砂土地基中海上風(fēng)機(jī)吸力桶基礎(chǔ)水平承載特性試驗研究*

寇海磊 周 楠 楊丹良 馮軍威 田 華

(中國海洋大學(xué)， 工程學(xué)院， 青島 266100， 中國)

0 引 言

海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)是制約海上風(fēng)電發(fā)展的瓶頸。作為一種新型的基礎(chǔ)型式，近些年來吸力桶基礎(chǔ)應(yīng)用越來越廣泛(何炎平等， 2002； 康舜等， 2019； 陳林平等， 2020； 胡瑞林等， 2020； 李大勇等， 2020)。與其他類型基礎(chǔ)型式相比，吸力桶基礎(chǔ)具有施工速度快、可回收利用等優(yōu)點(Iskanderet al.，2002； Tran， 2005； 王志等， 2009； 朱文波等， 2018； 李旭昶等， 2019； 高志傲等， 2020)。服役期間內(nèi)吸力桶基礎(chǔ)主要承受其上部傳遞的豎向荷載、波浪等環(huán)境荷載的瞬時或循環(huán)作用，同時復(fù)雜海況及惡劣工程地質(zhì)條件對吸力桶基礎(chǔ)的設(shè)計、施工和安全調(diào)控提出了新的挑戰(zhàn)。

目前，砂性土地基中桶型基礎(chǔ)貫入性狀研究較多(Anderson， 2005； Chen et al.，2007； 李大勇等， 2012； Hossain et al.，2016)。對于桶型基礎(chǔ)水平承載特性，目前大多數(shù)研究主要集中于水平承載性能方面。Kelly et al. (2006)通過室內(nèi)與現(xiàn)場試驗，對桶型基礎(chǔ)水平累積變形及循環(huán)剛度變化進(jìn)行了研究。通過對比分析，提出了無量綱化荷載與變形之間的關(guān)系； Ding et al. (2010)對水平荷載作用下砂土地基中桶型基礎(chǔ)累積變形及累積轉(zhuǎn)角進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)桶型基礎(chǔ)循環(huán)累積特性與荷載加載點位置密切相關(guān)，加載點位置越高桶型基礎(chǔ)產(chǎn)生的變形及轉(zhuǎn)角越大； Cox et al. (2014)通過離心機(jī)試驗，對砂性土地基中桶形基礎(chǔ)累積特性進(jìn)行了分析。指出隨著循環(huán)次數(shù)增加，桶形基礎(chǔ)的剛度呈對數(shù)型增長，累積變形呈冪指數(shù)增長； Foglia et al. (2016)研究了水平循環(huán)加載頻率對桶型基礎(chǔ)累積變形的影響。結(jié)果表明，當(dāng)水平循環(huán)加載頻率在0.025～0.10 Hz時，加載頻率對桶型基礎(chǔ)永久變形影響較小。Zhang et al. (2017)通過有限元分析研究了長徑比對桶型基礎(chǔ)水平循環(huán)承載力的影響。結(jié)果表明，當(dāng)桶型基礎(chǔ)直徑不變，增加基礎(chǔ)的長度或增大桶型基礎(chǔ)貫入深度可以有效提高桶形基礎(chǔ)水平承載特性。武科等(2008)通過有限元分析對桶型基礎(chǔ)旋轉(zhuǎn)中心位置變化進(jìn)行了研究，表明水平荷載作用下基礎(chǔ)旋轉(zhuǎn)中心約位于埋置深度2/3處。李大勇等(2021)采用模型試驗研究水平循環(huán)荷載作用下裙式吸力基礎(chǔ)的累積轉(zhuǎn)角變化規(guī)律和影響因素，采用Leblanc方法和Miner準(zhǔn)則，對長期變幅循環(huán)加載下基礎(chǔ)累積轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)化為等幅循環(huán)荷載進(jìn)行分析，預(yù)測了基礎(chǔ)累積轉(zhuǎn)角。上述研究雖然對砂性土地基中桶型基礎(chǔ)貫入特性、水平承載特性及水平靜載荷過程中旋轉(zhuǎn)中心位置變化進(jìn)行了研究，但長期循環(huán)荷載作用下桶型基礎(chǔ)旋轉(zhuǎn)中心變化規(guī)律研究較少。

本文通過室內(nèi)物理模型試驗，對砂性土地基中桶型基礎(chǔ)水平承載特性進(jìn)行研究，對比分析不同荷載循環(huán)比作用下桶型基礎(chǔ)累積變形、旋轉(zhuǎn)角度及旋轉(zhuǎn)中心位置變化規(guī)律，為砂性土地基中吸力桶基礎(chǔ)設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 試驗步驟

1.1 試驗裝置

本試驗采用裝置主要由模型箱、伺服電機(jī)及控制器3部分組成，如圖 1所示。試驗所用模型箱直徑為0.8 m，高為1.0 m，所用材料為不銹鋼材，模型箱主體分為上、下兩部分，上下部連接處用橡膠條密封以防砂顆粒滲出。試驗過程中通過控制器可實現(xiàn)恒應(yīng)變或恒應(yīng)力兩種不同加載方式加載。加載過程中，壓力傳感器安裝于作動器末端，與加載桿相連。同時，LVDT位移傳感器與加載桿相連，以測量靜載荷及水平循環(huán)試驗過程中加載點處位移。

圖 1 室內(nèi)模型裝置Fig. 1 Model devicea. 示意圖； b. 實物圖

1.2 砂床制備

本試驗所用試樣選用山東青島河砂。經(jīng)過篩分分析后，粒徑大于5.0 mm的土粒占0.97%， 2.5～5.0 mm的土粒占9.63%， 1.25～2.5 mm的土粒占32.13%， 0.63～1.25 mm的土粒占48.25%， 0.26～0.63 mm的土粒占7.94%，粒徑小于0.26 mm的土粒占1.08%，粒度級配曲線如圖 2所示。試驗開始前，篩選出粒徑為0.63～1.25 mm的土粒通過砂雨法將其鋪設(shè)至模型箱內(nèi)。鋪設(shè)過程中，每鋪設(shè)20 cm土粒調(diào)整一次漏斗出砂口，以保證鋪設(shè)土粒自由落在模型箱中，形成均勻的砂層，鋪設(shè)土粒厚度為80 cm，鋪設(shè)完成后土粒物理力學(xué)性質(zhì)見表 1。土粒鋪設(shè)結(jié)束后靜置24 h后進(jìn)行試驗。

圖 2 土粒試樣顆粒級配曲線Fig. 2 Grain grading curve

表 1 土粒試樣物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of sand

1.3 桶形基礎(chǔ)模型

本試驗選用長徑比為2的桶形基礎(chǔ)，如圖 3所示。桶形基礎(chǔ)模型利用不銹鋼鋼材制作而成。其中：桶形基礎(chǔ)側(cè)壁厚為5.0 mm，頂蓋厚度為5.0 mm，高度為240 mm，桶外徑D為120 mm，桶自重G為21.56 N。

圖 3 吸力桶模型Fig. 3 Caisson modela. 示意圖； b. 實物圖

水平靜載荷試驗結(jié)束后，將桶形基礎(chǔ)從A點拔出，以相同的貫入速率貫入至B點、C點(圖4)，分別在B點(CLT-1)及C點(CLT-2)進(jìn)行不同荷載循環(huán)比的水平循環(huán)試驗。循環(huán)過程中桶形基礎(chǔ)循環(huán)特性可用ζb與ζc進(jìn)行定義(武科等， 2008；Zhu et al.，2013)：

ζb=Mmax/MR

(1)

ζc=Mmin/Mmax

(2)

式中：Mmax為水平循環(huán)荷載作用下桶形基礎(chǔ)最大彎矩；Mmin為水平循環(huán)荷載作用下桶形基礎(chǔ)最小彎矩；MR為水平靜荷載作用下桶形基礎(chǔ)的極限彎矩；ζb為循環(huán)荷載的大?。沪芻為循環(huán)荷載的方向，取值介于- 1～1之間，當(dāng)ζc<0時為雙向加載，當(dāng)ζc≥0時為單向加載。

圖 4 貫入點布置Fig. 4 Penetration point layout

本試驗采用雙向等值循環(huán)荷載加載的方式，ζc取值為- 1。由于海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計安全系數(shù)通常取0.5，即正常使用狀態(tài)承載力為0.5倍的水平極限承載力，所以當(dāng)ζb取值為0.5時，循環(huán)荷載即為正常使用狀態(tài)下的極限承載力。為探究循環(huán)荷載低于正常使用狀態(tài)及超出正常使用狀態(tài)時桶形基礎(chǔ)的承載特性，本次試驗ζb取值分別為0.33和1.0，即所施加循環(huán)荷載選擇33%、100%的水平極限承載力。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 水平循環(huán)荷載下桶形基礎(chǔ)承載特性

圖 5為中等密實砂土地基中桶形基礎(chǔ)水平靜載荷試驗過程中傾覆彎矩-位移關(guān)系曲線。利用Mansur et al. (1956)提出的切線交叉法可確定其水平極限承載力，即沿傾覆彎矩-位移曲線初始部分與后期部分分別繪制兩條切線，切線交點即為其水平極限承載力，根據(jù)切線交叉法得到本試驗桶形基礎(chǔ)的水平極限承載力為0.614。

圖 5 水平靜載荷試驗Fig. 5 Horizontal static load test

根據(jù)水平靜載荷試驗獲得的桶形基礎(chǔ)水平極限承載力確定循環(huán)試驗過程中施加的荷載大小，本試驗選擇0.01 kN(ζb=0.33)及0.03 kN(ζb=1.0)兩組荷載作為水平循環(huán)荷載。圖 6表示0.01 kN循環(huán)荷載作用下桶形基礎(chǔ)變形-荷載滯回曲線。為方便比較，水平靜載荷試驗獲得的荷載-位移關(guān)系曲線同樣在圖中進(jìn)行了標(biāo)識。分析可知，當(dāng)N=1時，循環(huán)過程中最大位移為0.73 mm，約為0.006D； 當(dāng)N=50時，循環(huán)過程中最大位移為0.54 mm，約為0.0045D； 經(jīng)過50次循環(huán)后，桶形基礎(chǔ)最大位移累積變化量為0.19 mm，約為0.0015D，從試驗結(jié)果可以看出在較低水平循環(huán)荷載作用下，桶形基礎(chǔ)的變形隨著循環(huán)次數(shù)的增加最終趨于穩(wěn)定。

圖 6 0.01 kN水平力循環(huán)過程荷載-位移關(guān)系Fig. 6 Load displacement relationship of 0.01 kN horizontal load

圖 7表示0.03 kN(ζb=1.0)作用下桶形基礎(chǔ)加載點位置位移-荷載關(guān)系曲線。分析可知，當(dāng)N=1時，正方向產(chǎn)生了10.14 mm(0.084D)的變形，負(fù)方向產(chǎn)生了15.49 mm(0.129D)的變形； 當(dāng)N=50時，正方向累積變形為17.79 mm(0.149D)，負(fù)方向累積變形為0.6 mm(0.005D)。當(dāng)水平載荷為0.03 kN(ζb=1.0)時，水平靜載荷試驗對應(yīng)的水平變形為20.16 mm(0.168D)，而水平循環(huán)荷載試驗經(jīng)過50次循環(huán)后的累積水平變形為17.79 mm(0.149D)，從試驗結(jié)果可以看出在較高水平循環(huán)荷載作用下，桶形基礎(chǔ)的累積變形隨著循環(huán)次數(shù)的逐漸增加并有繼續(xù)增長的趨勢。圖 8為不同荷載循環(huán)比作用下桶形基礎(chǔ)累積變形與外徑比值yN/D與循環(huán)次數(shù)N之間的關(guān)系曲線。分析可知，當(dāng)循環(huán)荷載為0.01 kN(ζb=0.33)時，yN/D比值變化不大。當(dāng)循環(huán)次數(shù)N=1時，yN/D=0.006； 當(dāng)循環(huán)次數(shù)N=50時，yN/D=0.0045。當(dāng)循環(huán)荷載為0.03 kN(ζb=1.0)時，當(dāng)循環(huán)次數(shù)N=1時，yN/D=0.084，當(dāng)循環(huán)次數(shù)N=50次時，yN/D=0.149，在20循環(huán)之后曲線走勢減緩但仍有增長趨勢，呈對數(shù)函數(shù)增長規(guī)律。

圖 7 0.03 kN水平力循環(huán)過程荷載-位移關(guān)系Fig. 7 Load displacement relationship of 0.03 kN horizontal load

圖 8 桶形基礎(chǔ)累積變形與循環(huán)次數(shù)N之間的關(guān)系Fig. 8 Relationship between cumulative deformation of bucket foundation and number of cycles N

2.2 水平循環(huán)累積轉(zhuǎn)角與旋轉(zhuǎn)中心的變化

圖 9表示試驗過程中桶形基礎(chǔ)累積轉(zhuǎn)角Δθ(N)=θN-θ1與水平靜載荷基礎(chǔ)轉(zhuǎn)角θs比值(θN-θ1)/θs與循環(huán)次數(shù)N之間的變化關(guān)系。分析可知，(θN-θ1)/θs與循環(huán)次數(shù)N呈冪指數(shù)增長關(guān)系。當(dāng)ζb=0.33時，在經(jīng)過10個循環(huán)之后曲線增長緩慢，斜率約為0.04； 當(dāng)ζb=1時，(θN-θ1)/θs隨循環(huán)次數(shù)N增大而增加，且后期較初始階段增加更迅速，斜率接近0.088。Δθ(N)=θN-θ1與水平靜載荷基礎(chǔ)轉(zhuǎn)角θs比值可采用LeBlanc et al. (2010)提出的轉(zhuǎn)角預(yù)測公式表示：

(3)

式中：θs為靜載荷試驗中基礎(chǔ)的累積轉(zhuǎn)角值；θN和θ1分別為循環(huán)試驗中基礎(chǔ)的第N次和第1次循環(huán)的累積轉(zhuǎn)角值；N為循環(huán)次數(shù)；Tb，Tc分別為與ζb，ζc對應(yīng)的無量化系數(shù)，依據(jù)Zhu et al. (2013)研究結(jié)果，當(dāng)ζc=-1時，Tc取值為2.0；α為循環(huán)特性系數(shù)，根據(jù)本次試驗結(jié)果擬合公式，α取值為0.39。當(dāng)ζb=0.33、1.0時，Tb分別為0.04、0.088。

圖 9 (θN-θ1)/θs-N關(guān)系曲線Fig. 9 Relation curve between (θN-θ1)/θs and N

為監(jiān)測試驗過程中旋轉(zhuǎn)中心位置的變化，本次試驗通過兩個激光位移傳感器進(jìn)行全時程記錄，具體如圖 10所示。水平循環(huán)過程中桶型基礎(chǔ)旋轉(zhuǎn)中心變化可由事先安裝的激光位移傳感器獲得，如式(4)、式(5)所示。桶蓋上方的兩個豎向激光位移傳感器得到的位移以及連接桶形基礎(chǔ)上水平位移傳感器得到的位移分別定義為z1，z2，x1，水平荷載下桶體瞬時旋轉(zhuǎn)中心的位置可用式(4)和式(5)得到(朱斌等， 2011)：

x0=l×(z1-z2)/(z1+z2)

(4)

y0=[2lx1/(z1+z2)]-h0

(5)

式中：z1，z2，x1分別為桶蓋上方的兩個豎向激光位移傳感器得到的位移以及連接桶形基礎(chǔ)上水平位移傳感器得到的位移；x0是旋轉(zhuǎn)中心到桶中心線的水平距離；y0是旋轉(zhuǎn)中心到桶形基礎(chǔ)頂蓋的垂直距離；l是桶蓋上兩個豎向激光位移傳感器水平間距的一半，為60 mm；h0為加載點到基礎(chǔ)頂蓋的距離。通過對一個典型的5 MW風(fēng)機(jī)所受風(fēng)荷載、波流荷載分析，輪轂高度可以達(dá)到水面以上110 m，而葉片迎風(fēng)面直徑達(dá)到126 m，作用在葉片上的風(fēng)荷載可以達(dá)到2 MN，同時波、流作用引起的水平荷載近似等效為泥面以上40 m位置作用的大小為4 MN的水平力，即水平合力大小6 MN，傾覆彎矩460 MN·m，相當(dāng)于將水平力作用在旋轉(zhuǎn)中心以上80 m左右的位置(Houlsby， 2016)，因此水平荷載加載點位置近似為桶形基礎(chǔ)頂蓋上方85 mm。

圖 10 旋轉(zhuǎn)角測定示意圖Fig. 10 Schematic diagram of rotation angle measurement

圖 11 旋轉(zhuǎn)中心變化趨勢Fig. 11 Change trend of rotation center

圖 11表示不同水平循環(huán)荷載作用下桶型基礎(chǔ)旋轉(zhuǎn)中心的變化趨勢。為方便比較，同樣將Zhu et al. (2014)在砂土中開展的桶形基礎(chǔ)小比例尺模型試驗結(jié)果列于該圖中。為了更加直觀地得到桶形基礎(chǔ)旋轉(zhuǎn)中心位置的演化規(guī)律，對圖 11進(jìn)行了無量綱化處理。其中：水平坐標(biāo)軸和豎向坐標(biāo)軸分別以桶型基礎(chǔ)直徑D與埋深L進(jìn)行無量綱處理。分析可知，本試驗與Zhu et al. (2014)具有相似的旋轉(zhuǎn)中心變化趨勢，即隨著循環(huán)次數(shù)的增加，旋轉(zhuǎn)中心有向上移動的趨勢。當(dāng)ζb=0.33時，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，旋轉(zhuǎn)中心沿著豎向中心線向上移動，最終穩(wěn)定在埋深0.8L處，這表明在此荷載循環(huán)作用下基礎(chǔ)主要以剛性轉(zhuǎn)動為主。當(dāng)ζb=1.0時，在初始施加水平荷載時，桶形基礎(chǔ)的旋轉(zhuǎn)中心在豎向中心線右側(cè)0.15D和埋深1.25L處，隨著循環(huán)的進(jìn)行，旋轉(zhuǎn)中心向上和向中心線移動，最終穩(wěn)定在0.08D和0.84L處。

3 結(jié) 論

本文通過室內(nèi)物理模型試驗對水平荷載作用下桶形基礎(chǔ)承載特性進(jìn)行了研究，分析了循環(huán)過程中桶形基礎(chǔ)累積轉(zhuǎn)角變化規(guī)律，所得結(jié)論如下：

(1)中等密實砂性土地基條件下，在較低水平循環(huán)荷載作用下，桶形基礎(chǔ)的水平位移呈現(xiàn)先增加后平穩(wěn)的變化規(guī)律，但考慮海洋環(huán)境荷載的復(fù)雜特點，當(dāng)選用較高的水平循環(huán)荷載進(jìn)行水平循環(huán)試驗時，水平累積變形持續(xù)增長。在實際工程設(shè)計中，應(yīng)在合理造價內(nèi)盡可能提高桶形基礎(chǔ)的極限承載力，以提高基礎(chǔ)服役期間的穩(wěn)定性。

(2)通過對桶形基礎(chǔ)轉(zhuǎn)角(θN-θ1)/θs隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行分析，吸力桶基礎(chǔ)的累積轉(zhuǎn)角隨循環(huán)次數(shù)的增加而增加，但隨著循環(huán)的進(jìn)行，水平累積轉(zhuǎn)角的變化速度逐漸減小并趨于穩(wěn)定。

(3)對于不同水平循環(huán)荷載作用下，桶形基礎(chǔ)旋轉(zhuǎn)中心都表現(xiàn)出向上移動的趨勢。當(dāng)水平循環(huán)荷載較小時，桶形基礎(chǔ)以剛性轉(zhuǎn)動為主； 當(dāng)水平循環(huán)荷載較大時，桶形基礎(chǔ)表現(xiàn)出平動和轉(zhuǎn)動組合的運動模式。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，旋轉(zhuǎn)中心由深中心向淺中心轉(zhuǎn)變。在實際應(yīng)用中，應(yīng)考慮長期循環(huán)荷載作用下回轉(zhuǎn)中心的實際變化，以滿足控制砂土吸力沉箱水平傾角的要求。