海上風電吸力樁基礎(chǔ)破壞包絡(luò)面理論研究

范夏玲

（福建永福電力設(shè)計股份有限公司 福建福州 350108）

0 引言

隨著海上風電的發(fā)展，工程建設(shè)海域條件復(fù)雜，復(fù)雜的海洋水文和地質(zhì)條件下，傳統(tǒng)海上風電單樁基礎(chǔ)和導(dǎo)管架基礎(chǔ)一般都采用打樁錘沉入土層，部分的場址建設(shè)存在著大量機位需要嵌巖的情況，極大地增加了工程的建造成本和建造周期［1-2］。為避免淺覆蓋層區(qū)域樁基無法沉入到設(shè)計標高而需要嵌巖施工等諸多問題，采用1 種海上風電吸力樁基礎(chǔ)作為海上風電機組的基礎(chǔ)型式，以適用于深遠海復(fù)雜工程地質(zhì)條件下的風機機組基礎(chǔ)。吸力基礎(chǔ)是1 種倒置的筒形結(jié)構(gòu)，又稱吸力樁。吸力樁基礎(chǔ)適用水深范圍較廣，施工方便且施工速度快，安裝方便、地質(zhì)勘測深度范圍較小，拆除方便，是近海海域和水深較深海域海上風電場基礎(chǔ)型式的重要選擇［3-5］。

吸力樁基礎(chǔ)承載力計算是設(shè)計階段確定吸力樁樁型、結(jié)構(gòu)安全的前提［6］。但目前吸力樁基礎(chǔ)承載力設(shè)計尚無規(guī)范性指導(dǎo)文件，工程實踐主要參考最佳擬合常重力條件下小規(guī)模實驗室模型實驗結(jié)果、相關(guān)工程經(jīng)驗以及國外規(guī)范，存在主觀性與盲目性等問題［7-8］。

吸力樁基礎(chǔ)受到復(fù)雜的海洋環(huán)境荷載，包括波浪、海流以及風等引起的水平與彎矩荷載［9-10］。吸力樁基礎(chǔ)不僅受到自身以及上部結(jié)構(gòu)所受到的豎向荷載，還受到海洋環(huán)境荷載通過基礎(chǔ)傳到地基上，使地基受到豎向荷載V、水平荷載H 以及彎矩M 的復(fù)合加載作用［11-15］。傳統(tǒng)的地基承載力計算理論忽略了水平荷載V 與彎矩荷載M 的相互作用。此種方法應(yīng)用在港口與海洋工程時具有一定的局限性，因海洋基礎(chǔ)一般不會在單純的豎向荷載達到極限平衡狀態(tài)，而是在豎向荷載、水平荷載以及彎矩的不同組合條件下發(fā)生破壞［16-17］。在實際工程設(shè)計中，解決三維空間荷載的承載力計算，通常采用PLAXIS 3D、ABAQUS 以及Z-SOIL 等有限元計算方法，計算較為繁瑣，運行時間過長［17-18］。為了解決這個問 題，ZHANG 等［19］和PALIX等［20］通過有限元仿真模擬發(fā)現(xiàn)VHM 三維荷載空間內(nèi)的破壞包絡(luò)面為橢球形，在豎向力、水平力與彎矩等多種荷載分量共同作用的復(fù)合加載模式下，地基達到整體破壞時各個荷載分量的組合在三維荷載空間中將形成1 個不依賴于加載路徑的外凸曲面破壞包絡(luò)面。若設(shè)計基礎(chǔ)承載力在屈服包絡(luò)面之內(nèi)，則認為基礎(chǔ)的承載力和整體穩(wěn)定性滿足設(shè)計要求。但國內(nèi)目前對吸力樁計算、安裝都尚無規(guī)范可查。

本文提出的VHM 承載力計算方法主要適用于介于淺基礎(chǔ)與深基礎(chǔ)之間的吸力樁基礎(chǔ)。通過求解VHM 三維荷載空間內(nèi)的破壞包絡(luò)面方程，分析吸力樁承載能力并確定吸力樁基礎(chǔ)的失穩(wěn)破壞模式，若設(shè)計基礎(chǔ)承載力在屈服包絡(luò)面之內(nèi)，則認為基礎(chǔ)的承載力和整體穩(wěn)定性滿足設(shè)計要求，并初步確定吸力樁基礎(chǔ)的尺寸，為初步設(shè)計階段提供方案設(shè)計指導(dǎo)性意見。

1 VHM 三維荷載破壞包絡(luò)面理論方法

國內(nèi)外研究表明筒型基礎(chǔ)的承載力破壞包絡(luò)面為橢圓曲面，吸力樁是介于淺基礎(chǔ)與深基礎(chǔ)之間的筒型基礎(chǔ)。橢圓參數(shù)包括彎矩及水平力橢圓長軸參數(shù)、彎矩及水平力橢圓短軸參數(shù)、豎向及水平力橢圓長軸參數(shù)、豎向及水平力橢圓短軸參數(shù)、斜橢圓轉(zhuǎn)角?；谏鲜鰴E圓參數(shù)，并利用VHM 三維荷載破壞包絡(luò)面屈服函數(shù)確定吸力樁尺度設(shè)計。

如圖1 所示，可以將土層簡化為表層強化土、均質(zhì)土、正常固結(jié)土和階梯型土4 種土層分布情況，不排水抗剪強度Su采用剖面插值法取值。

圖1 不同類型土層分布Su 值隨深度的變化曲線

如圖2 所示，針對長徑比0.5≤L/D≤6 的深淺基礎(chǔ)，分別定義了MH 復(fù)合加載破壞包絡(luò)面、VHmax復(fù)合加載破壞包絡(luò)面和VHM 復(fù)合加載破壞包絡(luò)面等3 種荷載空間內(nèi)的破壞包絡(luò)面特性，包絡(luò)面均為（L/D）和（ez，su/L）的平滑橢圓函數(shù)。

圖2 3 種荷載空間內(nèi)的破壞包絡(luò)面

1.1 MH 平面上的破壞包絡(luò)軌跡

MH 復(fù)合加載破壞包絡(luò)面，當豎向荷載V=0 時，MH 破壞包絡(luò)面橢圓方程按公式（1）～（10）表示。

式中：φMH為斜橢圓轉(zhuǎn)角；H*為無量綱水平力；λL為荷載系數(shù)；H 為水平荷載；M*為無量綱彎矩；M 為彎矩；aMH為彎矩及水平力橢圓長軸參數(shù)；bMH為彎矩及水平力橢圓短軸參數(shù)；D 為樁徑；L 為樁長；SuL為樁端至樁尖間土層不排水抗剪強度平均值。

針對長徑比0.5≤L/D≤6 的吸力樁基礎(chǔ)，其中φMH、aMH和bMH可按公式（4）～（5）計算。

式中：ez，su為不排水抗剪強度曲線相對于吸力樁樁底的偏心點離吸力樁頂?shù)木嚯x；ΔφMH為斜橢圓轉(zhuǎn)角變量；Np，fix為基礎(chǔ)固定端側(cè)向承載力系數(shù)；Np，free為基礎(chǔ)自由端側(cè)向承載力系數(shù)。

如圖3 所示，通過樁端自由度與長徑比，確定樁的側(cè)向承載力系數(shù)。

圖3 樁的長徑比與側(cè)向承載力系數(shù)關(guān)系

（1）ΔφMH可按下列公式（7）～（9）計算。

①對于表層強化土（ez，su/L=1/4）：

②對于均質(zhì)土（ez，su/L=1/2）：

③對于正常固結(jié)土（ez，su/L=2/3）與階梯型土（ez，su/L=3/4）：

（2）當0.5≤L/D≤1.5 時，ΔbMH可按式（10）計算。

式中：ΔbMH為彎矩及水平力橢圓短軸變量。

1.2 VMmax 平面上的破壞包絡(luò)軌跡

VHmax復(fù)合加載破壞包絡(luò)面按公式（11）～（15）計算。

aVH和bVH的值可按公式（12）～（15）計算。

（1）對于表層強化土（ez，su/L=1/4）：

（2）對于均質(zhì)土（ez，su/L=1/2）：

（3）對于正常固結(jié)土（ez，su/L=2/3）：

（4）對于階梯型土（ez，su/L=3/4）：

式中：Hmax，V為當V≠0 時，最大水平荷載；Hmax為當V＝0 時，最大水平荷載；V 為豎直荷載；Vmax為最大豎直荷載；aVH為豎向及水平力橢圓長軸參數(shù)；bVH為豎向及水平力橢圓短軸參數(shù)。

1.3 VHM 空間的破壞包絡(luò)面

VHM 三維荷載空間內(nèi)的破壞包絡(luò)面方程，包括吸力樁基礎(chǔ)在豎向荷載V、水平荷載H 及彎矩M 復(fù)合加載條件下破壞包絡(luò)面的分析，完整的VHM 三維復(fù)合荷載空間內(nèi)的破壞包絡(luò)面屈服函數(shù)由MH 復(fù)合加載破壞包絡(luò)面與VHmax復(fù)合加載破壞包絡(luò)面聯(lián)立得出。下列方程式（16）～（18）可用來合理計算復(fù)合加載條件下吸力樁基礎(chǔ)的承載力。

式中：t 為橢圓角度參數(shù)。

將方程（18）代入方程（16）和（17）聯(lián)立求解，得到三維復(fù)合荷載空間內(nèi)的破壞包絡(luò)面屈服方程函數(shù)，可按式（19）表示。

式中：fVHM為VHM 三維復(fù)合荷載空間內(nèi)的破壞包絡(luò)面屈服函數(shù)。

fVHM為VHM 三維復(fù)合荷載空間內(nèi)的破壞包絡(luò)面屈服函數(shù)；當fVHM＜0：在屈服包絡(luò)面之內(nèi)，認為吸力樁基礎(chǔ)的承載力和整體穩(wěn)定性滿足設(shè)計要求；當fVHM=0：在屈服包絡(luò)面上，認為吸力樁基礎(chǔ)的承載力和整體處于臨界值狀態(tài)；當fVHM＞0：在屈服包絡(luò)面之外，認為吸力樁基礎(chǔ)的承載力和整體穩(wěn)定性不滿足設(shè)計要求。

2 結(jié)論

通過求解VHM 三維荷載空間內(nèi)的破壞包絡(luò)面方程，在方案設(shè)計階段可用于判斷吸力樁承載力和穩(wěn)定性是否符合設(shè)計要求，研究成果可供工程設(shè)計參考。具體得到2 個結(jié)論：

（1）針對長徑比0.5≤L/D≤6 的吸力樁基礎(chǔ)，分別定義了MH 復(fù)合加載破壞包絡(luò)線、VH 復(fù)合加載破壞包絡(luò)線和VHM復(fù)合加載破壞包絡(luò)面等3 種荷載空間內(nèi)的破壞包絡(luò)面特性，包絡(luò)線和包絡(luò)面均為（L/D）和（ez，su/L）的平滑函數(shù)。

（2）fVHM為VHM 三維復(fù)合荷載空間內(nèi)的破壞包絡(luò)面屈服函數(shù)；當fVHM＜0 時在屈服包絡(luò)面之內(nèi)，認為吸力樁基礎(chǔ)的承載力和整體穩(wěn)定性滿足要求；當fVHM=0 時在屈服包絡(luò)面上，認為吸力樁基礎(chǔ)的承載力和整體處于臨界值狀態(tài)；當fVHM＞0：在屈服包絡(luò)線之外，認為吸力樁基礎(chǔ)的承載力和整體穩(wěn)定性不滿足要求。