波浪荷载作用下风机桩基础与土相互作用分析

付鹏，胡安峰，涂强，南博文，谢康和



波浪荷载作用下风机桩基础与土相互作用分析

付鹏1, 2，胡安峰1, 2，涂强3，南博文1, 2，谢康和1, 2

(1. 浙江大学 软弱土与环境土工教育部重点实验室，浙江 杭州，310058； 2. 浙江大学 滨海和城市岩土工程研究中心，浙江 杭州，310058； 3. 中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都，610031)

采用三维数值分析方法，建立考虑流固耦合的三维桩−土模型；同时考虑波浪作用在桩上的水平荷载和波浪对海床的直接作用，研究2种形式的波浪荷载耦合作用下海上风机桩基础与土相互作用；根据数值模拟结果，研究2种荷载耦合作用下海上风机桩基础的变形与内力分布、桩侧土体超静孔压及桩土界面接触应力的变化规律，探讨不同波浪参数对单桩基础性状的影响，并与只考虑桩受荷时的计算结果进行对比分析。研究结果表明：当考虑波浪对海床的作用时，桩身将产生附加水平位移，同时也会引起桩侧土体超静孔压和桩土界面接触应力的循环变化。

波浪荷载；海上风机；桩基础；水平位移；超静孔压

海上风电作为一种可再生能源，具有巨大的开发潜力[1−2]。目前已建成的海上风电场中，海上风机通常采用大直径单桩基础[3]。在设计海上风机桩基础时，波浪荷载是需要考虑的主要环境因素之一。波浪对桩−土系统的作用主要体现在2个方面：1) 波浪作用于桩上的水平荷载；2) 波浪直接作用于海床，在海床表面产生附加压应力和超静孔压。已有不少研究者对海上风机桩基础的水平受荷特性进行研究。MATLOCK等[4−5]通过现场试验提出了水平受荷桩的−(土反力−水平位移)曲线法。KOUDA等[6−8]通过离心机试验研究了水平荷载作用下桩基础的承载特性。目前，数值分析方法也被大量应用于桩基础特别是大直径桩基础的分析。BROWN等[9]利用三维有限元模型分析了水平荷载作用下桩−土系统的响应规律。ACHMUS等[10]结合循环动三轴试验结果，提出了刚度衰减模型，分析了在长期水平循环荷载作用下海上风机大直径桩基础的侧向变形。对于波浪荷载作用下海床的变形和孔压响应问题，国内外许多研究者进行了研究。JENG等[11]得出了在波浪荷载作用下有限厚度海床响应解析解。钟佳玉等[12]通过波流水槽模型试验，研究了波浪荷载作用下砂质海床的孔压响应问题。WANG等[13]基于物理模型试验分析了作用于桩上的波浪力，并结合数值模型研究了桩身变形及弯矩的分布规律。胡翔等[14]对在波浪荷载作用下海底单桩与海床的相互作用进行了分析，其研究结果表明波浪荷载直接作用于海床时也会对桩基础的变形产生显著的影响。目前的研究都是对这2种形式的波浪荷载分别进行分析，为了更合理地研究海上风机桩基础在波浪荷载作用下的性状，必须考虑2种荷载的耦合效应。本文作者采用数值分析方法，同时考虑波浪在海床表面产生的压应力、超静孔压和波浪作用在桩基础上的水平荷载，对2种荷载耦合作用下桩基础的特性进行分析，并探讨不同波高、水深对桩基性状的影响。

1 计算模型及参数

1.1 桩土模型参数

钢管桩直径=5 m，壁厚p=4 cm，埋深p=30 m。ACHMUS等[15]指出若土体模型边界至桩身的距离大于12倍桩径，模型底部至桩底的距离大于3倍桩径，则可以忽略边界条件对数值计算结果的影响。取土体模型厚度为60 m，半径为70 m。土体采用Mohr-Coulomb 模型模拟，并引入孔压单元模拟土体流固耦合。建模分析中将钢管桩等效为实心桩，桩土模型参数如表1所示。

表1 桩土模型参数

1.2 波浪荷载模拟

采用Airy线性波理论描述波浪运动，波浪沿方向前进，桩轴线沿方向，分别计算波浪作用在桩上的水平荷载及波浪对海床的作用，计算模型如图1所示。

图1 计算模型

1.2.1 对海床的作用

在海床表面施加大小相同的压应力和孔压，表达式如下：

式中：为海床表面的压应力；w0为海床表面的孔压；为时间；水重度w=10 kN/m3；波高=3 m；周期= 10 s；波长=100 m；水深=20 m；波数=2π/；角频率=2π/。

1.2.2 对桩的作用

采用Morison公式计算波浪作用在桩上的水平荷载。该公式将桩体受到的波浪力分为2个部分：一部分是由波浪水质点的水平速度引起的拖曳力，另一部分是由波浪水质点的水平加速度引起的惯性力。在桩体长度增量d上的总力为

1.3 三维有限元模型的建立

考虑到荷载及物理模型的对称性，将桩−土模型设计为半圆柱体。在网格划分时，靠近桩的区域网格划分较密，远离桩的区域网格划分较稀。总共有5 304个单元，6 500个节点。在桩−土之间设置接触面，采用库仑摩擦模型模拟接触面的摩擦行为，摩擦因数在数值上设为土体内摩擦角的2/3[15]。模型四周为水平支座，底部为固定支座；底部及四周设置为不透水边界。桩−土三维有限元模型如图2所示。

图2 三维有限元模型

2 计算结果分析

2.1 模型验证

2.2 桩身水平位移

桩身水平位移是评价海上风机桩基础承载能力的一个重要指标。图4所示为=7.5 s时考虑2种波浪荷载耦合作用和只考虑桩受荷这2种工况下的桩身位移对比。从图4可以看出：当考虑波浪对海床的作用时，桩身会产生水平方向的附加位移，且在20~30 m埋深范围内附加位移较大，这与图3所示土体变形规律基本一致。图5和图6所示分别为桩顶和桩底水平位移在2种工况下随时间的变化。结合图4~6可以看出：波浪荷载作用于海床上引起的桩身附加位移与水平荷载作用下桩顶位移方向一致，只有桩受荷时，桩顶水平位移幅值为2.1 mm；在耦合荷载作用下，桩顶水平位移幅值为3.6 mm，附加位移为1.5 mm。同时可以看出桩身平移方向与水平荷载作用下桩底位移方向相反，2种工况下桩底位移存在半个周期的相位差。

图3 本文模型计算结果与GATMIRI模型 计算结果对比

1—考虑荷载耦合；2—只考虑桩受荷。

1—考虑荷载耦合；2—只考虑桩受荷。

2.3 桩身弯矩及桩顶转角

图7所示为=7.5 s时，考虑2种波浪荷载耦合作用和只考虑桩受荷这2种工况下的桩身弯矩对比。从图7可以看出：相比于只有桩受荷的情况，耦合荷载作用下桩身弯矩更小，且在桩身中部两者相差最大。

为了保证风机机组的正常运行，桩顶转角必须控制在规定的范围内。例如，我国要求海上风电结构在泥面处的转角不超过0.17°。图8所示为2种工况下的桩顶转角随时间的变化。从图8可以看出：当考虑波浪荷载耦合作用时，桩顶转角幅值比只考虑桩受荷时的幅值减小20%，这对于保障风机的正常运行是非常有利的。

2.4 桩侧摩阻力及土体超静孔压

图9所示为2种波浪荷载耦合作用时不同深度下桩侧摩阻力变化曲线。从图9可以看出：不同深度下桩侧摩阻力均随时间呈周期性变化。在15 m深度范围内，随着深度增加，桩侧摩阻力幅值越大，不同深度下桩侧摩阻力周期变化幅度大致相同。图10所示为耦合荷载作用时，不同深度下的桩侧土体超静孔压变化曲线。图11所示为=10 s时，桩侧土体超静孔压分布。由图10和图11可知：桩侧土体会产生呈周期变化的超静孔压，且在桩侧0~5 m深度范围内超静孔压较大。在考虑波浪荷载长期循环作用时，桩侧摩阻力及桩侧土体超静孔压周期变化会弱化桩土相互作用，对桩基础的承载力和变形产生不利影响[18]。

1—考虑荷载耦合；2—只考虑桩受荷。

1—考虑荷载耦合；2—只考虑桩受荷。

埋深/m：1—5；2—10；3—15。

埋深/m：1—0；2—5；3—10；4—15。

图11 桩周土体超静孔压分布云图(t=10 s)

3 波浪参数的影响规律

为了更深入地研究波浪荷载对风机桩基础的影响规律，下面将探讨不同波浪高度和不同水深条件下桩基础的变形特性。

3.1 波高的影响

图12和图13所示分别为当水深=20 m时不同波高对考虑荷载耦合作用与只考虑桩受荷时桩身位移的影响。以桩顶位移为例进行分析，由图12~13可知：随着波高从3 m增加到5 m，当只有桩受荷时，桩顶位移从2.1 mm增加到3.6 mm；而在耦合荷载作用下，桩顶位移从3.6 mm增加到6.3 mm。2种工况下桩顶位移分别增加71.4%和75%。说明波高的变化对2种荷载效应的影响基本一致。

H/m：1—3；2—4；3—5。

H/m：1—3；2—4；3—5。

3.2 水深的影响

图14和图15所示分别为波高=3 m时不同水深对考虑荷载耦合作用与只考虑桩受荷时桩身位移的影响。同样选取桩顶位移为例进行分析，由图14~15可知：当只有桩受荷时，水深10，15和20 m对应的桩顶位移分别为1.4，1.8和2.1 mm。而当2种波浪荷载耦合作用时，水深10，15和20 m对应的桩顶位移分别为3.8，3.7和3.6 mm。在3种水深条件下，波浪荷载作用在海床引起的桩顶水平附加位移分别为2.4，1.9和1.5 mm。结果表明，水深越深，水平荷载引起的桩身位移越大，波浪荷载作用在海床上引起的桩身附加位移越小，说明在浅水区更应注重2种形式的波浪荷载对桩基础的耦合作用。

d/m：1—10；2—15；3—20。

d/m：1—10；2—15；3—20。

4 结论

1) 相比于只考虑桩受荷的情况，考虑波浪荷载耦合作用时桩身会产生附加水平位移，且在深度为1/5波长左右，附加位移最大。同时，桩身弯矩与桩顶转角均会减小，2种工况下桩身中部弯矩相差较大。

2) 桩土界面接触应力及桩侧土体超静孔压均会发生周期性变化，桩周0~5 m深度范围内超静孔压较大，不同深度下桩侧摩阻力变化幅度大致相同。在考虑波浪荷载长期循环作用时这种周期变化会弱化桩土相互作用，对桩基础的承载力和变形产生不利影响。

3) 随着波高增加，2种工况下桩身位移变化规律大致相同，表明波高变化对2种荷载效应的影响基本一致。随着水深增加，水平荷载引起的桩身位移增大，波浪荷载作用在海床上引起的桩身附加位移减小，说明在浅水区更应重视2种形式的波浪荷载对桩基础的耦合作用。

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(编辑 伍锦花)

Behavior of monopile supported offshore wind turbines under wave load

FU Peng1, 2, HU Anfeng1, 2, TU Qiang3, NAN Bowen1, 2, XIE Kanghe1, 2

(1. Key Laboratory of Soft Soils and Geoenvironmental Engineering of Ministry of Education, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China; 2. Research Center of Coastal and Urban Geotechnical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China; 3. China Railway Eryuan Engineering Group Co. Ltd., Chengdu 610031, China)

A 3D finite element model considering fluid-soil coupling for monopile foundation of offshore wind turbine was proposed to study the interactive behavior of pile and soil under wave load. Effects of waves on both pile and seabed were considered in this model. Based on simulation results, deformation and internal force of monopile were investigated. Moreover, response of pore pressure within soil around pile and contact stress of the interface between pile and soil were discussed. The effects of wave height and water depth on monopile behavior were studied, and the model considering only the lateral load on pile was compared with the model considering the coupling effect of wave load. The results show that there is additional lateral displacement of monopile when considering the coupling effects of wave load. Furthermore, pore pressure within soil around pile and contact stress of the interface between pile and soildisplay cyclic variations with time.

wave load; offshore wind turbine; monopile; lateral displacement; excess pore pressure

10.11817/j.issn.1672−7207.2018.08.022

TU443

A

1672−7207(2018)08−2009−07

2017−08−10；

2017−10−10

国家自然科学基金资助项目(51778572)；浙江省自然科学基金资助项目(LY14E080016)(Project(51778572) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(LY14E080016) supported the Natural Science Foundation of Zhejiang Province)

胡安峰，博士，副教授，从事海洋岩土工程与桩基工程研究；E-mail：anfenghu@zju.edu.cn