离岸裙式吸力基础在砂土地基中沉贯性研究

李大勇,王 梅,刘小丽

(1.山东科技大学山东省土木工程防灾减灾重点实验室,山东 青岛 266510;2.同济大学地下建筑与工程系,上海 200092)

离岸裙式吸力基础在砂土地基中沉贯性研究

李大勇1,王 梅2,刘小丽1

(1.山东科技大学山东省土木工程防灾减灾重点实验室,山东 青岛 266510;2.同济大学地下建筑与工程系,上海 200092)

吸力基础是海洋工程中新型的一种基础型式,广泛应用于海洋平台、海洋浮动式结构等,近年来,也被作为浅海离岸风力发电工程的基础。吸力基础易遭受较大的水平动力荷载和弯矩,从而可能产生较大水平位移和转角;同时,由于海床冲刷,会降低其承载能力。为克服这些不足,提出了一种新型吸力基础——裙式吸力基础,把分析传统吸力基础砂土中的沉贯方法,拓广到裙式吸力基础中,研究该基础型式在砂土中的可沉贯性以及所需的吸力;并与同情况下的传统吸力基础进行了比较,证明了所提出的裙式吸力基础具有较好的沉贯性能,具有工程实践推广价值。

裙式吸力基础;砂土地基;沉贯阻力;海洋工程

Abstract:Suction foundations are also referred to as suction anchors,suction pilesor suction caissons,and are conventionally used in offshore engineering to fix platform andmoor floating structures.Currently they act extensively as foundations for the offshorewind turbines in shallow sea water.Such a foundation is suffering from large lateral cyclic loading andmoment resulting in the excessive horizontal displacement and rotation.In addition,due to the erosion of seabed caused bywaves,the bearing capacity for the suction foundationwill be decreased.Tomitigate these disadvantages,a new typeof suction foundation named the skirted suction foundation ispresented in thispaper.Houlsby′sapproach to analyzing the installation of conventional suction anchors in sand isextended to the skirted suction foundation.The two stagesof the penetration of the skirted suction foundation consisting of self-weight induced and suction-induced are investigated.Compared with the installation of the conventional suction foundation depicted in the literature,it is shown that the skirted suction foundation hasa better behaviorof installation with lower costof construction and further time-saving.

Key words:skirted suction foundation;sand layer;penetration resistance;ocean engineering

随着全球能源危机、环境污染和温室效应日益加重,越来越多的国家重视开发可再生能源。由于海上风能资源丰富,海上风电工程具有零污染、零排放且没有视觉、噪音以及不占用陆地等优点,自世界上第一个海上风力发电厂1991年在丹麦建成,吸引了荷兰、英国、德国、意大利、瑞典和挪威等欧洲国家和美国等海洋国家的重视和大力发展海上风力发电工程[1]。中国是一个海上风力资源丰富的国家,尤其黄海和东海属于浅海风场资源,据有关资料统计(中国风能网),我国近海10m水深的风能资源约1亿kW、近海20m水深的风能资源约3亿 kW、近海30m水深的风能资源约4.9亿kW,是陆地风能资源的2倍,具有巨大的能源资源潜力。2008年我国已成为世界第四大风电利用国家,但目前海上风电占的比例微乎其微;我国海上风力发电与世界发达国家相比,虽然起步较晚,但发展迅速。如:2008年9月25日上海东海大桥100 MW海上风电示范项目正式开工,标志着中国海上风电场建设开发正式开始;山东威海将建世界最大海上风电场,投资210亿元,年发电量25亿 kWh;2006年1月12日在青岛召开了中德环境论坛,计划在青岛沿海海域设立5台5MW级海上风电机组。另外,在渤海、黄海、东海和海南等沿海海域也规划建立多处风力发电厂。这对解决我国能源危机、环境污染和CO2减排等问题,起到重大作用[2]。

当前,国际海上风电场所处最大海水深度为30m,而大部分建在5～15m水深海域。作为海上风电工程的基础是整个工程的重要组成部分,目前主要采用的基础形式:重力式基础、桩基础和吸力基础[3-4]。吸力基础作为目前国际海洋工程中应用广泛的一种新型基础型式,它具有费用经济、方便施工、施工速度快、可重复利用等优点而被作为各种系泊在海上浮动式结构物、海洋平台的基础,并且近几年也在海洋海上风力发电工程中得到了成功应用,引起了海上风机发电领域的广泛兴趣和重视[5-6]。传统吸力基础通常直径2～8 m,长径比小于6,厚度一般为25～35mm[7]。通过对水平荷载作用下吸力锚基础响应的分析,吸力锚受到的最大弯矩和剪力发生在浅土层中,即浅层土和吸力锚的相互作用决定了吸力锚基础水平承载力和最大挠度变形。要提高吸力锚的水平承载力,减少其幅值响应,就要想办法提高浅层土中吸力锚和土的相互作用性能[8-10]。

当前5MW风机是最大功率,也是今后海上风场主流采用机型[2],笔者参加了挪威科技大学 Geir Moe教授负责的5MW海上风机设计(叶片直径126m,HUB直径3m,HUB高度90 m。),提出了一种新型吸力基础——裙式吸力基础,如图1所示。这种裙式吸力基础研究意义是:

图1 裙式吸力基础示意Fig.1 Sketches for skirted suction foundation

1)根据水平荷载作用下吸力锚挠度变形机理,设置了“裙”结构,增加了吸力锚基础的抗弯刚度和剪切刚度,从而减少了水平荷载和弯矩作用下基础的水平和转角响应幅值;

2)“裙”的设置扩大了吸力基础的侧面积和承台面积,提高了基础侧面与土体的摩擦力和竖向承载力,减少了基础主桶长度;

3)“裙”的设置大大提高了抵抗海床冲刷的能力,从而保证承载力不受冲刷而降低,延长了基础寿命。

通过科技查新,裙式吸力基础是一种新型海洋结构[11],国内外尚无对此理论与试验研究报道。

1 裙式吸力基础的沉贯性

要使所提出“裙”式吸力基础与传统吸力基础比较具有竞争优势,必须满足两方面的要求:一是较好的沉贯性能;二是提供较大的承载能力。其中,裙式吸力基础满足沉贯要求是承载能力分析的前提。利用解析方法证实了所提出的新型吸力基础——裙式吸力基础在砂土地基中应用的可行性。

裙式吸力基础沉贯过程可分为两个阶段:

1)自重作用下沉贯

裙式吸力基础首先在自重作用下下沉,此时,主桶顶部范围内排水阀门全打开,主桶底部与海床接触,由于底部呈尖形和基础侧壁由薄壁钢板组成,在自重作用下继续下沉;由于侧壁阻力随贯入深度逐渐增大,下沉速度逐渐减小,直至贯入停止,即完成自重作用下的沉贯,主桶内部与海床形成一个密闭水体。

2)吸力作用下沉贯

裙式吸力基础自重作用下沉贯结束后,关闭主桶顶部所有排水孔,开启与中间排水孔连接的潜水泵,排除主桶内水体,此时内部水压力减小,与裙式吸力基础顶部形成压力差即吸力,再由于主桶内部土体与其外部土体形成水头差,产生绕过主桶底部的渗流,由于渗流作用使得基础底部有效应力下降,抗力减小,使得基础在吸力作用下继续下沉,直到下沉到预定位置。在这个过程中,要事先设计好L和H的尺寸,同时设计好主桶高度(即至少与传统吸力基础相比,具有相同承载力和同样潜水泵功率条件),不增加基础造价和施工费用。

2 裙式吸力基础沉贯阻力计算

在传统吸力基础中,常用来计算砂性土沉贯阻力的方法:Shell Offshore Research公司采用的折减系数法和Houlsby[12]等人的极限平衡理论。把Houlsby方法推广到裙式吸力基础计算中,求得了裙式吸力基础沉贯所需的吸力。

2.1 裙式吸力基础自重作用下的沉贯计算(贯入深度 h1)

在自重沉贯过程中,“裙”结构没有接触到海床(如图2所示),基础只承受竖向荷载,且不考虑主桶内土塞的影响。自重沉贯是指吸力基础在自重作用下克服摩阻力竖直贯入土体内一定深度,沉贯阻力为基础主桶内外壁的摩阻力和端部阻力之和。

图2中,V′为竖向有效荷载,即裙式吸力基础的自重与其浮力的差;Di为裙式吸力基础主桶内径;h1为基础的入土深度;Do为裙式吸力基础主桶外径;D为裙式吸力基础主桶平均直径;t为基础壁厚。

取吸力基础内部土体为隔离体,具体受力(不考虑水平力作用,平衡抵消了)如图3所示。图中,γ′为土的有效重度;K为与水平和竖向应力有关的系数;δ为土体与基础的内摩擦角。

图2 裙式吸力基础沉贯示意Fig.2 Installation of the skirted suction foundation

图3 主桶内土体受力分析Fig.3 Forces acting on soilwithin themain bucket

其中,等式(8)右侧第一项为吸力基础主桶外壁侧向阻力;第二项为主桶内壁侧向阻力;第三项为主桶端部阻力。

2.2 裙式吸力基础吸力作用下的沉贯计算

吸力沉贯是指在吸力作用下,基础克服土抗力而贯入到海床预定位置。吸力沉贯阻力不仅要考虑重力影响,还要考虑到吸力作用,并且此阶段分为两个部分:

①沉贯深度在z≤h1+h2范围内(如图4所示)

其计算公式:

式中:等号左边是吸力和有效自重之和,等号右边是基础的侧摩阻力和端阻力之和;s为吸力(kPa);a为与基础端部超孔隙水压力有关的系数,在均匀渗透性土层的沉贯中一般取0.5[12];其余参数含义同上。

②沉贯深度在h1+h2

此阶段是发生在裙范围内的沉贯,因此裙式吸力基础的阻力要在上述①沉贯的基础上附加裙内外壁的摩阻力和端阻力,在式(9)基础上进行修正,则裙的内外壁侧阻力及端阻力之和f:

式中:Dsi为裙的内径;h3为裙的入土深度;Dso为裙的外径;D为裙的平均直径。

则式(9)变为

图4z≤h1+h2范围内的沉贯Fig.4 Installation in the range ofz≤h1+h2

图5h1+h2≤z≤h1+h2+h3范围内的沉贯Fig.5 Installation in the range ofh1+h2≤z≤h1+h2+h3

3 实例验证

选取文献[12]在Sandy Haven地点处砂土地基中传统吸力基础的相关计算参数(表1所示),采用上述公式计算裙式吸力基础沉贯所需的吸力,并与之进行了比较研究。文献[12]采用的传统吸力基础的尺寸是2.5m×4m(高度×直径),经过等体积换算,得出裙式吸力基础尺寸:主桶2m×3.5m(高度×直径),裙的尺寸l×h3=0.5 m×0.5 m。

表1 计算参数Tab.1 Data for calculations

1)自重作用下基础沉贯量计算

把上述相关参数代人式(8)中,得出裙式吸力基础自重沉贯的最大深度h1=0.48m。

2)吸力作用下主桶沉贯量计算

根据h1=0.48m,h3=0.5m,可得到h2=1.02m。因此在自重沉贯0.48 m后,这一阶段需要计算继续沉贯1.02 m深度所需的吸力大小。由式(9)来求该阶段所需吸力s=17.3 kPa。

3)“裙”范围内的沉贯计算

在自重沉贯0.48 m、吸力沉贯1.02 m后,本阶段需要计算裙式吸力基础的“裙”完全沉贯入海床所需的吸力大小。将对应参数值代入式(10)中,得f=140.4 kN,再利用式(11),得所需吸力为28.5 kPa,小于文献[12]提供实例的传统吸力基础所需吸力31 kPa。比较表明:在基础用料相同的情况下,裙式吸力基础减少了主桶的高度,所需吸力小,说明裙式吸力基础具有较好的可沉贯性能、动力能量节省等优点。因此,也说明裙式吸力基础具有较好的经济性和推广应用价值。

4 结 语

提出了一种新型的吸力基础——裙式吸力基础,定性分析了裙式吸力基础的沉贯机理、能有效提高承载能力和具有较好的抗冲刷能力;并定量分析了砂土地基中,自重和吸力作用条件下裙式吸力基础的沉贯过程,得到了达到预期沉贯深度所需的吸力,并与传统吸力基础进行了比较,证明了所提裙式吸力基础具有较好的经济性、可靠性和推广应用价值。另外,对于裙式吸力基础承载力研究和其它土层如粉土、粘土中的沉贯研究,应通过室内模型实验和数值方法做深入研究。

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Behavior of installation of offshore skirted suction foundation in sand

LIDa-yong1,WANGMei2,LIU Xiao-li1
(1.Shandong University of Science and Technology,Shandong Provincial Key Laboratory of Civil Engineering Disaster Prevention and Mitigation,Qingdao 266510,China;2.Departmentof Geotechnical Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China)

P751

A

1005-9865(2011)01-0111-05

2010-04-27

山东省“泰山学者”建设工程专项资助项目;国家自然科学基金资助项目(51078227);山东省自然科学基金资助项目(ZR2009FM003);教育部留学回国人员科研启动基金资助项目

李大勇(1971-),男,山东泰安人,博士,教授,主要从事海洋岩土和地下工程等方面的研究工作。E-mail:ldy@sdust.edu.cn