海上風電單樁基礎周圍土體地震液化分析*

劉紅軍， 王 超

(1.中國海洋大學海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室，山東 青島 266100； 2.中國海洋大學環(huán)境科學與工程學院，山東 青島 266100)

海上風電單樁基礎周圍土體地震液化分析*

劉紅軍1， 王 超2

(1.中國海洋大學海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室，山東 青島 266100； 2.中國海洋大學環(huán)境科學與工程學院，山東 青島 266100)

基于室內(nèi)土工動三軸土體液化試驗,采用有限元分析計算與剪應力比較法相結合的綜合判別方法,對于黃河三角洲地區(qū)海上風電單樁基礎周圍土體是否會液化進行了判斷，并且通過對比不同位置處土體單元受力情況，總結出單樁基礎的存在對于其周圍土體地震荷載作用下動力響應的影響。研究發(fā)現(xiàn)，土體液化只會在一定深度內(nèi)發(fā)生，12 m以下土體由于上覆有效應力較大基本不會發(fā)生液化。單樁基礎對于樁內(nèi)土體約束作用十分明顯，同時會劇烈加大樁側(cè)土體的受力。本文通過對土體施加X軸方向上的加速度的方式模擬地震作用，結果顯示，位于單樁基礎X軸方向上的土體單元相較于Y軸方向上等距離的土體單元，受到的剪應力振蕩幅度要大的多。

海上風電； 單樁基礎； ABAQUS； 地震荷載； 抗液化剪應力

風能是是一種清潔、可再生的能源，尤其是海上風力發(fā)電具有風速大且穩(wěn)定、不占用陸地資源、建設周期短、運營成本低等優(yōu)勢，越來越受到重視。相關統(tǒng)計顯示，到2013年底為止，歐洲地區(qū)已有69座海上風電場2 080臺海上風機運營，總裝機容量超過6 600 MW，此外另有超過3 000 MW的海上風機正在建設中[1]。與此相對的，中國目前已有海上風電總裝機容量約為430 MW。據(jù)最新公布的數(shù)據(jù)顯示2014—2016年中國計劃要建成總裝機容量1 053 MW的海上風機[2]。

國家發(fā)改委會曾經(jīng)頒布過風能資源評價技術規(guī)定，年有效風能密度能達到200 W/m2以上則屬于風能豐富區(qū)。據(jù)其測定，黃河三角洲的風能年平均有效小時數(shù)和年平均風功率密度均符合標準。尤其是濱州市，海岸線長達240 km，是中國重要的風能地區(qū)之一[3]。目前黃河三角洲地區(qū)風電項目已在規(guī)劃中。海上風電項目基礎型式豐富，其中應用最為廣泛的是單樁基礎。單樁基礎施工周期短，施工工藝較為簡單且價格較低，而且建成后占用海床面積最小，具有承載力高、沉降量小且均勻的特點。目前歐洲建成和規(guī)劃的海上風電機組的60%左右都是采用單樁基礎。東海大橋海上風電場(中國第一個建成的海上風電項目)采用了直徑4.8 m，長度50 m的鋼管樁[4]。黃河三角洲水深小于20 m的灘涂和淺海區(qū)域廣闊，適用目前應用較廣的海上風電單樁基礎。

許多學者已經(jīng)就海上風電單樁基礎展開了研究并取得了一定的成果。祁德慶等對非線性波浪作用下風機單樁基礎結構響應進行研究，分析出結構頂部的位移頻率譜曲線[5]。榮維棟等采用三種地震波和兩種水深的波浪荷載任意組合的方式，通過ANAYS有限元模擬完成了海上風電單樁基礎在波浪地震聯(lián)合作用下的動力特性分析[6]。N. Alati等對帶三腳架和鋼支架的單樁基礎在地震作用下的動力響應的研究證明了地震荷載對于樁基礎受力影響顯著，并對于海上工作承臺的地震危險性進行了風險評估[7]。袁宇等綜合利用ANAYS有限元模擬及p-y曲線法，在充分考慮樁土相互作用的前提下得到了海上風機全斜樁承臺與全直樁承臺在地震動力荷載作用下的動力響應[8]。I. Anastasopoulos等通過施加地震荷載和環(huán)境荷載研究了不同深度的單樁基礎的動力響應的區(qū)別[9]。目前已有的研究對于海上風機單樁基礎動力荷載作用下的分析大都集中在對于樁身內(nèi)力及位移分析方面，對于樁周土的研究尚不多見。黃河三角洲地區(qū)地處飽和粉土帶，飽和細粒土在地震這種頻率較高的動力荷載作用下很容易發(fā)生較大規(guī)模的液化現(xiàn)象。本文重點分析樁周地基土在地震荷載作用下的動力響應，進行液化判別。研究成果可以為海上風電場建設提供一定參考。

1 有限元模型

本文首先對于地震荷載作用下的海上風電單樁基礎周圍土體的動力響應進行分析計算，選用大型有限元計算軟件為ABAQUS。ABAQUS是一款功能強大的有限元軟件，擁有多種多樣的模型庫，可以模擬很多類型的材料，其中包括金屬、橡膠、復合材料、土壤和巖石等，尤其是在巖土工程領域內(nèi)，擁有多種巖土本構模型可供選擇，彈性或是彈塑性模型計算都可以很好的完成。

1.1 物理參數(shù)及模型設置

單樁基礎為鋼管樁，直徑6 m，厚度60 mm，長40 m，入土20 m深。土體模型直徑60 m，深度25 m。數(shù)值模擬中所需土體參數(shù)來自于青東、墾東地區(qū)現(xiàn)場所取原狀樣在室內(nèi)土工實驗室測定。黃河口地區(qū)地層條件十分復雜，為了減少數(shù)值模擬過程的難度，本文將土體劃分為兩層，分別采用黃河三角洲地區(qū)比較有代表性粉質(zhì)黏土和粉土。因為土體液化深度有限，為了保證兩層不同土質(zhì)均有機會參與液化反應，所以上層粉質(zhì)黏土層設置為4 m，以下直到25 m均為粉土層。模型參數(shù)見表1。表1中ρ為材料密度，E為彈性模量，μ為泊松比，c為粘聚力，φ為內(nèi)摩擦角。

1.2 模型建立

本文建立的模型包括鋼管樁和地基土兩部分，模型參數(shù)上文已經(jīng)列出。在有限元模擬過程中必須注意的還有兩個部件之間的接觸和相互作用。樁端直接與土體綁定，樁體表面與土體在動力荷載作用下發(fā)生相對位移時的相互作用遵循Mohr-Coulomb摩擦定律，摩擦系數(shù)取0.30。大直徑鋼管樁樁內(nèi)土體對于樁身的穩(wěn)定性及承載性能均有較大影響，在進行分析時必須予以考慮。在本文的模型中，設置樁內(nèi)土體與樁外土體高度相同，且對于樁身內(nèi)側(cè)與樁內(nèi)土體的接觸的與樁身外側(cè)與土體的相同。網(wǎng)格劃分后的模型見圖1。

1.3 地應力平衡

自然界的海床，不論何種土質(zhì)，都已經(jīng)經(jīng)過了在重力作用下的很長時期的固結沉降，達到了穩(wěn)定狀態(tài)，本文把這種穩(wěn)定狀態(tài)稱為初始地應力狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，土體內(nèi)本身具有恰好與重力相平衡的應力。這種內(nèi)部應力可以保證土體在不受外力作用時不發(fā)生大規(guī)模的沉降。而我們建立的有限元模型是沒有內(nèi)部應力的。如果直接在建立的模型上加載動力荷載進行計算，那么土體必然會同時受重力影響發(fā)生固結沉降，導致最后的計算結果中位移與應力都遠遠大于實際值。為了有效模擬實際情況，必須在加載動力荷載之前通過初始條件的設置使土體達到初始地應力狀態(tài)。但是知道土體內(nèi)部應力的真實數(shù)值是很困難的，為此采取的方法為：施加動力荷載前，對整個模型施加重力荷載，得到的土體內(nèi)部應力作為初始條件寫入模型中，再施加重力以平衡。經(jīng)過此過程后，土體在重力荷載下的位移小于10-4m，符合工程中的精度要求。

1.4 地震荷載

本文研究針對黃河三角洲地區(qū)，該地區(qū)抗震設防烈度為7度，根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50487-2008)中規(guī)定，對于抗震設防烈度為7度的地區(qū)，計算地震作用時地震加速度時程的最大值取0.1倍的重力加速度，本文約取為1 m·s-2。

1976年天津?qū)幒拥卣鹩涗浺约?940年美國加利福尼亞州帝谷地震在EI Centro臺站的記錄等兩列地震波因為記錄較為準確因而被廣泛地應用于地震分析中。為了減少偶然性的計算失誤，本文同時采用此兩列地震波。寧河天津地震波記錄的最大加速度值為1.458 m/s2，所以應將此地震波的加速度時程曲線同步除去1.458而后得到新的加速度時程曲線并將其加載到土體上。采用地震波的前15 s。波峰1 m·s-2出現(xiàn)在7.64 s。同理，EI地震波亦需要調(diào)幅處理，波峰1 m·s-2出現(xiàn)在7.11 s。

在利用ABAQUS軟件計算地震力作用時，在土體底面x方向施加隨時間變化而變化的加速度，地震加速度時程曲線如圖2所示。

2 動三軸試驗及剪應力比較法

ABAQUS有限元模擬軟件擁有前文所述的諸多優(yōu)點，但是在進行海床土體流固耦合計算的時候，ABAQUS無法輸出土體孔隙水壓力是一大不足。本文采用ABAQUS有限元計算與剪應力比較法相結合的方法來進行液化判定。

本文采用勝利油田青東、墾東地區(qū)標準地層勘察項目中在該地區(qū)所取原狀樣進行室內(nèi)動三軸試驗所得的結果來計算土體抗液化剪應力。

試驗采用W3ZB-20型微機控制電液伺服土動三軸試驗機進行測定土樣抗液化強度的應力控制振動三軸試驗，激振波形采用正弦波，試樣尺寸采用φ=39.5 mm×80 mm，激振頻率選用1 Hz。試驗中采用3個固結壓力分別為95、115和125 KPa。1個固結比為Kc=1.0。

目前工程上多以初始液化或軸向應變值εd=5%作為破壞標準，即動三軸試驗的終點。在本次試驗中,采用5%軸向應變作為液化破壞標準。

2.1 抗液化剪應力計算

天然埋藏狀態(tài)下土層的抗液化剪應力可由下式來確定：

依據(jù)上述公式，由動三軸試驗數(shù)據(jù)可以得到黃河口三角洲地區(qū)不同土體深度處抗液化剪應力計算結果如表2所示。因為本文所研究土體均為海床土，因而在計算過程中均取其土體的浮容重。

2.2 最大剪應力計算

Seed剪應力比較法[10]中剪應力是通過公式將地震作用轉(zhuǎn)化為等效循環(huán)剪應力。本文通過ABAQUS來模擬土體地震作用下動力響應進而輸出土體單元受到的最大剪應力，以此與抗液化剪應力對比，通過兩者的大小關系來對土體進行液化判別。

Tresca屈服條件又稱最大切應力不變條件，是根據(jù)最大剪應力來判定屈服的。所以不難得出土體單元的Tresca應力值與土體剪應力值有函數(shù)關系如下：

σtresca=σ1-σ3=2τ0。

式中σtresca為土體的Tresca應力值。

如前文所述，ABAQUS無法輸出土體孔隙水壓力。但是ABAQUS豐富的模型庫和強大的計算及后處理功能使得其計算的土體應力十分可靠。本文通過輸出土體單元在整個地震作用過程中的Tresca應力時程曲線。由此可以得到土體單元的剪應力時程變化曲線，取其最高點即可得到土體單元在整個過程中的最大剪應力τmax。因為地震作用無規(guī)則，而且最大加速度作用時間很短，因而取等效剪應力τav為液化判別指標。Seed簡化法在提出時對于兩者的大小給出了倍數(shù)關系：τav=0.65τmax，通過0.65這一修正系數(shù)將隨機振動轉(zhuǎn)換為等效均勻循環(huán)振動，此后數(shù)十年的研究及應用中均采用這一數(shù)值。本文沿用此修正系數(shù)對數(shù)值計算結果進行處理。將同一土體單元的等效剪應力τav與其抗液化剪應力進行比較就可以對土體單元是否液化做出判斷。根據(jù)所有液化的土體單元即可確定液化的區(qū)域。

3 輸出結果分析

根據(jù)有限元軟件輸出結果，取各個土體單元在整個數(shù)值模擬過程中最大的Tresca應力，計算出相應的τav，并與之前已經(jīng)計算得出的抗液化剪應力列表對比，液化判別結果如表2所示。

3.1 單樁基礎對土體受力的影響

通過計算輸出結果可以明顯看出地震荷載的作用下，模型周邊的地基土與圍繞樁周圍的土體單元的動力響應是完全不同的。尤其是單樁基礎深入地基土達到20 m，必然會對周邊土體在動力加載過程中的表現(xiàn)有很大影響。同時，單樁基礎的X軸方向上的土體與Y軸上的也有很大區(qū)別，這說明單樁基礎對于周邊土體既有固定約束作用，又有動力擠壓作用，即便土體單元與單樁基礎距離相同但是方向不同受到的綜合作用也是不同的。

3.1.1 選取研究關注的土體單元 為了更好的表現(xiàn)不同位置處土體單元的區(qū)別，進而得到單樁基礎的存在對于土體在地震荷載作用下動力響應的作用，本文選取了幾個處于不同位置的土體單元，并標記如下。A點為樁中心處；B點在單樁基礎的X軸方向上并且距離單樁基礎5 m；C點在單樁基礎的X軸方向上并且距離單樁基礎30 m。D、E、F點水平相對位置與A、B、C點同時埋深為5 m。與之相對的，G、H、N、M點相對位置與以上諸點相同，只是均位于單樁基礎Y軸方向上。如圖5所示。

將所選取的不同土體單元的Tresca應力時程數(shù)據(jù)輸出并畫成曲線，進行單樁基礎不同相對位置處的土體單元受力情況對比，從而得到單樁基礎的存在對于土體的影響。

3.1.2 0 m深度不同位置處土體單元受力情況對比 在0 m深度處，分析數(shù)據(jù)可以得到曲線如圖6、7、8。

A、B、C點同在深度0 m的海床面上，由圖6可以看出，A點由于處于鋼管樁中，鋼管樁對于樁內(nèi)的土體單元約束作用很強，樁內(nèi)土體單元受力情況相對而言較為穩(wěn)定。距離單樁基礎5 m處B點的土體單元距離

單樁基礎有一定距離，由于單樁基礎的撞擊作用而受力變化幅度較大。在距離單樁基礎較遠的30 m處的C點，受到的更多的是地震通過土體自下而上傳導過來的動力作用，與B點相比較而言和單樁基礎相互作用的部分減弱。這也解釋了為何靠近單樁基礎外側(cè)的土體單元更容易發(fā)生液化。

B、G兩點分別為X、Y軸方向上距離單樁基礎5 m的土體單元，C、H兩點分別為X、Y軸方向上距離單樁基礎30 m的土體單元。通過圖7與8可以明顯看出，距離單樁基礎距離相同的情況下，由于輸入的地震作用為X軸方向上的水平加速度，因而單樁基礎與在其X軸方向上的土體單元之間的動力相互作用更強，即單樁基礎因物理、力學性質(zhì)的區(qū)別，其存在與否會對周圍土體在動力荷載作用下的受力情況產(chǎn)生較大的影響。

3.1.3 5 m深度不同位置處土體單元受力情況對比 在土體的5 m深度處，分析數(shù)據(jù)可以得到如下曲線：

根據(jù)圖9、10、11可以看出，5 m深度處土體單元的受力的趨勢及大小關系和前文分析的0 m海床面處大同小異，只是因為深度處于5 m處，環(huán)境對于研究對象的約束更加嚴格，因而單樁基礎和土體表現(xiàn)出的活動性都較差，同時因無法通過運動的方式排解從而造成了應力的積聚?？傮w而言，5 m深度處的土體單元受到的剪應力在數(shù)值上來說是更大的。

4 結論

綜上所述，正因為鋼管樁在物理、力學性質(zhì)上與土體存在巨大區(qū)別，所以單樁基礎周圍土體在動力荷載作用下的動力響應與自由海床相比較有很大的不同。

根據(jù)前述判別結果進行分析，可以得到如下結論：

(1)地震造成的液化受土體深度的因素影響， 0～6 m土層內(nèi)，土體單元的66.7%發(fā)生了液化；在6～12 m深度區(qū)間，有16.97%的土體單元發(fā)生了液化；12 m以下土體單元未發(fā)生液化。總體上來看，隨著土體深度的影響，土體所受到的上覆土層壓力逐漸增大，導致抗液化剪應力增大，液化的土體單元數(shù)量減少非常明顯。只有深度小于12 m的土體才會隨深度的不同或多或少有土體單元發(fā)生液化；當土體深度大于12 m時，土體基本不發(fā)生液化，這是因為自重壓密的影響。

(2)單樁基礎樁內(nèi)的土體單元受力較小，不容易發(fā)生液化，而在單樁基礎外部的土體單元則明顯受到所處位置的影響。發(fā)生液化的土體單元主要分布在沿X軸經(jīng)過單樁基礎的位置，在單樁基礎Y方向上的土體尤其是遠離單樁基礎的土體單元液化程度明顯偏低。

(3)單樁基礎對于樁內(nèi)土體具有較強的約束作用，相當于室內(nèi)試驗中額外添加的圍壓，所以樁內(nèi)的土體受到約束固定作用較為明顯；同時嚴重遠離單樁基礎的土體受單樁影響較小，此二者均不易發(fā)生液化。而在其他區(qū)域的土體單元，既受到單樁基礎的固定約束作用，又受到振動過程中單樁基礎的撞擊動力作用，處于單樁基礎Y軸方向上的土體單元受到的固定作用大于動力作用，液化程度明顯較弱；而X方向上在振動過程中與單樁基礎發(fā)生了強烈的相互撞擊，因而受到的動力作用遠遠大于固定作用，大部分發(fā)生了液化。

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責任編輯 龐 旻

Study on Seismic Response and Liquefaction of Soil Around Pile Foundation of Offshore Wind Power

LIU Hong-Jun1， WANG Chao2

(1.The Key Lab of Marine Environmental Science and Ecology, Ministry of Education, Qingdao 266100, China; 2.College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

The paper estimates that if the soil around Pile Foundation of Offshore Wind Powerin the Yellow River Delta would liquefy with both the finite element analysis of seismic response and the shearing force comparison method. Via comparison of different elements, the influence of the single pile foundation is summarized. The study found that the soil below 12 m would not liquefy because of the effective stress of above layers. The single pile foundation constraints the soil in it effectively, meanwhile increasing force of the soil around it. The paper implements acceleration along the X axis, so that the soil elements locating along the X axis subject much more stress than those along the Y axis.

offshore wind power； single pile foundation； ABAQUS； seismic load； anti-liquefaction shear stress

國家自然科學基金項目“波浪作用下海上風電場樁基土體液化響應研究—以黃河三角洲為例”(41572247)；山東省科技攻關資助項目“黃河三角洲海上風電場樁基設計關鍵技術研究”(2014GGX104007)資助

2016-04-07；

2016-06-27

劉紅軍(1966-)，男，教授，博導，主要從事海洋工程地質(zhì)方面的科研工作。E-mail:hongjun@ouc.edu.cn

P736.1

A

1672-5174(2017)04-093-07

10.16441/j.cnki.hdxb.20160118

劉紅軍， 王超. 海上風電單樁基礎周圍土體地震液化分析[J]. 中國海洋大學學報(自然科學版), 2017, 47(4): 93-99.

LIU Hong-Jun， WANG Chao. Study on seismic response and liquefaction of soil around pile foundation of offshore wind power[J]. Periodical of Ocean University of China, 2017, 47(4): 93-99.

Supported by National Nature Science Funds Research on Liquefaction Reponse of Soil Body Around Pile Foundation of Offshore Wind Turbine Under Wave Conditions—Taking Yellow River Delta as the Case(41572247)，Research on Key Techniques in Pile Foundation Design of Offshre Wind Farm in Yellow River Delta (2014GGX104007)