豎向荷載作用下吸力基礎(chǔ)周圍土體破壞方式及變形規(guī)律研究

孟艷春 王 璐

（青島黃海學院，山東 青島 266427 ）

近年來，隨著國家對海洋資源的開發(fā)和利用，海上風電技術(shù)得到了推廣和應(yīng)用，但相對于傳統(tǒng)陸上風電，海上風電的安裝建設(shè)成本比較高，達20%～30%，而傳統(tǒng)陸上風電只需10%左右[1]。因此，解決海上風電基礎(chǔ)海上打樁、安裝問題成為重點。目前，國際上普遍采用的基礎(chǔ)形式主要有以下幾種：單樁基礎(chǔ)、群樁基礎(chǔ)、重力式基礎(chǔ)、吸力基礎(chǔ)和多桶吸力基礎(chǔ)。

由于吸力基礎(chǔ)與傳統(tǒng)的海上風電基礎(chǔ)相比，不僅工程造價更加低廉、施工安裝更加方便快捷、而且，受海上環(huán)境變化影響較小且基礎(chǔ)可回收利用，使得吸力基礎(chǔ)這種新型基礎(chǔ)形式近年來在海上風電工程中得到了廣泛應(yīng)用[2,3,4]。吸力基礎(chǔ)一經(jīng)提出，就得到國內(nèi)外專家學者的廣泛關(guān)注。針對吸力基礎(chǔ)的多項性能，主要包括沉貫性能、抗拔性能及承載性能等，國內(nèi)外學者采用多種研究方法，包括模型試驗、理論分析、數(shù)值模擬等對吸力基礎(chǔ)進行分析研究。Byrne 等[5]借助復雜的加載設(shè)備，采用swipe 加載方式，在砂土地基中對吸力基礎(chǔ)在多種荷載作用下進行承載力1g 模型試驗。試驗結(jié)果表明，加載頻率對基礎(chǔ)的承載性能影響甚微。Supachawarote 等[6-7]利用ABAQUS 有限元模擬軟件，對處于軟粘土中的吸力基礎(chǔ)在傾斜荷載作用下的破壞特性和承載特性進行分析研究，改變基礎(chǔ)的長徑比，繪制出相應(yīng)的承載力破壞包絡(luò)線，并將有限元結(jié)果與上限法結(jié)果進行比較，發(fā)現(xiàn)有限元結(jié)果與試驗結(jié)果更接近。李馳等[8]借助FLAC3D 軟件對飽和砂土地基中的吸力基礎(chǔ)進行有限元模擬，探究了基礎(chǔ)周圍土體變形受動荷載的影響。黎冰等[9]為了分析砂土中基礎(chǔ)長徑比、荷載作用點及作用角度對基礎(chǔ)抗拔承載特性的影響，對吸力式沉箱基礎(chǔ)進行了室內(nèi)模型試驗。呂陽等[10]為了尋找基礎(chǔ)的貫入阻力和土塞高度在不同吸力作用下的變化規(guī)律，借助數(shù)值模擬軟件對黏土中吸力筒的大變形沉貫過程進行了模擬研究。郭彥雪[11]采用ABAQUS 有限元數(shù)值模擬的方法，對飽和砂土地基中裙式吸力桶形基礎(chǔ)的豎向承載性能進行分析，并驗證了裙寬對基礎(chǔ)承載力的影響，另外對基礎(chǔ)的破壞機制進行了探究。

與陸上風電基礎(chǔ)不同，海上風電基礎(chǔ)除受上部結(jié)構(gòu)傳來的自重以外，還受到波浪、風等產(chǎn)生的水平靜荷載作用和循環(huán)荷載動力響應(yīng)，同時，還會受到洋流的沖刷作用和風暴潮、臺風等極端海洋氣候?qū)A(chǔ)產(chǎn)生的瞬時荷載作用[12]。李大勇等針對上述海上風電基礎(chǔ)的受力特點，同時受加肋式吸力基礎(chǔ)[13]的啟示，提出了一種新型吸力基礎(chǔ)-裙式吸力基礎(chǔ)[14]。相比于傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)，裙式吸力基礎(chǔ)增加了“裙”結(jié)構(gòu)，有效地提高了吸力基礎(chǔ)的抗沖刷能力，承載性能和抗拔能力，延長了基礎(chǔ)的使用年限，更適合用于海上風機的基礎(chǔ)。 總結(jié)國內(nèi)外已有研究成果，已經(jīng)取得了在不同荷載作用下關(guān)于裙式吸力基礎(chǔ)沉貫性能和水平承載性能的諸多成果，但對于豎向荷載作用下吸力基礎(chǔ)周圍土體的變形規(guī)律和破壞方式的研究，還比較匱乏，值得進一步研究。

1 有限元模型及參數(shù)設(shè)置

基于吸力基礎(chǔ)模型（圖1）的特點，選用有限元軟件ABAQUS 中的CAX4單元對其進行模擬，飽和砂土選用單元類型為CAX4R的Mohr-Coulomb 模型。

基礎(chǔ)與飽和砂土之間設(shè)置類型為主-從面接觸的接觸面，并將主面選取為剛度較大的吸力基礎(chǔ)面，采用0.25 這一摩擦系數(shù)。吸力基礎(chǔ)及砂土物理力學參數(shù)如表1 所示。

表1 材料參數(shù)設(shè)置

圖1 吸力基礎(chǔ)模型剖面

圖2 有限元計算模型

為了消除砂土地基的邊界效應(yīng)對基礎(chǔ)承載力的影響，數(shù)值模擬的邊界范圍如下：水平方向選取10 倍桶徑，豎直方向選取5 倍基礎(chǔ)高度（圖2）。以水平向約束作為有限元模型的邊界側(cè)面，固定約束作為底面，頂面設(shè)置為自由邊界。有限元模擬的加載方式采用位移控制，最大位移為0.005 mm，與吸力基礎(chǔ)相關(guān)試驗的比例保持一致。

有限元模擬所采用的吸力基礎(chǔ)模型編號說明如下（以II-3W6H 為例）：“II”表示主桶長徑比為2，“3W”表示裙寬D2 為50 mm，“6H”表示裙高L1 為60 mm。文中吸力基礎(chǔ)的有限元模型尺寸，見下表。

表2 吸力基礎(chǔ)有限元模型尺寸 單位: mm

2 計算結(jié)果及分析

通過討論傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)及裙式吸力基礎(chǔ)的破壞方式，以及“裙”尺寸對裙式吸力基礎(chǔ)位移、應(yīng)變分布的影響，研究了基礎(chǔ)破壞時周圍土體的變形范圍以及破壞機理。

2.1 傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)

對砂土地基來說，會發(fā)生整體剪切破壞或者局部剪切破壞。借助ABAQUS有限元軟件，對豎向承載力作用下不同長徑比的吸力基礎(chǔ)模型進行模擬，得到破壞時的塑性應(yīng)變分布圖（見圖3）、位移矢量曲線（如圖5），并對豎向荷載作用下的傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)的破壞方式進行分析。

圖3 豎向單調(diào)荷載作用下傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)的等效塑性應(yīng)變分布圖

對圖3 進行分析，發(fā)現(xiàn)在豎向單調(diào)荷載作用下，傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)塑性區(qū)的發(fā)展局限于土體中的某一范圍內(nèi)，即在基礎(chǔ)底部下方及周圍形成類似對數(shù)螺線型的塑性變形區(qū)。這是因為隨著傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)的下沉，基礎(chǔ)主桶與地基接觸區(qū)域會產(chǎn)生較大的剪切破壞，進而造成基礎(chǔ)兩側(cè)與土體接觸區(qū)域破壞較大。此外，傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)在豎向單調(diào)荷載的作用下，其頂部兩側(cè)與土體接觸區(qū)域會產(chǎn)生裂縫，即沉陷范圍。因此，在飽和細海砂中，傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)在豎向單調(diào)荷載作用下的破壞形式為整體剪切破壞。

3 結(jié)論

采用有限元模擬的方法研究了地基土體在荷載下的變形規(guī)律，討論了傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)及裙式吸力基礎(chǔ)的破壞方式，分析了裙式吸力基礎(chǔ)周圍土體受“裙”結(jié)構(gòu)擾動的影響，得到以下結(jié)論：

（1）在飽和細海砂中傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)與裙式吸力基礎(chǔ)的破壞形式都屬于整體剪切破壞。在豎向單調(diào)荷載的作用下，兩種基礎(chǔ)塑性區(qū)的發(fā)展限制于地基中的某一范圍內(nèi)，即在基礎(chǔ)底部下方及周圍形成類似對數(shù)螺線塑性變形區(qū)。

（2）隨著裙高的增大，基礎(chǔ)對周圍土體的影響范圍增大，且距離基礎(chǔ)越近，土體的隆起量越大。

（3）相對于傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)，裙式吸力基礎(chǔ)周圍土體的沉陷范圍更大。當裙寬相同時，隨著裙高的增加，沉陷范圍逐漸減小。裙高的引入，能夠有效的控制基礎(chǔ)周圍土體的沉陷。