海上风电植入式嵌岩桩承载特性分析

2021-11-07贺正兴贾小刚

港工技术 2021年5期

冀昊，贺正兴，贾小刚

（1.水电水利规划设计总院，北京 100120；2.福建省水利水电勘测设计研究院，福建福州 350001；3.福州海峡发电有限公司，福建福州 350200）

引言

桩基础是海上风电中最常用的基础形式[1]，随着近年来海上风电的大面积开发，其遇到的地质条件也趋于复杂，在海底浅层土中存在大量基岩的情况，传统的桩基础的施工方式不适用。嵌岩桩是指桩的下部有相当一段长度浇筑于坚硬岩层中的钻孔灌注桩岩。目前主要分为灌注嵌岩桩、灌注式锚杆嵌岩桩、预制植入式嵌岩桩等[2-5]。

植入式嵌岩桩施工时先搭设钻孔平台，进行地基处理后，使用钢护筒及定位架保证定位准确后使用冲击钻机进行桩基成孔，然后将预制的钢管桩吊入孔内，最后进行在桩外及桩底进行混凝土灌注[6-7]。植入式嵌岩桩基础由于其施工的复杂性，目前对于嵌岩桩结构的受力、变形及其灌浆混凝土的承载特性尚未明确。本文通过有限元软件研究了海上风电植入式嵌岩桩的承载性能，并分析了桩外混凝土灌浆对其承载特性的影响。

1 有限元模型

1.1 结构尺寸

对于植入式桩基础，桩植入后进行灌浆处理，填充与土体间的空隙。通过ABAQUS 建立模型[8-9]，桩径为5.5-6.5 m，桩长62.5 m，入土深度为35 m，嵌岩深度为10 m。灌浆厚度40 cm，灌浆深度与桩入泥深度相同，灌浆料强度为C30，灌浆采用混凝土塑性损伤模型，灌浆层与岩石之间为tie 接触，与其它土层为摩擦接触，摩擦系数0.4。混凝土与桩之间为摩擦接触，摩擦系数0.6。其网格采用c3d8r单元，为节省计算量，同时保证计算精度，靠近桩体处网格加密，随距桩体距离增加，网格逐渐变疏，模型剖面及网格如图1 所示。

图1 模型剖面示意图

1.2 荷载条件

桩基上部风机荷载选用某海域6 MW 风机荷载。桩身极限工况荷载见表1。

表1 极端工况荷载

1.3 土质参数

根据现场情况，拟研究机位的土质参数选取如表2 所示：

表2 机位土质参数

2 混凝土塑性损伤模型

混凝土损伤塑性模型是公认的对混凝土非弹性行为模拟最为有效的模型。混凝土在承受外荷载前就已有的微缺陷、微孔洞被称之为“损伤”，其破坏过程就是各种尺度损伤(微孔洞、微裂缝)的发展演化和累积所造成的；在荷载尚未达到可使混凝土材料组分发生屈服或塑性流动之前，混凝土作为整体已经完全破坏了[10]。

混凝土在单轴受压下超出弹性范围的部分定义为受压损伤，受压应力数据可以表示为非弹性应变的函数，必要时可加上应变率、温度以及场变量。

图2 混凝土损伤塑性模型受压应力-应变关系

图2 中：ε un，σ un分别为卸载点的应变和应力；分别为无损伤的混凝土弹性受压应变和考虑损伤的混凝土受压弹性应变；分别为混凝土的受压塑性应变和受压非弹性应变。

混凝土在单轴受拉下超出弹性范围的部分定义为受拉损伤，受拉应力数据可以表示为开裂应变的函数。超出弹性部分的受拉应力-应变数据在ABAQUS 中以的形式正值输入，开裂应变定义为总应变减去材料无损伤的弹性应变，即，如图3 所示。

图3 混凝土损伤塑性模型受拉应力—应变关系

图3 中：εun，σ un分别为卸载点的应变和应力；分别为无损伤的混凝土受拉弹性应变和考虑损伤的混凝土受拉弹性应变；分别为混凝土的受拉塑性应变和受拉非弹性应变[11]。

3 灌浆料参数对承载特性的影响

采用不同灌浆料强度以及灌浆厚度，研究其对承载特性的影响，混凝土采用C30、C40、C60 三种强度，灌浆厚度为40 cm，60 cm 两种，相关工况见表3。

表3 灌浆料参数工况

3.1 混凝土开裂分析

根据有限元计算结果，混凝土主要为受拉破坏。随着外荷载增加，破坏主要分为三个阶段，每个阶段破坏部位不同。破坏区域集中在三个部位，C30-1 工况结果如图4 所示。第一阶段，在泥面处右侧混凝土开始破坏，随着荷载增加，破坏区域逐渐向下发展，最终沿高度方向破坏范围约1 倍桩径；第二阶段，在泥面下14 m 左右区域左侧开裂，破坏范围随荷载增加沿水平向和竖向扩展，最终破坏范围竖向约0.5 倍桩径，水平向大约2/3 倍桩径；第三阶段，开裂区域位于泥面下24-25 m，混凝土左侧受拉开裂，最终达到极限荷载后水平破坏范围约0.5 倍桩径，竖向破坏范围接近0.5 倍桩径。