對不直度較為敏感，從而對水平位移與沉降的要求較普通樁基礎(chǔ)更高.本文利用有限元軟件ABAQUS數(shù)值模擬，在保證相同材料用量的前提下，不再單一地通過增大樁徑或增加樁身壁厚來提高承載力，而是通過增大樁徑的同時減小樁身壁厚保持樁身材料的橫截面積不變，盡量提高樁基礎(chǔ)的強度與剛度，同時考察樁身的水平與豎向承載能力與樁徑變化之間的關(guān)系，為工程實際提供參考.

1 計算模型的建立

1.1 模型尺寸與參數(shù)的確定

參考3MW海上風力機單樁式基礎(chǔ)尺寸，建立的模型尺寸參數(shù)見表1，樁身材料采用Q345鋼：密度7 850kg／m3，彈性模量210GPa，泊松比0.3.

表1 模型樁參數(shù)

土體采用摩爾－庫倫本構(gòu)模型，為了消除邊界條件對計算結(jié)果的影響，土體需取足夠大.所以側(cè)向邊界取約10倍樁徑50m作為半徑，縱向取40m深度來模擬無限大的土體，樁土模型見圖1.樁周與樁端土的各項參數(shù)見表2.

表2 土體模型參數(shù)

圖1 樁土模型

1.2 樁土接觸設(shè)定

樁土接觸采用ABAQUS的主－從接觸法，使用主－從接觸法時需滿足如下幾點要求：1）剛性面是主控面；2）基于節(jié)點定義的面只能是從屬面，并且只能應(yīng)用點對面離散方法；3）接觸對中的兩個面不能都是剛性面，除非某一剛性面是基于變形體定義的；4）如果一個面積較小的面與較大的面接觸，最好選擇小面為從屬面；5）選取剛度大的面作為主控面；6）若兩接觸面剛度相似，則選取粗糙網(wǎng)格的面作為主控面.

雖然實際工程中的大直徑鋼管樁為開口樁，但考慮到樁端土塞效應(yīng)，鋼管樁內(nèi)側(cè)與土體并沒有產(chǎn)生實質(zhì)的接觸摩擦，所以可把大直徑開口樁視為大直徑閉口樁來處理.設(shè)置樁側(cè)外表面與底面為主面，樁周土體及樁底土體為從面，樁側(cè)外表面與樁周土體切向采用罰摩擦公式來模擬彈性滑移摩擦，摩擦系數(shù)取0.45（tan0.75φ）.法向設(shè)為硬接觸；樁底與土體切向為粗糙接觸，法向也為硬接觸.樁與土體分別采用S4R殼單元與C3D8R實體單元模擬［3］.

1.3 邊界條件的施加

土體底部模擬無限大地基，所以設(shè)為完全固定，土體外側(cè)約束其X，Y方向位移，進行計算前首先對土體進行地應(yīng)力平衡，在地應(yīng)力平衡時由于要移走樁，需對樁周土體設(shè)置約束以防止樁洞塌縮，待地應(yīng)力平衡結(jié)束把樁放回后再撤消.同樣約束其X，Y方向位移，如圖2所示.

圖2 土體邊界條件的施加

2 荷載的施加及計算結(jié)果分析

2.1 水平荷載計算結(jié)果分析

在樁頂作用1 000kN的水平荷載，得到的各樁的樁身位移與應(yīng)力分布如圖3所示.

圖3 樁身水平位移隨深度變化分布

由圖3可知，在受同等的1 000kN水平荷載條件下，各樁的水平位移均表現(xiàn)出典型的短樁變形特征，即在水平荷載作用下，樁身如同剛體一樣圍繞自身軸線上的某一點轉(zhuǎn)動［5］.這是由于樁身的抗彎剛度遠遠大于地基剛度，且樁是長徑比較小的短樁.當受較大水平荷載作用時，土體抗力從表層土體逐漸向深處傳播，當表層土體發(fā)生塑性屈服破壞時，樁身底部的樁周土體在彈性壓縮階段不足以抵抗上部水平荷載，又由于樁身剛性較大，導(dǎo)致樁端土體受到樁端的擠壓形成與表層土體相反方向的變形，從而形成了樁身圍繞自身軸線某點轉(zhuǎn)動的短樁形變.圖3還表明，鋼樁的水平位移與樁身翻轉(zhuǎn)程度均隨著樁徑的增大而減小，且4m樁徑到4.5m樁徑的水平位移變化尤為明顯，樁身水平位移減小的速率隨著樁徑的增大逐步衰減.以上數(shù)據(jù)證實了單樁的穩(wěn)定性隨著樁徑的增大而增強，但通過單純增大樁徑減小壁厚來提高樁身穩(wěn)定性的效果卻隨著樁徑的增大而減小.

在1 000kN水平荷載作用下，樁身的應(yīng)力分布并不像事先設(shè)想的那樣，即樁身應(yīng)力隨著樁壁變薄而越來越大，相反，樁壁最厚的4m樁徑單樁的大部分樁身應(yīng)力明顯高于較大樁徑但樁壁較薄的單樁，如圖4所示，其等效應(yīng)力分布呈現(xiàn)出類似拋物線的形狀.而4.5m及以上樁徑的單樁等效應(yīng)力分布較為相似，均呈波浪狀，且隨著樁徑越大，樁身下部即0～6m左右處的應(yīng)力越來越大，而樁身中上部的應(yīng)力越來越小.這是因為在同等樁長同等材料的前提下，隨著樁徑變大，樁的剛度也隨之增大，短樁效應(yīng)也愈發(fā)明顯［6］.為了平衡樁端水平荷載引起的彎矩，樁身下部與樁周土體劇烈擠壓，從而產(chǎn)生巨大的抗力直接作用在了樁下部，導(dǎo)致該處應(yīng)力逐漸增大.隨著樁徑越大，樁身下部的擠壓效應(yīng)越來越明顯，使得該處的土抗力占總抗力的比率越來越高，減輕了樁身中上部與土體的相互作用，從而使得該處的應(yīng)力隨著樁徑的增大而減小.

圖4 不同樁徑等效應(yīng)力分布

雖然樁身下部的應(yīng)力隨著樁徑增大而增大，但增長較小，而樁身中上部的應(yīng)力隨著樁徑的增大顯著減小，可知樁徑越大，樁身平均等效應(yīng)力越小，遠低于材料的屈服強度且分布較均勻，從而說明了樁徑越大，樁身抵抗水平荷載的能力越強.

2.2 豎向荷載計算結(jié)果分析

在樁頂逐級加載豎向荷載，大小從0至20 000 kN，得到的荷載－沉降曲線與樁身軸力圖如圖5所示.

圖5 各樁Q－s曲線對比

考察各樁的Q－s曲線，可以看到隨著樁徑增大，各樁的荷載－沉降曲線呈現(xiàn)緩慢變化、沒有陡升的勢態(tài).樁徑較小例如4m、4.5m的樁，其沉降曲線的斜率較大，而樁徑較大單樁的沉降曲線則更加平緩，當樁徑從4m增加到4.5m時，沉降的減小最明顯，往后隨著樁徑增大，沉降量降低的速率也逐漸放緩.

由于樁徑較大的樁其樁端樁土接觸面積比樁徑較小的樁大，在受到同等大小的豎向荷載時，細樁樁端與樁端土之間的壓強要高于粗樁，使得單位面積的樁端土體的變形較粗樁大，所以細樁的Q－s曲線走勢比粗樁略微陡峭.另外，Q－s曲線的斜率在0～14 000 kN呈線性增長，只是不同樁徑的的斜率大小略有不同，當荷載超過14 000kN時，Q－s曲線開始出現(xiàn)上揚的態(tài)勢，且樁越細，斜率的增長越明顯.該現(xiàn)象說明此時樁側(cè)摩阻力已充分發(fā)揮，額外的荷載完全由樁端阻力承擔，但樁端土仍在彈性形變范圍內(nèi)，因此Q－s曲線并未出現(xiàn)明顯拐點.細樁的樁端土較于粗樁承受更大的壓強，所以土體形變較大直接導(dǎo)致沉降較大.隨著荷載的增大，細樁比粗樁更早地進入塑性破壞階段.

圖6反映了在20 000kN豎向荷載下各樁軸向應(yīng)力隨深度的變化趨勢，可以看到，各樁的軸力在樁頂處（25m）最大，隨著深度的增加，軸力急劇減小，且軸力衰減的速率隨著樁身入土深度的增大而增大，這從側(cè)面反映了樁側(cè)摩阻力的工作機理：土體受到重力作用，隨著深度的增加，樁周土體對樁身的側(cè)向土壓力也隨之增大，根據(jù)側(cè)摩阻力計算公式可知，相同摩擦系數(shù)下壓力越大摩阻力也越大，從而表現(xiàn)為樁側(cè)摩阻力隨著深度增加而增大，但側(cè)摩阻力的增大并不是無限制的.

圖6 樁身軸向應(yīng)力分布

圖7上側(cè)摩阻力在靠近樁端（0m）時急劇減小，而軸力減小的速率沒有明顯降低，豎向荷載在樁身的壓縮形變與樁側(cè)摩阻力共同作用下已抵消殆盡，使得樁端在抵抗豎向荷載方面負擔較小，所以靠近樁端時雖然樁側(cè)摩阻力發(fā)生衰減，但軸力還在急劇減小.除此之外，樁身軸力隨著樁徑的增大而減小，結(jié)合圖7可以看到，作為大直徑樁，不同樁徑的樁側(cè)摩阻力也不同，樁徑越大，摩阻力也越大，而不能像普通樁那樣可以忽略樁徑的改變對側(cè)摩阻力的影響，說明了在同等大小的豎向荷載下，樁徑較大的樁其樁側(cè)摩阻力在總荷載分擔中的比重也較大，且樁側(cè)摩阻力的荷載分擔比重隨著樁入土深度的增加而增大，進而減輕了樁端的負擔，降低了樁端土壓力，而樁端土壓力與樁身軸力密切相關(guān)，圖6最直觀的反映就是樁徑最大的6.5m單樁其軸力最小，且由于樁徑越大的樁其樁側(cè)摩阻力隨著深度的增加分擔比重越大，導(dǎo)致樁端（0m）處的土體抗力隨著樁徑增大而減小，進而樁端軸力也是隨著樁徑的增大而減小，在圖6上可以直觀看到樁端（0m）處的軸力的減小與樁徑的關(guān)系.結(jié)合圖5～6，從強度剛度上論證了在同等材料用量下，樁徑越大，豎向承載力越高，穩(wěn)定性越好.

圖7 樁側(cè)摩阻力分布

由圖7還可看到，樁側(cè)摩阻力隨深度增長的速率很快.這是由于單樁的長徑比較小，屬于短樁形變，在受上部豎向荷載作用下，樁身受到壓縮產(chǎn)生的變形可以忽略不計，樁頂位移即可視為樁端位移，所以并不會出現(xiàn)中長樁在豎向荷載作用下，由于樁發(fā)生壓縮形變，使得樁身下部的樁側(cè)摩阻力沒有充分發(fā)揮的情況［9］.所以短樁的樁側(cè)摩阻力曲線不會像中長樁呈現(xiàn)出沿深度方向較為緩和增長甚至逐漸衰減至零的態(tài)勢.除此之外，圖7反映的樁側(cè)摩阻力在靠近樁端時突然減小則是由于越靠近樁端，樁端土的支撐力的影響越大，從而減輕了樁身下部側(cè)摩阻力的負擔，進而樁側(cè)摩阻力變小.當短樁發(fā)生較大形變時可視為樁側(cè)摩阻力已充分發(fā)揮，繼續(xù)增大的豎向荷載將全部由樁端土承擔.

3 結(jié) 論

通過對6組不同樁徑不同壁厚的大直徑單樁的數(shù)值模擬對比分析，得到以下結(jié)論：1）相同工況下，樁徑較大的樁雖然樁壁變薄，仍擁有較好的安全儲備.但通過單純增大樁徑同時減小壁厚來提高樁身剛度與穩(wěn)定性的效果卻隨著樁徑的增大而減小.2）大直徑單樁的Q－s曲線并沒有明顯拐點，而是呈現(xiàn)緩慢變化、沒有陡升的勢態(tài)，且樁徑越大沉降量越小，表明大直徑單樁相較于普通樁不容易發(fā)生刺入破壞，結(jié)構(gòu)剛度較好，且這種優(yōu)勢隨著樁徑變大而愈發(fā)明顯.3）大直徑單樁樁側(cè)摩阻力隨著樁徑的增大而增大且變化明顯，不同于細樁可以忽略不計.4）短樁的樁側(cè)摩阻力隨著深度的增加快速增大，靠近樁端突然急劇減小，并不出現(xiàn)中長樁的樁側(cè)摩阻力沿著深度方向緩慢增加甚至逐漸衰減直至為零的現(xiàn)象.

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