海上风电桩桶复合基础的竖向承载性能研究

2017-03-20黄周泉苏静波

水力发电 2017年12期

黄周泉，吴锋，苏静波

(1.中交上海三航科学研究院有限公司，上海 200032;2.河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏南京 210098)

0 引言

近几年我国海上风电发展迅速，根据国家规划，至2020年全国的海上风机装机容量将达到5 000 MW［1］。风电基础作为海上风机的重要组成部分，其成本约占工程总成本的20%～30%，因此成为海上风电场成本之中起控制性作用的因素之一。

根据统计，截至目前单桩基础在全球海上风电基础形式中占到80%，是运用最多的风电基础形式。目前，我国采用的单桩基础直径普遍达到6 m以上，入土深度达到60 m以上。随着海上风机功率向着大型化的方向发展，单桩基础的几何尺寸将进一步增加，进而带来单桩基础制作与施工成本的大幅度提高。

桩桶复合基础作为一种新型的海上风电基础，采用桩与桶相结合的复合基础结构形式，无需过度增加桩体的几何尺寸，即可有效地通过桩与桶体的结合，共同承担基础顶部的荷载，从而满足海上风电基础的设计要求，并且可以发挥出桶型基础安装方便、施工成本较低的优点。

近年来对于桩桶复合基础的研究已很多［2-3］，但以往的研究均集中于桩桶复合基础在水平力或上拔力作用下的承载特性分析，很少有研究竖向荷载作用下桩桶复合基础的承载性能。刘文白［4］研究了不同几何尺寸桩桶复合基础竖向荷载作用下的应力分布变化，并根据不同几何尺寸的桩桶复合基础承载力提出结构优选方法，但研究均基于桩径为1 m的小尺寸的桩桶复合基础。本文基于ABAQUS，研究海上风电桩桶复合基础在竖向荷载作用下的承载特性，荷载分担，工作性状，破坏模式以及几何尺寸对基础承载性能的影响。

1 计算模型及参数选取

在进行海上风电基础性能研究时，首先要确定基础的几何尺寸，海上风电桩桶复合基础作为一种新型基础形式尚没有工程实例，所以根据现有的海上风电单桩基础的几何尺寸来确定所研究的桩桶复合基础的大致几何尺寸。

根据试算结果，确定本文中研究桩桶复合基础的承载特性时所采用的结构几何尺寸如图1所示。其中，桶体外径D=12 m，桶体高度h=3 m，泥面以上预留连接段长度l=3 m，桶壁厚度δb=50 mm;桩体的入土深度Z=40 m，泥面以上桩长L=15 m，桩体外径d=4 m，桩壁厚δp=50 mm;在桩体与桶体的连接部位留有0.1 m的间隙。为了对比桩桶复合基础的承载性能，本文还建立了与桩桶复合基础几何尺寸相同的单桩基础和桶型基础。运用ABAQUS建立桩桶复合基础的有限元模型如图1所示。

图1 桩桶复合基础计算模型

荷载的施加，首先在桩顶的中心处定义一个参考点，再将参考点与桩顶进行耦合，竖向荷载施加在该参考点上。

研究中为消除边界效应的影响，计算区域在桩底以下取5倍桩径范围的土体，水平方向取5倍桶径范围的土体作为约束边界。基础与土体之间设置摩擦接触，摩擦系数为tan(0.75φ)，其中，φ为土体的内摩擦角。

本文中为了研究海上风电桩桶复合基础的承载性能的规律性，同时为了简化计算，研究选取单一土体，土质为典型的黏土，土质参数如表1所示。土体采用Mohr-Coulomb本构模型，钢采用理想弹塑性与硬化塑性结合的本构模型，灌浆材料采用混凝土损伤塑性本构模型。

表1 土质参数

2 竖向承载力分析

基础的竖向承载力是在基础研究之中需研究者关注的首要问题。同样为确保风机能够正常的工作，需要研究风电基础所能够承受的竖向极限荷载。在工程设计中，当竖向荷载—位移曲线(Q—S)中出现较为明显的陡降段时，通常以转折点所对应的竖向荷载的大小来确定基础的极限承载力［5］。此外，我国风电基础的相关规范中规定，低、中压缩性土体中基础的允许沉降量为100 mm［6］。桩桶复合基础以及与之几何尺寸相同的单桩基础、桶型基础的Q—S关系曲线如图2所示。

图2 竖向荷载与竖向位移关系曲线

由图2可知，三种类型的基础竖向位移大小均随着单一竖向荷载的增加而增加。其中单桩基础的Q—S曲线有明显的转折点，当基础顶部竖向荷载达到转折点之后Q—S曲线出现明显陡降，可以将Q—S曲线之中转折点处所对应的竖向荷载的大小，即1.8×104kN确定为单桩基础的竖向承载力。当桶型基础与桩桶复合基础的竖向沉降达到风电基础的允许沉降100 mm时，Q—S曲线没有明显的转折点，据此可以判断，桩桶复合基础的竖向承载力大于下沉量达到100 mm时所对应的竖向荷载的大小(即5.1×104kN)。

3 竖向荷载下基础的荷载分担

海上风电桩桶复合基础之所以能够承受竖向荷载，是由于受到桶顶阻力、桶内侧摩阻力、桶外侧摩阻力、桶端阻力、桩内侧摩阻力、桩外侧摩阻力、桩端阻力等土体的反力作用。通过研究竖向荷载下桩桶复合基础的荷载分担，可以为研究桩桶复合基础中各部分几何尺寸对基础承载性能影响的大小提供依据。

桩桶复合基础的土体反力见图3。由图3可知，桩桶复合基础所受的竖向荷载主要由桩外侧摩阻力和桶顶阻力承担。当桩顶竖向荷载小于2.5×104kN时，两种反力随着竖向荷载的增加近似于线性增加，其中，桩外侧摩阻随着竖向荷载增加的速度较快;当桩顶竖向荷载大于2.5×104kN后，桩外侧摩阻随着竖向荷载增加的速度则明显变缓，桶顶反力增加的速度则有所提高。

图3 桩桶复合基础的土体反力

桩桶复合基础在不同竖向荷载作用下桩体与桶体对荷载的分担状况如图4所示。由图4可知，当竖向荷载小于2×104kN时，竖向荷载主要由桩体承担，百分比约为70%，且变化幅度很小。当竖向荷载大于2×104kN后，随着竖向荷载的增加桩体的分担作用逐渐减小，桶体的荷载分担比逐渐增大。当竖向荷载为5×104kN时，桶体的荷载分担比达到了45.15%。

图4 荷载分担比

4 竖向荷载下基础的工作性状

根据以上分析，在竖向荷载作用下桩桶复合基础所受的土体反力中桩外侧摩阻承担了较大一部分竖向荷载。单桩基础和桩桶复合基础的桩外侧摩阻力如图5所示。从图5可以发现，当竖向荷载达到1.8×104kN之后，单桩基础的桩外侧摩阻力已完全发挥，继续增加竖向荷载桩外侧摩阻的数值稳定在1.82×104kN左右。

当竖向荷载达到2.5×104kN时，桩桶复合基础的桩外侧摩阻为1.71×104kN，桩外侧摩阻力与竖向荷载的关系曲线出现转折点，此后桩外侧摩阻随着竖向荷载的增加而继续增加。当竖向荷载达到5×104kN时，桩外侧摩阻达到了1.99×104kN。由此可见，桩桶复合基础通过增加桶体，使得桩体的桩外侧摩阻力能够得到更好地发挥。

图5 桩外侧摩阻力

为了研究在单桩基础外增加桶体能够使得桩外侧摩阻力能够更好发挥的原因，图6给出了桩外侧土压力随深度变化的分布曲线。

从图6可以发现:

(1)当基础顶部沉降为0时，单桩基础的桩侧土压力随着深度的增加而增加，在桩底的位置有所减小;基础顶沉降为50 mm和100 mm时，单桩基础的桩侧土压力情况几乎一致，土压力大小相比沉降为0时有小幅增加，分布规律没有明显变化。

图6 土压力随桩身分布

图7 轴力随桩身分布

(2)当基础顶部沉降为0时，桩桶复合基础的桩侧土压力分布与单桩基础一致;基础顶沉降为50 mm时，在泥面以下－11.1～0 m深度范围内，桩桶复合基础的桩侧土压力相比单桩基础明显增加;基础顶沉降为100 mm时，在－13.3～0 m深度范围内，桩桶复合基础的桩外侧土压力大小进一步增加。这是由于桩桶复合基础中桶体的下沉增加了桩体周围土体的附加应力，使得泥面以下一定范围内的桩外侧土压力明显增加。从而提高了桩外侧摩阻力，有效增加了桩体的承载性能。

桩桶复合基础中桩体与单桩基础的轴力分布情况如图7所示。从图7可以看出，在泥面以上的范围内，由于基础自重，单桩基础的桩身轴力由桩顶向下逐渐增大;在泥面以下的范围内，由于侧摩阻力的作用，单桩基础的轴力逐渐减小。泥面3 m以上的范围内，桩桶复合基础中桩体的轴力分布与单桩基础完全重合;在泥面以上3 m至泥面以下2 m的范围内，桩桶复合结构中的桩体轴力发生明显减小;泥面2 m以下的范围内，桩体轴力逐渐减小。其中，单桩基础的轴力最大值出现在泥面位置的桩身截面上，与之不同的桩桶结构的桩体轴力最大值则出现在桩体与桶体连接段顶端的桩身截面上。

5 竖向荷载下基础的破坏模式

研究表明，随着基础沉降的增加，单桩基础的桩端土体逐渐形成接近于“球”形的塑性区域。桩桶复合基础不同沉降的情况下土体的塑性应变云图如图8所示。当沉降小于30 mm时，桩底周围出现塑性区，塑性区的形状大致呈现“球”形;塑性应变的大小随着沉降的增加而增加。当沉降达到40 mm时，桩底的塑性应变进一步增大，桶体下面的土体出现塑性区;塑性区由桶体端部向桶体内部并向下延伸。当沉降继续增加时，桶侧的土体出现塑性区，此时桶体以下土体形成连贯的“倒圆锥”形剪切破坏区。