海上風(fēng)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(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120；2.福建省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，福建福州 350001；3.福州海峽發(fā)電有限公司，福建福州 350200）

引言

樁基礎(chǔ)是海上風(fēng)電中最常用的基礎(chǔ)形式[1]，隨著近年來(lái)海上風(fēng)電的大面積開(kāi)發(fā)，其遇到的地質(zhì)條件也趨于復(fù)雜，在海底淺層土中存在大量基巖的情況，傳統(tǒng)的樁基礎(chǔ)的施工方式不適用。嵌巖樁是指樁的下部有相當(dāng)一段長(zhǎng)度澆筑于堅(jiān)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(yù)制植入式嵌巖樁等[2-5]。

植入式嵌巖樁施工時(shí)先搭設(shè)鉆孔平臺(tái)，進(jìn)行地基處理后，使用鋼護(hù)筒及定位架保證定位準(zhǔn)確后使用沖擊鉆機(jī)進(jìn)行樁基成孔，然后將預(yù)制的鋼管樁吊入孔內(nèi)，最后進(jìn)行在樁外及樁底進(jìn)行混凝土灌注[6-7]。植入式嵌巖樁基礎(chǔ)由于其施工的復(fù)雜性，目前對(duì)于嵌巖樁結(jié)構(gòu)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(guò)有限元軟件研究了海上風(fēng)電植入式嵌巖樁的承載性能，并分析了樁外混凝土灌漿對(duì)其承載特性的影響。

1 有限元模型

1.1 結(jié)構(gòu)尺寸

對(duì)于植入式樁基礎(chǔ)，樁植入后進(jìn)行灌漿處理，填充與土體間的空隙。通過(guò)ABAQUS 建立模型[8-9]，樁徑為5.5-6.5 m，樁長(zhǎng)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(qiáng)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(shù)0.4?；炷僚c樁之間為摩擦接觸，摩擦系數(shù)0.6。其網(wǎng)格采用c3d8r單元，為節(jié)省計(jì)算量，同時(shí)保證計(jì)算精度，靠近樁體處網(wǎng)格加密，隨距樁體距離增加，網(wǎng)格逐漸變疏，模型剖面及網(wǎng)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(fēng)機(jī)荷載選用某海域6 MW 風(fēng)機(jī)荷載。樁身極限工況荷載見(jiàn)表1。

表1 極端工況荷載

1.3 土質(zhì)參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，擬研究機(jī)位的土質(zhì)參數(shù)選取如表2 所示：

表2 機(jī)位土質(zhì)參數(shù)

2 混凝土塑性損傷模型

混凝土損傷塑性模型是公認(rèn)的對(duì)混凝土非彈性行為模擬最為有效的模型?；炷猎诔惺芡夂奢d前就已有的微缺陷、微孔洞被稱之為“損傷”，其破壞過(guò)程就是各種尺度損傷(微孔洞、微裂縫)的發(fā)展演化和累積所造成的；在荷載尚未達(dá)到可使混凝土材料組分發(fā)生屈服或塑性流動(dòng)之前，混凝土作為整體已經(jīng)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(yīng)力數(shù)據(jù)可以表示為非彈性應(yīng)變的函數(shù)，必要時(shí)可加上應(yīng)變率、溫度以及場(chǎng)變量。

圖2 混凝土損傷塑性模型受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖2 中：ε un，σ un分別為卸載點(diǎn)的應(yīng)變和應(yīng)力；分別為無(wú)損傷的混凝土彈性受壓應(yīng)變和考慮損傷的混凝土受壓彈性應(yīng)變；分別為混凝土的受壓塑性應(yīng)變和受壓非彈性應(yīng)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(yīng)力數(shù)據(jù)可以表示為開(kāi)裂應(yīng)變的函數(shù)。超出彈性部分的受拉應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)在ABAQUS 中以的形式正值輸入，開(kāi)裂應(yīng)變定義為總應(yīng)變減去材料無(wú)損傷的彈性應(yīng)變，即，如圖3 所示。

圖3 混凝土損傷塑性模型受拉應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系

圖3 中：εun，σ un分別為卸載點(diǎn)的應(yīng)變和應(yīng)力；分別為無(wú)損傷的混凝土受拉彈性應(yīng)變和考慮損傷的混凝土受拉彈性應(yīng)變；分別為混凝土的受拉塑性應(yīng)變和受拉非彈性應(yīng)變[11]。

3 灌漿料參數(shù)對(duì)承載特性的影響

采用不同灌漿料強(qiáng)度以及灌漿厚度，研究其對(duì)承載特性的影響，混凝土采用C30、C40、C60 三種強(qiáng)度，灌漿厚度為40 cm，60 cm 兩種，相關(guān)工況見(jiàn)表3。

表3 灌漿料參數(shù)工況

3.1 混凝土開(kāi)裂分析

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)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(gè)階段，每個(gè)階段破壞部位不同。破壞區(qū)域集中在三個(gè)部位，C30-1 工況結(jié)果如圖4 所示。第一階段，在泥面處右側(cè)混凝土開(kāi)始破壞，隨著荷載增加，破壞區(qū)域逐漸向下發(fā)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(qū)域左側(cè)開(kāi)裂，破壞范圍隨荷載增加沿水平向和豎向擴(kuò)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(kāi)裂區(qū)域位于泥面下24-25 m，混凝土左側(cè)受拉開(kāi)裂，最終達(dá)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(kāi)裂破壞起始時(shí)刻對(duì)應(yīng)的外荷載，縱坐標(biāo)為相對(duì)于滿級(jí)荷載的百分比，橫坐標(biāo)為1、2、3 三個(gè)破壞階段起始時(shí)刻。隨著灌漿料強(qiáng)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(qiáng)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(duì)應(yīng)的破壞荷載

3.2 樁身變形分析

通過(guò)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(qiáng)度對(duì)樁身變形基本沒(méi)有影響。通過(guò)增加灌漿厚度，可以有效減小樁身變形。本次計(jì)算中，每種強(qiáng)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(shì)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(wú)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(fēng)化層上部附近，剪力值C60>C40>C30，弱風(fēng)化層剪力值相差不大。上述結(jié)果表明，隨著混凝土灌漿強(qiáng)度提高，混凝土在泥面處對(duì)樁的作用力減弱，在弱風(fēng)化層表面對(duì)樁的作用力增強(qiáng)。

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(qiáng)度提高，混凝土彎矩?cái)?shù)值變小，彎矩峰值點(diǎn)更靠下?；炷翉?qiáng)度越低，第三階段開(kāi)裂的范圍較大，根據(jù)3.1 節(jié)的結(jié)論，該處開(kāi)裂后彎矩峰值點(diǎn)會(huì)向上移動(dòng)，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(qiáng)度較低，第三階段開(kāi)裂較嚴(yán)重，其峰值點(diǎn)更靠上；C60-2 因強(qiáng)度較高，在第三階段的未完全破壞，還有一定的抗彎能力，導(dǎo)致開(kāi)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(yán)重，開(kāi)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(gè)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(gè)峰值處，剪力值C30-1>C40-1>C60-1；在第二個(gè)峰值處，剪力值C30-1

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

上述結(jié)果表明，隨著混凝土灌漿強(qiáng)度提高，混凝土在泥面處對(duì)樁的作用力減弱，在弱風(fēng)化層表面對(duì)樁的作用力增強(qiáng)。

圖10 混凝土剪力沿深度變化曲線

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于海上風(fēng)電植入式嵌巖樁基礎(chǔ)，采用有限元軟件ABAQUS 進(jìn)行數(shù)值模擬，考慮了樁外側(cè)灌漿料參數(shù)對(duì)嵌巖樁承載特性的影響，結(jié)果表明：

1）樁周灌漿混凝土破壞大致分為三個(gè)階段，從泥面到弱風(fēng)化層主要破壞位置共三處，每個(gè)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(qiáng)度對(duì)變形影響不大；

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