海上風電大直徑單樁基礎水平向承載特性研究

摘 要：本文針對海上風電大直徑單樁基礎的水平受力性能進行研究。首先，建立土的動態(tài)強化數(shù)學模型，其次，分析單樁基礎水平向承載力影響因素，最后，對考慮土體弱化的海上風電大直徑單樁基礎水平向承載特性進行分析。研究發(fā)現(xiàn)，大直徑單樁基礎的水平向承載能力主要受樁徑、樁長等因素影響。在循環(huán)荷載作用下，基礎的剛度衰減呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，隨著循環(huán)次數(shù)增加，剛度逐漸衰減。

關鍵詞：海上風電；大直徑；單樁基礎；水平向；承載特性

中圖分類號：TU 47" " 文獻標志碼：A

1 構建土體運動硬化模型

對海上風電大直徑單樁基礎水平方向承載特性進行深入研究，需要關注土體的塑性變形行為。土體作為大直徑單樁基礎的主要承載介質，其塑性變形行為直接影響基礎的承載性能[1]。因此，為了準確模擬和預測土體的塑性變形行為，需要構建一個土體運動硬化模型。

該模型能夠考慮土體在復雜應力狀態(tài)下的流動和硬化行為，對理解大直徑單樁基礎在水平荷載作用下的性能表現(xiàn)至關重要。采用該模型模擬和分析土體在基礎底部的應力分布、塑性區(qū)域的發(fā)展以及硬化過程中的剪切帶形成等現(xiàn)象。

本文建立土的非線性應力-應變關系的數(shù)學模型、考慮剪切帶形成的局部化現(xiàn)象以及流動與硬化的耦合效應等因素[2]。采用適當?shù)谋緲嫹匠毯湍Ｐ蛥?shù)，模擬不同工況下土體的應力分布和變形行為，為大直徑單樁基礎的水平向承載特性分析提供更加準確的預測方法。土體的屈服函數(shù)表達式如公式（1）所示。

Φ=F（σij，aij）-A=0 （1）

式中：Φ為土的屈服強度；σij為應力張量；aij為后應力張量（它是確定應力空間中屈服面定位的動態(tài)強化參數(shù)）；A為屈服面在應力空間上的大小。與 Mises屈服判據(jù)相關，關系如公式（2）所示。

可通過公式（3）計算背應力參數(shù)。

式中：C為初始運動硬化模量；γ為背應力隨塑性變形發(fā)展的硬化率；p為等效塑性應變增量。按照本文上述內(nèi)容對土體運動硬化模型進行構建。

2 單樁基礎水平向承載力影響因素分析

在海上風電大直徑單樁基礎中，水平向承載力的影響因素眾多，主要因素如下。1）土體性質：密度、含水量、塑性、彈性模量等土體物理參數(shù)。一般來說，土體越密實、含水量越低，其承載能力越強[3]。2）樁身設計：樁身的截面形狀、材料強度、樁身的長度和直徑等設計因素。合理設計能夠提高單樁基礎的承載力，減少樁身和土壤的應力集中。3）施工方法：例如樁身的打入方式（錘擊或振動）、打入深度等，也會影響單樁基礎的承載力[4]。不適當?shù)氖┕し椒赡軐е聵渡砥被蛳鲁?，影響其水平向承載力。

在上述分析基礎上，結合上述構建的土體運動硬化模型，對影響單樁基礎水平向承載力的各項因素進行具體分析?？梢越⒁粋€土體硬化模型，這個模型基于塑性理論，能夠反映土體硬化規(guī)律。模型的彈性部分可以采用合理的雙剛度，即加載卸載模量分別定義，同時考慮土體的壓硬性。塑性部分可以采用非相關聯(lián)流動法則和各項同性的硬化準則，更好地描述雙曲線形式的應力-應變關系和土體的剪脹性。可以采用有限元方法進行數(shù)值模擬，例如模擬土體的應力、應變和位移等物理量。在有限元計算中，采用線彈性模型模擬海上風電大直徑單樁基礎的水平向承載特性。本文數(shù)值模擬有以下假設：樁身材料服從線彈性理論，具有均勻的彈性性質。將彈性模量設定為210GPa，壁厚為40mm。在地基土的模擬方面，為了更準確地描述其非線性行為，選用非線性運動硬化模型，構建能反映土的非線性應力-應變關系及土的強化特征的本構模型[5]，為準確預測土體的承載和變形行為提供了有力支持?；趯嶋H工程地質條件對參數(shù)進行選擇。具體參數(shù)：土體的不排水強度為50kPa，初始模量為20MPa。為了提高計算精度，針對樁周土體進行網(wǎng)格加密處理，保證模擬結果的準確性。在模型建立過程中，須特別關注土體范圍設定。土體水平向的寬度取6～61倍的樁徑，豎向高度則取1～2倍的樁長。這種范圍設定能夠充分考慮土體對樁基承載性能的影響，并保證模擬的有效性。計算模型包括約35000個網(wǎng)格單元，其中，C3D8R單元表示樁與土的力學行為。這種單元類型適用于三維、八節(jié)點、減少積分單元計算，能夠提供高精度的模擬結果。圖1為單樁有限元計算模型。

上述構建的有限元模型具備合理性，可以保證準確地模擬海上風電大直徑單樁基礎的水平向承載特性?；谶@個驗證結果，本文決定采用該模型進行進一步研究。為了全面了解樁基的性能，以直徑為1～7m，長度為45m，壁厚為40 mm的單樁為研究對象，采用有限元方法對其進行有限元分析。計算時，將土體的入土量設為固定值，保證研究結果的客觀性和可比性。在有限元模擬中，將水平靜荷載加載點設定在泥面處，以此模擬實際風電設備對樁基的承載要求。同時，為了簡化模型和提高計算效率，假設下部土體為均質土，土質為淤泥質黏土。根據(jù)工程地質的實際條件提出這個假設，該假設可以提供合理的近似值。針對不同樁徑的有限元模型，根據(jù)實際情況和工程要求，詳細設定參數(shù)，見表1。

按照表1的數(shù)據(jù)設置，通過模型計算可以得出，當土層厚度相同時，單樁基礎的水平承載能力隨直徑增加而增加。樁身長度對水平向承載特性的影響最大。這個觀測結果對理解大直徑單樁基礎的性能和設計具有重要意義。為了更清晰地展示這種趨勢，對不同徑長比對應的水平承載力H進行歸一化處理，得到H/Hmin。這種處理方式有助于更好地比較不同樁徑下的水平承載力，并識別其變化規(guī)律。通過深入研究H/Hmin隨徑長比的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)存在明顯的趨勢，如圖2所示，圖中詳細展示了H/Hmin與徑長比之間的關系。

根據(jù)API規(guī)范規(guī)定，可以采用彈性分析法來計算殼體強度。彈性分析法基于彈性力學原理，通過殼體的彈性力學模型，利用彈性理論公式進行計算。這種方法假設殼體在受力后發(fā)生彈性變形，且變形與外力成正比。與有限元計算結果相比，API規(guī)范結果的誤差更大。從圖2可以看出，大直徑樁的直徑比與其水平承載力存在較好的相關關系。尤其是隨著樁徑和長徑比增加，其水平承載力也隨之增加。在樁徑比較小的情況下，這種增加的趨勢更為顯著。在此基礎上，只要改變最小的直徑比，就可以改善基礎的水平承載力，其作用十分顯著。因為小徑長比的樁身在土體中可以起到較大的側向約束作用，所以有助于提高其水平承載能力。然而，隨著樁徑長比增加，這種提升作用逐漸呈變緩趨勢。說明當樁徑長比較大時，即使徑長比繼續(xù)增加，其對水平承載力的提升效果也有限。

這種規(guī)律對指導海上風電工程中大直徑單樁基礎設計和選型具有重要意義。了解樁徑對水平承載力的影響，可以幫助工程師們更合理地選擇樁徑，以滿足風電設備的穩(wěn)定性和安全性要求。同時，該研究結果還可以為未來風電場建設提供有價值的參考信息，促進海上風電的可持續(xù)發(fā)展。

3 考慮土體弱化的海上風電大直徑單樁基礎水平向承載特性分析

以非線性運動強化判據(jù)為基礎，引入相關滲流定律，建立能反映土性劣化特性的本構關系，如公式（4）～公式（6）所示。

式中：δ為土在弱化前后的抗剪強度比；δres為殘余衰減比；b為衰減系數(shù)；Es為弱化后土體的變形模量；Es0為土體在弱化前的壓縮模量；Su為弱化后土體抗剪強度；Su0為弱化前土體初始抗剪強度；Surcs為循環(huán)荷載作用下的最終殘余強度。結合上述公式，繪制在不同的荷載幅值條件下，海上風電大直徑單樁基礎水平方向力—曲線圖，如圖3所示。

由圖3可知，循環(huán)荷載對樁基的承載能力有較大的影響。樁基的抗彎承載能力已遠超出其水平極限。在循環(huán)荷載作用下，樁-土體系的水平承載能力將呈現(xiàn)衰退狀態(tài)，且呈現(xiàn)不同程度的剛度衰減。在各種周期加載的情況下，沿橫向位移的剛度的改變情況見表2。

記錄不同循環(huán)荷載條件下作用轉動方向剛度變化數(shù)據(jù)，見表3。

當循環(huán)荷載幅值很小時，樁-土體系的剛度衰減幅度不大。在低周反復加載振幅為0.7倍的情況下，最大水平位移和水平轉角分別為32.7m和4.7°。結構的剛度隨周期增加而降低。在低周反復荷載下，梁的剛度衰減趨勢明顯。在此過程中，結構的彎曲剛度比橫向剛度的衰減要大。循環(huán)次數(shù)越少，循環(huán)荷載振幅對剛度衰退的影響越小，說明循環(huán)次數(shù)越少，其對結構剛度的影響越大。

綜上所述，樁-土系統(tǒng)的剛度衰減規(guī)律與樁基承載力的變化規(guī)律具有一定的相似性。在實際工程中，應充分考慮循環(huán)荷載幅值和循環(huán)次數(shù)對剛度衰減的影響，保證樁基的穩(wěn)定性和保障安全性。

4 結論

本文對海上風電大直徑單樁基礎水平向承載特性進行了深入研究，得到以下結論。1）樁身長度對水平向承載特性的影響最大。2）當樁徑長比較大時，即使徑長比繼續(xù)增加，其對水平承載力的提升效果也變得有限。3）在低周反復荷載下，梁的剛度衰減趨勢明顯。

這些結論為大直徑單樁基礎設計、施工和使用提供了重要的理論依據(jù)和實踐指導。然而，海上風電場的環(huán)境復雜多變，大直徑單樁基礎的實際運行性能可能受到多種因素的影響。因此，未來的研究應進一步關注實際工況下的基礎性能表現(xiàn)，加強長期性能觀測和安全性評估，為海上風電的可持續(xù)發(fā)展提供更加堅實的科技支撐。

參考文獻

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