海上風(fēng)電超大直徑單樁基礎(chǔ)水平位移計(jì)算影響因素研究

張強(qiáng)林，吳衍劍，張祥龍

(中國電建集團(tuán)福建省電力勘測設(shè)計(jì)院有限公司，福建 福州 350003)

為改善我國能源結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性發(fā)展，在我國沿海風(fēng)能資源豐富區(qū)，目前正大力發(fā)展海上風(fēng)電工程，主要采用的基礎(chǔ)型式有單樁基礎(chǔ)、高樁承臺(tái)基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)等。

單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主要為通過將一根超大直徑單樁(最大直徑7～8米)打入海底土層一定深度來維持整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和變形要求，型式簡單，是目前最為常用的海上風(fēng)電基礎(chǔ)型式之一，在江蘇、廣東等地多個(gè)海上風(fēng)電場均有使用。

海上樁基的水平位移計(jì)算通常采用p-y法，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)p-y法對于較小直徑樁(如樁徑2 m左右)的水平位移計(jì)算較為精確，但對于這種超大直徑單樁由于尺寸效應(yīng)影響，應(yīng)用p-y法存在一定的誤差。為解決這個(gè)問題，通常是采用三維有限元軟件，考慮樁-土相互作用通過對單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)整體建模進(jìn)行計(jì)算與分析，而三維數(shù)值模擬計(jì)算所得到的結(jié)果是否可靠主要取決于模型相關(guān)參數(shù)的設(shè)置[1]。本文以莆田海域某風(fēng)電場項(xiàng)目中一個(gè)采用單樁基礎(chǔ)形式的機(jī)位作為研究對象，以大型有限元軟件ABAQUS為工具，通過對整體模型的靜力計(jì)算，分別對土體本構(gòu)關(guān)系、土體物理參數(shù)(如土體彈性模量、內(nèi)摩擦角、土體剪脹角)以及樁-土接觸模型設(shè)置等與泥面位置水平位移計(jì)算相關(guān)的參數(shù)展開敏感性分析，以確定位移計(jì)算的主要影響因素。通過此分析便于為后續(xù)類似工程的單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程背景資料

風(fēng)場理論水深15～25 m，設(shè)計(jì)高水位3.34 m，設(shè)計(jì)低水位為-2.95 m，50年一遇極端高水位和低水位分別為4.80 m和-4.05 m。風(fēng)機(jī)采用上海電氣7 MW風(fēng)電機(jī)組，風(fēng)場某機(jī)位地勘鉆孔資料、土層分布以及地勘提供的部分土層物理力學(xué)參數(shù)建議值如表1所示。

表1 土層分布及物理力學(xué)參數(shù)建議值

針對此機(jī)位鉆孔條件，實(shí)際工程中是按無過渡段的大直徑單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)方案為：鋼管樁樁頂標(biāo)高為16.0 m，樁端標(biāo)高為-70.0 m，泥面處標(biāo)高為-23.4 m，樁基基礎(chǔ)埋深為46.7 m。鋼管樁上部與塔筒底部連接處的樁身直徑為6 m，鋼管樁底部直徑為7.8 m，樁身中部通過變直徑椎體進(jìn)行過渡連接。鋼管樁材質(zhì)及力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 鋼管樁材質(zhì)及力學(xué)參數(shù)

2 單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)整體有限元數(shù)值分析模型

2.1 有限元模型

根據(jù)地勘資料及樁體參數(shù)，采用大型有限元軟件ABAQUS實(shí)體單元建立整體分析的有限元模型，如圖1所示。

圖1 有限元數(shù)值模擬計(jì)算模型示意圖

其中鋼管樁與土體均采用C3D8R單元模擬，樁土之間采用接觸面模型。在樁-土接觸面附近的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，對于遠(yuǎn)離接觸面的土體模型邊界處網(wǎng)格適當(dāng)加粗處理。

計(jì)算基準(zhǔn)模型中鋼管樁視為理想彈性材料，土體結(jié)構(gòu)采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型。樁-土接觸面采用主-從(Master-Slave)接觸算法，以樁體為主面，土體為從面，接觸面切向按庫倫罰函數(shù)模型設(shè)置，滑動(dòng)摩擦系數(shù)取樁與土層摩擦角的正切值，接觸面的法向?qū)傩栽O(shè)置為硬接觸。

為了避免土體邊界效應(yīng)對于計(jì)算結(jié)果的影響，模型周邊土層按半徑50 m圓柱體設(shè)置，土層高度為100 m。周邊土體徑向位移約束，土體底部固定。

2.2 荷載組合

本次研究的工況組合依據(jù)《海上風(fēng)電場工程風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB/T 10105-2018)確定，主要考慮風(fēng)機(jī)荷載與波流荷載，選取正常使用極限工況進(jìn)行變形計(jì)算，其中風(fēng)機(jī)荷載為主要荷載，波流荷載為次要荷載。正常使用極限工況下的荷載設(shè)計(jì)值如表3所示。此荷載作用沿水平軸正向作用于結(jié)構(gòu)模型上。

表3 正常使用極限工況的荷載設(shè)計(jì)值

3 單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)變形計(jì)算影響參數(shù)敏感性分析

針對ABAQUS軟件所建立的整體模型，采用控制變量法(即僅改變目標(biāo)參數(shù)的取值，其余參數(shù)設(shè)置保持不變)，對諸如土體本構(gòu)關(guān)系、土體物理參數(shù)(如土體彈性模量、內(nèi)摩擦角、土體剪脹角)以及樁-土接觸模型設(shè)置等對單樁變形計(jì)算有影響的因素分別進(jìn)行了敏感性分析，以探討影響水平變形計(jì)算的主導(dǎo)因素，以便在后繼工程應(yīng)用中重點(diǎn)考慮。

3.1 土體本構(gòu)關(guān)系

在保持其他參數(shù)不變的前提下，分別選用彈性本構(gòu)以及Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)作為土體模型進(jìn)行計(jì)算，所得到的鋼管樁樁身水平位移曲線如圖2所示。

圖2 不同土體本構(gòu)模型下鋼管樁水平位移曲線

可以看出，當(dāng)考慮土體為彈塑性本構(gòu)模型時(shí)，鋼管樁樁身的變形均要大于土體為彈性模型時(shí)，此時(shí)，鋼管樁樁身泥面處的水平位移分別為0.241 4 m與0.233 2 m，彈塑性變形相較于彈性變形大約3.4%。

3.2 土體彈性模量

土體彈性模量的數(shù)值大小代表了土體抵抗彈性變形的能力強(qiáng)弱，采用控制變量法，除彈性模量外保持其余輸入?yún)?shù)不變，圖3給出了分別取1～5倍的彈性模量時(shí)，鋼管樁樁身泥面處水平位移以及轉(zhuǎn)角隨彈性模量變化的關(guān)系圖。

圖3 鋼管樁泥面處水平位移及轉(zhuǎn)角隨彈性模量變化關(guān)系圖

可以看出，隨著彈性模量增大，鋼管樁泥面處變形呈現(xiàn)明顯下降趨勢，當(dāng)彈性模量由1倍增加至2倍時(shí)，水平位移及轉(zhuǎn)角出現(xiàn)大幅度下降，其中，水平位移值由0.241 4 m下降至0.149 6 m，降幅為38.0%，轉(zhuǎn)角值由8.82‰下降至6.43‰，降幅為27.1%，當(dāng)彈性模量繼續(xù)增大時(shí)，變形值降幅減小。

3.3 土體內(nèi)摩擦角

土體采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型計(jì)算時(shí)，所輸入的內(nèi)摩擦角是影響土體抗剪強(qiáng)度的重要參數(shù)[2]。在工程地勘報(bào)告中，對于內(nèi)摩擦角的建議值通常包含下限值、中間值以及上限值，各區(qū)間差值約為3°～4°，在不改變其余土體模型參數(shù)的前提下，分別采用三種內(nèi)摩擦角(下限值、中間值、上限值)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖4所示。

圖4 鋼管樁泥面處水平位移及轉(zhuǎn)角隨內(nèi)摩擦角變化關(guān)系圖

可以看出，隨著土體的內(nèi)摩擦角增大，鋼管樁樁身泥面處的水平位移與轉(zhuǎn)角逐漸減小，當(dāng)內(nèi)摩擦角分別取下限值以及上限值時(shí)，水平位移值由0.244 3 m下降至0.239 3 m，降低幅度約為2.0%，轉(zhuǎn)角值由8.90‰下降至8.77‰，降低幅度約為1.6%。

3.4 土體剪脹角

土體的剪脹性是指土體在剪切過程中，由于顆粒間相對位置的變化而引起土體體積的變化，由此來表征土體的塑形應(yīng)變狀態(tài)[3-4]。

本次計(jì)算剪脹角的取值分別為0.1°、3.0°和7.0°，其余模型參數(shù)保持不變，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 鋼管樁泥面處水平位移及轉(zhuǎn)角隨剪脹角變化關(guān)系圖

可以看出，隨著剪脹角增大，泥面處位移以及轉(zhuǎn)角計(jì)算值逐漸較小，但降低幅度較低，當(dāng)剪脹角從0.1°增加至7°時(shí)，土體的位移值由0.241 5 m下降至0.241 2 m，轉(zhuǎn)角值由8.83‰下降至8.81‰，兩者降幅約為0.14%。

3.5 樁-土接觸模型

本次計(jì)算考慮兩種接觸面的模型：①摩擦接觸，允許樁-土接觸面發(fā)生脫開；②綁定約束，不考慮樁-土接觸面脫開[5]。兩種接觸模型下的計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同樁-土接觸面設(shè)置下鋼管樁水平位移曲線

可以看出，樁-土接觸面為摩擦接觸的水平位移要大于綁定約束的水平位移，這主要是由于在荷載作用下，樁-土接觸面為綁定約束時(shí)，土體與樁身未發(fā)生脫開，導(dǎo)致樁身變形后仍然與后方土體之間存在相互作用力，從而導(dǎo)致樁身變形位移變小。

4 結(jié) 語

本文依托于莆田某海上風(fēng)電場項(xiàng)目，基于大型有限元軟件ABAQUS針對超大直徑單樁基礎(chǔ)，分別就土體本構(gòu)關(guān)系、土體物理參數(shù)(如土體彈性模量、內(nèi)摩擦角、土體剪脹角)以及樁-土接觸模型設(shè)置等影響變形計(jì)算的因素從靜力計(jì)算方面展開敏感性分析。從計(jì)算分析中可以看出土體彈性模量為影響樁體泥面位移的關(guān)鍵因素，土體本構(gòu)關(guān)系次之，而內(nèi)摩擦角、剪脹角等由于本機(jī)位地層的淤泥層較厚影響不大，以上分析結(jié)果也可為后繼工程單樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)計(jì)算作為參考。