双点异向循环荷载下吸力式四桶型基础承载特性实验

马玉亮，杨永春

(中国海洋大学工程学院，青岛 266100)

随着全球经济的发展，各国对能源的需求日益增大。能源的过度消耗导致化石能源的日益竭尽，全球能源结构发生明显变化。在人们寻求新型能源时，海上风能作为一种清洁的可再生绿色能源，逐渐走进了人们的生活。与陆地风机相比，海上风机所处的环境风速更加稳定，有利于大型风电场建设，特别是对于沿海经济发达地区，海上风电更具竞争优势[1]。但与此同时，海上风机基础所处的海洋环境比较复杂，受到风、浪等多种环境荷载的共同作用，使得海上风机基础的承载特性变化更加复杂[2-4]。因此，如何保证基础的安全便显得十分重要。

桶型基础是一种新型海上风机基础，由于其成本较低，安装简便，施工周期短，没有噪声，能安装在传统深埋式基础不能安装的区域[5-6]，逐步被人们认可。目前，在单桶基础的稳定性研究方面，丁红岩等[6]针对桶形基础的沉放过程，在粉质黏土中进行了大比尺模型试验。曲延大等[7]采用真空预压法，在软土地基中进行了竖向静荷载与循环荷载的模型试验。王景琪[8]探究了地震作用和环境荷载对桶形基础的影响，考虑了砂土液化时桶形基础的承载性能变化，并研究了多种循环荷载对基础的不同作用机理。国外多名学者[9-10]也针对不同土质下单桶基础的承载特性进行了相关研究。而在多桶基础的承载特性和联合工作机理方面，张苇[11]在饱和砂土中进行了吸力式多桶型基础的大比尺室内模型试验，分析了基础在斜向静荷载作用下的承载特性。Wu等[12]针对吸力式四桶型基础，进行了双点循环荷载实验，研究了风、浪荷载作用方向相同时基础的承载性能。

在实际工程中，存在着风、浪荷载不同向的情况，这会引起作用在风机基础上风荷载与波浪荷载的荷载方向呈一定的夹角[13-14]。目前，相关研究大多将桶型基础所受风、浪荷载作用在相同方向时作为最危险的工况。在此研究背景下，现进行不同荷载夹角下的双点循环荷载模型实验，研究在饱和细砂地基中，四桶型基础在双点不同荷载夹角工况下的极限循环承载能力，并与双点同向荷载作用下的基础承载特性进行对比，分析吸力式四桶型基础的承载特性变化规律。

1 实验前期准备

1.1 吸力式四桶型基础模型

吸力式四桶型基础模型由4个主桶、连接结构以及竖向塔筒组成，塔筒固定在4个主桶位置的几何中心处，与连接结构刚性固定，如图 1所示。主桶材质为不锈钢，长径比为1，高H与直径D均为160mm，壁厚4mm。主桶在实验过程中自身变形可忽略不计，满足刚度需求。实验的土体直径为1280mm，高700mm。实验用细砂土的相对密度为2.67，黏聚力为6.25kPa，内摩擦角为36°，压缩模量为17MPa。

图 1 吸力式四桶型基础模型Fig.1 The suction four-bucket foundation

1.2 加载装置与方向定义

探究吸力式四桶型基础承载特性的实验系统由MTS双通道伺服动态加载系统、拉力传感器、激光位移测量系统、数据采集系统及力传递系统(加载支撑梁，轴承滑轮等)组成。利用加载系统，对四桶型基础上下两加载点施加不同方向的循环荷载，以此来确定不同工况下基础的循环承载性能。通过力采集系统获得的拉力值控制加载，确保基础所受荷载的准确性，测量精度为0.1N。激光位移测量系统的两个激光位移计布置在塔筒受力方向的后侧，竖直向下测量，其中一个位移计用于测量受拉侧桶中心的竖向位移，另一个位移计与该位移计的水平距离固定。分析两点的竖向位移值，确定基础的转角，激光位移计的分辨率为0.005mm。实验的整体布置如图 2所示。

定义相邻两吸力桶连线中点的垂直方向为0°加载方向，沿相对两吸力桶的连线方向为45°加载方向，如图 3所示。

图 2 双点动载实验图Fig.2 The cyclic load test device

图 3 基础模型加载方向示意图Fig.3 Diagram of loading direction of the model

确定其中一个加载点的加载方向，调整另一个加载点的加载方向，使上下两加载点形成一定的荷载夹角，双点动载实验的不同荷载方向的组合工况如表 1所示。

表 1 动载实验加载方向组合Table1 Loading direction combination in dynamic load test

1.3 静极限承载力测量

吸力式桶型基础受水平单调荷载的研究是其承载性状研究的重要形式。通过进行单点水平静载实验，确定基础在该加载点处的静极限承载力及达到极限状态时的水平位移，为动载实验中基础的失效判断提供参考。实验加载高度选取对应风荷载和浪荷载两种荷载的作用点高度，选取0°和45°两种加载方向，相邻桶中心距为2.0D。每次实验之前让砂土在自重作用下固结不少于10h，确保每次实验砂土的抗剪强度保持一致，保证实验结果具有可比性。每种工况下重复进行3次实验，取其平均值作为静极限荷载值，结果作为后续双点动载实验中荷载取值的依据，如表 2所示。

表 2 静载实验结果Table2 List of static load test bearing capacity

2 实验过程

根据单点静极限承载力的实验结果，定义循环荷载为

Ff，c=Fa+Fcsin(ωt)

(1)

式(1)中：Fa为平均荷载，是加载点处施加的恒定荷载值，实验平均荷载比的取值范围为0.3～0.4，即静极限荷载值的30%～40%；Fc为正弦荷载部分的幅值，取值范围为静极限荷载值的5%～25%，即幅值荷载比为0.05～0.25。定义循环荷载比为平均荷载比与幅值荷载比的叠加值，通过选取不同的平均荷载比与幅值荷载比，比较在不同的荷载夹角及循环荷载下，吸力式四桶型基础的承载性能变化。

双点动载实验的两加载点高度采取相对固定的1︰5 的加载高度比，对应波浪荷载和风荷载的作用位置；保证风荷载与波浪荷载对于泥面的弯矩比为5︰2；对应波浪载荷的加载频率为0.1Hz，风荷载的加载频率为0.15Hz，均采用非对称正弦波形加载，时程曲线如图 4所示。实验通过MTS双通道伺服动态加载系统进行加载，在系统控制界面中设定加载条件如图 5所示，通过系统自动反馈控制加载，从而使荷载值满足实验要求。

实验过程中发现，在循环荷载作用下，随着循环次数的增加，基础的水平位移逐渐增大，受压侧桶体产生一定量的竖向沉降，沉降程度随着两加载点荷载夹角的增加而减小。同时，基础的受拉侧桶体与土体之间产生裂缝，随着实验的进行，基础与土体之间的间隙不断扩大，基础出现整体上拔的趋势，发生转动失稳的破坏，基础整体及局部变化形式如图 6所示。

图 4 两加载点循环荷载时程曲线图Fig.4 Cyclic load time history diagram of two loading points

图 5 加载控制系统界面Fig.5 Interface of load control system

图 6 达到破坏时吸力式四桶型基础整体及局部变化Fig.6 Changes of foundation under failure conditions

图 7 两加载点水平位移-循环次数曲线图Fig.7 Displacement time history diagram of the loading point

3 实验结果分析

根据实验得到的静极限承载力及极限状态对应的水平位移值，认为两加载点中任意一点的循环位移幅值达到对应工况下的极限位移值或基础整体转角为3°时，基础判定为失效，得到基础失效时对应的循环加载次数。以失效时对应的循环加载次数作为基础承载性能的衡量指标，判断在不同荷载夹角、循环幅值和循环均值条件下基础的循环承载性能差异。

图7 为两加载点的位移随循环次数的变化，加载点沿荷载方向的位移增量并非线性增加，基础的累积位移增加速度随循环次数的增加而逐渐减慢，这是因为循环荷载对地基的扰动加速其排水固结，使得土体刚度有所增加。累积位移的增大最终导致多桶型基础破坏。

图8(a) 为风荷载方向为0°，波浪荷载方向为45°时，在不同平均荷载比、循环荷载比下，基础失效时对应的循环次数。观察曲线发现，在同种工况下，当平均荷载比一定时，幅值荷载比越大，基础所能承受的循环荷载次数越少，说明基础的承载能力越弱。图 8(b)为风荷载方向为45°，波浪荷载方向为0°时，在不同平均荷载比、循环荷载比下，基础失效时对应的循环次数。对比以上两种工况的实验结果，对于相同的荷载夹角，当风荷载作用于0°方向时，基础的承载性能相较于风荷载作用于45°方向时有整体性的减弱。这是由于基础的受力形式发生变化，风机作为主要影响荷载，0°方向的承载性能弱于45°方向的承载性能，加之波浪荷载的侧向扰动，加速了基础的失稳。

固定风荷载的作用方向为0°、Fa=0.35，调整波浪荷载形成不同的荷载夹角，进一步分析四桶型基础结构在不同风、浪荷载夹角下的承载特性，结果如图9所示。

图 8 工况d、e不同平均荷载比下基础循环次数变化曲线Fig.8 Curve of cycle number under different average load ratio of working condition d and e

图 9 风载方向0°，Fa=0.35时夹角-循环次数曲线Fig.9 Angle-cycle number curve at wind load direction 0 ° and Fa=0.35

在较大的循环荷载比下，基础在非同向循环荷载作用下的承载性能与同向循环荷载作用下的承载性能变化不大；但随着循环荷载比的降低，基础的承载性能差距显著增大，风荷载与波浪荷载夹角为15°～30°时，基础的承载能力较荷载方向相同时有一定程度的削弱。这说明在较小的循环荷载比下，一定的荷载夹角导致基础的承载能力下降，基础处于更加危险的情况。

4 结论

针对实际工程中存在的风、浪荷载不同向的情况，在细砂地质条件下进行了多种荷载方向组合的双点循环荷载模型实验，并与两荷载同向作用下基础的承载性能进行对比。得到的结论如下。

(1)在循环荷载作用下，基础的水平位移较竖向位移变化更大，吸力式四桶型基础最终发生转动失稳，风荷载是影响结构承载性能失效的主要因素。

(2)对比相同荷载夹角下不同的荷载工况组合发现，荷载方向组合的不同导致基础的受力形式发生变化，当风荷载作用于0°方向时，基础的承载性能相较于风荷载作用于45°方向时有整体性的减弱。

(3)实验结果表明，在风、浪荷载大小相同的条件下，当两荷载存在一定的荷载夹角时，基础的承载能力有一定程度的减弱；在较小的循环荷载比下，需要考虑不同夹角循环荷载对基础承载性能的影响。

对不同荷载夹角作用下吸力式四桶型基础的破坏形式与破坏规律进行了探究，研究了在一定荷载夹角下吸力式四桶型基础的承载性能变化，为吸力式四桶型基础的工程应用提供了一定的参考。