砂土中裙式吸力基礎(chǔ)注水拔出滲流規(guī)律數(shù)值模擬

李 佳 禧，張 雨 坤，李 大 勇

(1.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 福州 350108； 2.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 杭州 311122； 3.山東科技大學(xué) 山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266590； 4.中國石油大學(xué)(華東) 儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580)

0 引 言

風(fēng)能作為一種清潔能源，具有儲(chǔ)量大、應(yīng)用安全等優(yōu)點(diǎn)。與陸地風(fēng)能相比，海上風(fēng)能具有風(fēng)速高、范圍廣、風(fēng)力持久、產(chǎn)能多、無噪音和不占用陸地資源等優(yōu)點(diǎn)。據(jù)《2015年全球海上風(fēng)電》報(bào)告預(yù)測，截至2024年，海上風(fēng)電總裝機(jī)容量將達(dá)到92 GW。海上風(fēng)機(jī)運(yùn)營工作時(shí)，上部結(jié)構(gòu)多受風(fēng)荷載、波浪荷載、洋流荷載以及冰荷載的影響。因此，更穩(wěn)定、更經(jīng)濟(jì)的風(fēng)電基礎(chǔ)可確保海上風(fēng)機(jī)能夠安全、高效、經(jīng)濟(jì)地服役，必將擁有更廣闊的應(yīng)用前景。

吸力基礎(chǔ)是一種底部敞開，頂部封閉并留有排水孔的鋼制倒桶式結(jié)構(gòu)，具有造價(jià)低、施工速度快、可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)[1]，廣泛用于錨固海洋漂浮式油氣平臺(tái)，近年來逐漸應(yīng)用于海上風(fēng)電工程[1-3]。作為海上風(fēng)電基礎(chǔ)，主控荷載是由風(fēng)荷載與波浪荷載引起的水平荷載和傾覆力矩。為了提高海上風(fēng)電吸力基礎(chǔ)的水平承載力，李大勇等[4]提出了一種新型吸力基礎(chǔ)形式——裙式吸力基礎(chǔ)。相比于傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)，裙式吸力基礎(chǔ)具有更高的水平承載力、控制變形的能力以及抵抗沖刷能力。此外，李大勇等[4-7]開展了模型試驗(yàn)以及數(shù)值模擬，證實(shí)了裙式吸力基礎(chǔ)具有良好的沉貫性，能夠很好地適用于海上風(fēng)電工程。

當(dāng)海上風(fēng)電吸力基礎(chǔ)在沉貫過程中發(fā)生過大傾斜、遇到孤石阻礙沉貫或上部風(fēng)電塔架達(dá)到服役年限時(shí)，需要將基礎(chǔ)從土層中注水拔出。此外，海上風(fēng)場的設(shè)計(jì)使用期限目前一般為20 a，自世界第一個(gè)海上風(fēng)電場建成以來，海上風(fēng)場將陸續(xù)進(jìn)入升級(jí)更新的時(shí)代。因此，吸力基礎(chǔ)的注水拔出過程特性研究逐漸引起人們的關(guān)注。

Zhang等[8]通過向吸力基礎(chǔ)內(nèi)部注水的方法對吸力基礎(chǔ)開展模型試驗(yàn)，闡明了吸力基礎(chǔ)在砂土中的拔出原理：向基礎(chǔ)內(nèi)部泵入水，使桶蓋下方形成壓力，此時(shí)基礎(chǔ)內(nèi)部壓力大于外部壓力，從而將基礎(chǔ)向上拔出。其中，注水拔出方法是吸力基礎(chǔ)有別于重力式基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)的重要特征[9]，它不需要大型輔助設(shè)備，更加符合海上的工作環(huán)境。

此外，Zhang等[10]研究吸力基礎(chǔ)(長徑比為1)在飽和砂土中注氣拔出特性，發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)內(nèi)部壓力幾乎與拔出位移呈線性關(guān)系，且最大壓力與基礎(chǔ)長徑比有關(guān)，長徑比越大最大壓力越大；隨著注氣上拔到一定高度(0.7D，D為基礎(chǔ)直徑)時(shí)，基礎(chǔ)內(nèi)部砂土?xí)l(fā)生滲流破壞，造成基礎(chǔ)內(nèi)外連通，無法進(jìn)一步上拔。Zhang等[8]研究吸力基礎(chǔ)在砂土中注水拔出特性，發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)拔出位移達(dá)到0.03倍直徑時(shí)，基礎(chǔ)內(nèi)部獲得最大注水壓力，且達(dá)到一定拔出高度(長徑比為1和2分別為0.92D和1.77D)后發(fā)生由內(nèi)到外的滲流破壞，未能完全拔出。Huang等[11]通過模型試驗(yàn)又一次證明了注水并不能實(shí)現(xiàn)完全拔出。Zhang等[12]通過現(xiàn)場試驗(yàn)，將安裝12 h后的吸力基礎(chǔ)，以注水及施加荷載相結(jié)合的方法進(jìn)行拔出，使其能被完全拆除。Lehane等[13]通過離心試驗(yàn)與有限元相結(jié)合對砂土中吸力基礎(chǔ)進(jìn)行注水回收特性分析，發(fā)現(xiàn)桶內(nèi)超孔隙水壓力隨桶壁埋深呈線性衰減，水頭損失隨基礎(chǔ)埋深增加逐漸增大，此外他還提出了一種預(yù)測砂土中注水拔出阻力的方法。

綜上所述，目前針對吸力基礎(chǔ)注水拔出的研究仍處于起步階段，拔出過程中基礎(chǔ)內(nèi)外土體中滲流場分布規(guī)律尚不明確。對于裙式吸力基礎(chǔ)，需要對其注水拔出機(jī)理開展研究，完善基礎(chǔ)沉貫-服役-回收全過程特性研究。本文基于筆者前期模型試驗(yàn)研究成果，開展數(shù)值模擬，建立與試驗(yàn)條件一致的有限元分析模型，討論裙式吸力基礎(chǔ)在砂土中注水拔出過程中滲流場分布規(guī)律，為進(jìn)一步研究拔出過程中土塞變化規(guī)律、基礎(chǔ)-土體界面相互作用以及側(cè)壁摩阻力變化提供借鑒。

1 注水拔出有限元分析

1.1 有限元計(jì)算模型

采用有限元軟件PLAXIS 3D，分析飽和砂土中裙式吸力基礎(chǔ)注水拔出過程。

對基礎(chǔ)模型及土體均采用10節(jié)點(diǎn)四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。吸力基礎(chǔ)的數(shù)值模型尺寸如表1所列，吸力基礎(chǔ)示意如圖1所示，數(shù)值分析模型如圖2所示。為了使數(shù)值模擬結(jié)果更好地用于闡述前期開展模型試驗(yàn)的現(xiàn)象以及闡明基礎(chǔ)注水拔出機(jī)理，本文數(shù)值模擬的基礎(chǔ)模型尺寸與模型試驗(yàn)一致。采用軸對稱計(jì)算模型，選取的邊界距離基礎(chǔ)頂板中心的水平距離為10倍的主桶直徑，深度為3倍的主桶高度，從而消除土體邊界效應(yīng)。

表1 模型尺寸

圖1 裙式吸力基礎(chǔ)尺寸標(biāo)注

圖2 裙式吸力基礎(chǔ)有限元模型

根據(jù)李大勇等開展的吸力基礎(chǔ)注水拔出試驗(yàn)研究[8，10-11]，基礎(chǔ)無法實(shí)現(xiàn)完全拔出，裙式吸力基礎(chǔ)注水回收可分為兩個(gè)階段：

(1) 注水拔出階段(見圖3(b))。裙式吸力基礎(chǔ)主桶頂部排水口與潛水泵相連，將水泵入主桶內(nèi)部，使基礎(chǔ)內(nèi)外產(chǎn)生壓力差，從而逐漸將基礎(chǔ)從海床拔出。

(2) 拉拔階段(見圖3(c))?；A(chǔ)在注水拔出到一定高度后，會(huì)發(fā)生滲流破壞，此后可采用船舶將其完全拉拔出海面。此轉(zhuǎn)換過程中，為防止基礎(chǔ)因自重又落回土體中，在船舶拉拽過程中可同時(shí)注水，以便基礎(chǔ)可以快速拔出。

圖3 裙式吸力基礎(chǔ)注水拔出過程

1.2 模型參數(shù)

本文選用小應(yīng)變土體硬化模型模擬地基土體。

土體參數(shù)數(shù)據(jù)可參考相關(guān)文獻(xiàn)[11]以及文獻(xiàn)[14]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)反演得到(見表2)。桶壁與土體之間設(shè)置界面單元，以界面強(qiáng)度折減系數(shù)(Rinter)反映桶壁與土體之間的相互作用程度，根據(jù)文獻(xiàn)建議，砂土的強(qiáng)度折減系數(shù)取值0.67[15]。

表2 土體本構(gòu)模型計(jì)算參數(shù)

裙式吸力基礎(chǔ)是鋼制材料，因此本文以板單元模擬裙式吸力基礎(chǔ)，并采用線彈性模型。具體參數(shù)參考文獻(xiàn)[16]確定，基礎(chǔ)的彈性模量取210 GPa，泊松比為0.26，重度為78.5 kN/m3。

1.3 注水拔出過程模擬

本文注水拔出過程與前期模型試驗(yàn)過程一致。圖4為前期裙式吸力基礎(chǔ)注水拔出模型試驗(yàn)裝置。采用固定在試驗(yàn)箱上的牽引桿使吸力基礎(chǔ)模型在注水拔出時(shí)不會(huì)出現(xiàn)傾斜。拔出位移則通過LVDT位移計(jì)傳感器測量，壓力傳感器則用于測量基礎(chǔ)內(nèi)部壓力，而注水則通過抽水泵實(shí)現(xiàn)。

圖4 注水拔出試驗(yàn)及測量裝置

設(shè)置水頭邊界條件，使基礎(chǔ)內(nèi)外產(chǎn)生壓差，模擬注水拔出過程。拔出過程中，土體底邊及四周滲流邊界設(shè)為不排水，只設(shè)置土體表面滲流排水。土體內(nèi)部超孔隙水壓分布采用穩(wěn)定滲流進(jìn)行計(jì)算。筆者在前期開展裙式吸力基礎(chǔ)注水拔出試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)注水拔出高度達(dá)0.03D(基礎(chǔ)直徑)時(shí)，基礎(chǔ)內(nèi)部注水壓力達(dá)到最大值[11]。本文以此注水拔出高度為例，研究基礎(chǔ)周圍土體滲流變化規(guī)律，并將試驗(yàn)所用的基礎(chǔ)內(nèi)部注水壓力作為水頭邊界條件(見表3)。最終將模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果相結(jié)合，系統(tǒng)性闡述裙式吸力基礎(chǔ)注水拔出機(jī)理。此外，對比模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同上拔位移下，基礎(chǔ)周圍土體滲流變化趨勢基本一致。

表3 上拔0.03D時(shí)吸力基礎(chǔ)產(chǎn)生的壓力值

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)滲流場分布

2.1.1孔壓變化

根據(jù)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)，吸力基礎(chǔ)內(nèi)外初始水頭均設(shè)定為0。以傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)注水拔出0.03D為例，研究該過程中基礎(chǔ)桶壁的內(nèi)外孔壓沿土體深度的分布情況(見圖5)。

圖5 傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)孔壓沿土體深度分布

由圖5(a)桶內(nèi)壁孔壓分布圖可知，裙式吸力基礎(chǔ)主桶內(nèi)最大孔壓出現(xiàn)在土體表面處，并隨著土體深度的增加土體孔壓逐漸消散。從圖5(b)桶外壁孔壓分布圖可知，在基礎(chǔ)端部土體孔壓會(huì)呈現(xiàn)最大值，以基礎(chǔ)端部為基準(zhǔn)面，隨著埋深的減小，土體孔壓值均逐漸降低至零，外部形成向上的滲流。在基礎(chǔ)端部，桶內(nèi)外土體孔壓值均接近0.5 kPa，且土體深度大于基礎(chǔ)高度時(shí)，內(nèi)外土體孔壓消散速度均變快，且孔壓值大小均趨于一致，這是土體失去了吸力基礎(chǔ)桶壁的約束造成的。

2.1.2基礎(chǔ)土體有效應(yīng)力變化

圖6給出了基礎(chǔ)端部處，桶壁內(nèi)外土體豎向有效應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線。由于基礎(chǔ)貫入土體后會(huì)造成擾動(dòng)，使得初始有效應(yīng)力會(huì)較理論值(1.48 kPa)有所波動(dòng)。由于吸力基礎(chǔ)注水產(chǎn)生壓力差，緊貼桶壁內(nèi)側(cè)的土體豎向有效應(yīng)力會(huì)隨時(shí)間增長而逐漸增大，該結(jié)果很好地反映了滲流會(huì)使桶內(nèi)砂土有效應(yīng)力增加。

圖6 基礎(chǔ)端部處的土體豎向有效應(yīng)力隨時(shí)間變化

此外，從圖6可知，隨著時(shí)間的推移，在滲流作用下基礎(chǔ)端部處桶壁外有效應(yīng)力減小，有利于吸力基礎(chǔ)的拔出。

砂土地基中注水會(huì)使得桶內(nèi)砂土不會(huì)隨著基礎(chǔ)上移而上升，內(nèi)部砂土有效應(yīng)力增加。接近基礎(chǔ)端部處砂土失去桶壁的約束，該部位砂土在滲流作用下流向桶外，從而引起緊貼吸力基礎(chǔ)桶壁外部的土體豎向有效應(yīng)力減小，極大減小了桶外壁與土體摩擦阻力。桶內(nèi)滲流向下，土中有效應(yīng)力增大，桶內(nèi)壁與土體摩擦力增加，但桶內(nèi)會(huì)因注水產(chǎn)生壓力差，從而將基礎(chǔ)拔出土面。

2.1.3基礎(chǔ)土中滲流變化

選取長徑比為1的傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)，研究其在注水拔出5 mm時(shí)，砂土中滲流分布規(guī)律。

圖7為土體滲流水頭等勢線分布。基礎(chǔ)在注水拔出過程中，因注水使得桶內(nèi)外產(chǎn)生壓力差，故水從桶內(nèi)往桶外滲流。土中滲流水頭值由桶內(nèi)向桶外逐漸降低，在桶外土體表面達(dá)到最小。水頭等值線均密集分布于桶內(nèi)土體，且呈現(xiàn)層狀分布，土體深度達(dá)到0.87D之后，水頭等值線分布開始變得稀疏，且斜率也隨之增大，說明滲流過程中產(chǎn)生的水頭損失主要集中在基礎(chǔ)尖端附近。桶外側(cè)水頭等勢線分布主要集中于距離基礎(chǔ)尖端0～0.17D處，且尖端部位桶內(nèi)與桶外水頭等勢線相連，形成圓形包線。

圖7 傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)滲流水頭等勢線分布

圖8(a)和(b)分別為滲流水力梯度分布云圖、滲流矢量圖。桶內(nèi)中心部位水力梯度變化緩慢，且其數(shù)值沿深度增加而減小，內(nèi)部滲流速度緩慢。而沿桶壁內(nèi)側(cè)的水力梯度值則隨著土體深度增加逐漸變大，其滲流速度也隨之變快，最終水力梯度等值線在桶底端部分布密集，說明滲流速度在基礎(chǔ)底端變化最大，且基礎(chǔ)端部內(nèi)壁處出現(xiàn)最大值。桶外部水力梯度在土體表面達(dá)到零，因此外部整體滲流速度較小，但越靠近桶尖端處滲流速度越大，并呈現(xiàn)圓形包線狀，且在土中水平方向滲流影響范圍約3.1D，豎向滲流影響范圍約為2.3D。

圖8 傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)滲流分布規(guī)律

2.2 裙式吸力基礎(chǔ)滲流場分布

2.2.1土體孔壓沿深度的變化

“裙”結(jié)構(gòu)的設(shè)置，使得注水拔出過程中基礎(chǔ)周圍滲流路徑發(fā)生變化。以裙式吸力基礎(chǔ)在注水拔出0.03D為例，研究土體孔隙水壓力變化及滲流特性。

圖9為裙式吸力基礎(chǔ)主桶桶壁的內(nèi)外孔壓沿土體深度的分布情況。由圖9(a)可知，主桶內(nèi)部孔壓與傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)分布一致，只是大小有所變化。但由圖9(b)知，主桶外部0～1/3D深度內(nèi)孔壓值為負(fù)，孔壓值緩慢增大，形成向上的滲流，水進(jìn)入“裙”結(jié)構(gòu)內(nèi)部；隨后1/3D～1D范圍內(nèi)孔壓值為正，且呈快速增大狀，形成了向上的滲流。與傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)相比，“裙”結(jié)構(gòu)改變了土中滲流路徑，并在1/3D處即“裙”結(jié)構(gòu)端部出現(xiàn)拐點(diǎn)，且此處孔壓值為零，其余均與傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)的變化一致。

圖9 裙式吸力基礎(chǔ)孔壓沿土體深度分布

2.2.2基礎(chǔ)滲流基本規(guī)律

圖10和11顯示了裙式吸力基礎(chǔ)注水拔出土體中滲流分布規(guī)律。

圖10 裙式吸力基礎(chǔ)滲流水頭等勢線分布

(1) 滲流水頭等勢線隨深度逐漸增加呈層狀密集分布，與傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)分布規(guī)律一致，均在達(dá)到0.87D時(shí)逐漸稀疏。在“裙”結(jié)構(gòu)底端及主桶底端，水頭等值線均會(huì)呈圓形包線狀?！叭埂苯Y(jié)構(gòu)內(nèi)部因注水拔出過程中產(chǎn)生負(fù)壓，使得水頭為負(fù)值，沿深度逐漸增大且呈層狀密集分布。

(2) 水力梯度的最大值均處于結(jié)構(gòu)的底端，而“裙”結(jié)構(gòu)對滲流產(chǎn)生較大的影響，其改變了土中滲流速度。與傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)相比，裙式吸力基礎(chǔ)主桶內(nèi)的最大水力梯度、滲流速度均大于傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)，從而更能說明注水拔出過程中所需壓力高于傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)，“裙”結(jié)構(gòu)的增加使得其承載力高于傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)是顯而易見的?！叭埂苯Y(jié)構(gòu)外部水力梯度等值線會(huì)與主桶底端相連通，會(huì)形成與滲流速度相同的滲流場。

圖11 裙式吸力基礎(chǔ)滲流分布規(guī)律

(3) 對比可知，裙式吸力基礎(chǔ)主桶內(nèi)部滲流速度大于“裙”結(jié)構(gòu)內(nèi)部滲流速度。這是因?yàn)樵谥魍吧喜苛粲信潘走M(jìn)行注水，而“裙”結(jié)構(gòu)上部并未設(shè)置注水口。此外，發(fā)現(xiàn)“裙”結(jié)構(gòu)內(nèi)滲流與主桶內(nèi)部相反：“裙”結(jié)構(gòu)內(nèi)土體滲流方向是自外向內(nèi)，自下而上，“裙”結(jié)構(gòu)外側(cè)滲流方向則是先向下，而后發(fā)生傾斜最后流入桶內(nèi)；主桶內(nèi)部則自上而下，自內(nèi)向外流。

(4) 增加“裙”后，因“裙”結(jié)構(gòu)的約束使?jié)B流產(chǎn)生如下變化：在0～1/3D深度內(nèi)水平滲流范圍較傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)減小了3%，而在1/3D～1D深度內(nèi)水平滲流范圍較傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)減小了4.7%；豎向深度內(nèi)滲流影響范圍均為2.3D。

3 結(jié) 論

本文開展數(shù)值模擬，建立與前期模型試驗(yàn)條件一致的有限元分析模型，討論了裙式吸力基礎(chǔ)在砂土中注水拔出過程中滲流場分布規(guī)律，得出如下結(jié)論：

(1) 傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)及裙式吸力基礎(chǔ)在注水條件下使主桶內(nèi)部砂土固結(jié)，基礎(chǔ)端部砂土在滲流作用下流向桶外。

(2) 注水拔出過程中，裙式吸力基礎(chǔ)主桶外部0～1/3D(D為基礎(chǔ)直徑)深度內(nèi)孔壓為負(fù)值，且隨深度的增加孔壓值增大速度緩慢，形成向上的滲流；在1/3D～1D范圍內(nèi)孔壓為正值，且呈快速增大狀，形成了向上的滲流。與傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)相比，“裙”結(jié)構(gòu)改變了土中滲流路徑。

(3) 因“裙”結(jié)構(gòu)的約束使土中水平滲流產(chǎn)生如下變化：在0～1/3D深度內(nèi)水平滲流范圍較傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)減小了3%，而在1/3D～1D深度內(nèi)水平滲流范圍較傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)減小了4.7%。

(4) 裙式吸力基礎(chǔ)與傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)在水頭等勢線分布規(guī)律、土體孔壓及有效應(yīng)力的變化趨勢上基本一致，量值較傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)顯著提高。拔出過程中，裙式吸力基礎(chǔ)的“裙”結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓，與主桶內(nèi)部的壓力正相反。這是因?yàn)椤叭埂苯Y(jié)構(gòu)密封無排水孔產(chǎn)生“被動(dòng)壓力”。

本文采用數(shù)值模擬手段得到了吸力基礎(chǔ)滲流規(guī)律，相關(guān)參數(shù)選取以及水頭的設(shè)置均與前期模型試驗(yàn)條件和試驗(yàn)結(jié)果一致，本文研究內(nèi)容是對前期模型試驗(yàn)內(nèi)容的有益推進(jìn)和完善補(bǔ)充。下一步將以本文為基礎(chǔ)，進(jìn)一步拓展模型試驗(yàn)研究內(nèi)容，探討基礎(chǔ)注水時(shí)拔出回收機(jī)理。