粉质黏土中厚壁筒型基础静压沉放阻力研究

练继建，赵　昊，刘　润，王中权，李忠信，陶铁铃

粉质黏土中厚壁筒型基础静压沉放阻力研究

练继建1，赵昊1，刘润1，王中权2，李忠信2，陶铁铃3

(1. 天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300350；2. 南方海上风电联合开发有限公司，珠海 519080；3. 长江勘测规划设计研究有限责任公司，武汉 430010)

筒型基础是海上风电工程中出现的一种新型基础形式，因其优越的承载性能与高效的施工方式，在我国海上风电领域备受关注．薄壁单筒多舱筒型基础目前已在江苏海域成功应用，并取得良好的经济效益．为适应风机大型化与风场建设的深远海发展趋势，设计了厚壁单筒多舱筒型基础．厚壁筒型基础采用混凝土筒裙替代钢质筒裙，不仅可以进一步降低建造成本，而且可以防止钢制筒裙在建造和负压沉放过程中出现的屈曲问题．但筒裙壁厚的增加导致筒型基础的沉放阻力增长，因此贯入阻力的准确计算是厚壁筒型基础成功应用的关键．为此，开展了薄壁与厚壁结构在粉质黏土中的静压沉放试验，测量了下沉过程中的沉放阻力与侧壁及端部土压力，对比了薄壁和厚壁沉放特性的异同，校核并优化了薄壁沉放阻力计算公式的相关系数，提出了厚壁沉放阻力的计算方法．结合显式的任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法，验证了有限元计算结果的准确性，开展了厚壁基础动态、连续沉放过程的数值分析．研究结果表明：壁厚的增加挤密了端部土体，使端部土压力增大，扰动了侧壁土体，使侧壁土压力减小；提出采用静力触探数据计算厚壁基础沉放阻力的方法，推荐厚壁端阻力系数和侧阻力系数分别取0.7和0.03；薄壁端阻力系数和侧摩阻力系数分别取0.5和0.04.

筒型基础；厚壁筒型基础；粉质黏土；沉放阻力；ALE方法

海上风电具有风速大、湍流度低、不占耕地、装机容量大等特点．我国近海风能资源丰富，5～50m水深内海上风电潜在装机容量约5亿kW[1]．初步估计，到2050年近海区域的海上风电装机将达到1.5亿kW[2]．目前，海上风机基础结构形式主要有重力式、单桩、三角架、导管架和浮式基础等，适用于不同水深海域[3-5]，宽浅型单筒多舱筒型基础(见图1)是由天津大学针对我国近海及软黏土地基特点提出的一种新型海上风电基础结构[6-7]，可提供更好的抗倾覆承载能力[8-9]，具有海上施工效率高、建造成本低等优点，已成功应用于实际工程[10-12]．

随着海上风电场建设水深的增加和风力发电机组大型化的发展，单筒多舱筒型基础体型将进一步增大．由此导致了筒型基础顶盖及过渡段质量增加和筒裙长度加长，薄壁钢制筒裙极易在陆上预制过程中出现屈曲失稳，因此采用厚壁多分舱筒型基础是未来海上风电筒型基础发展的方向．

图1 筒型基础结构施工

目前，实际应用的单筒多舱筒型基础，为了降低沉放施工压力，筒裙和分舱板均采用壁厚较薄的钢板焊接而成，壁厚25mm．仅有建于启东的试验样机采用了混凝土筒壁设计，壁厚为30cm，如图1所示．沉放阻力的准确计算是筒型基础工程应用的关键．工程上，常用的是API[13-14]和DNV[15]规范中基于不排水抗剪强度和基于静力触探(CPT)的沉放阻力计算公式．国内外学者对其在黏土中的沉贯阻力进行了大量研究并对规范公式的阻力计算系数进行优化，Houlsby等[16]建立了黏土中贯入阻力公式并得到实际工程验证；Cao等[17]通过离心机试验研究了筒型基础在黏土中的自重和负压贯入，推荐了基于不排水抗剪强度侧阻力计算的摩擦系数取值；练继建等[18]通过缩尺模型试验研究了粉质黏土中的静压沉放过程，并验证了规范公式的可靠性；刘润等[19]、马文冠等[20]、陈飞等[21]、Andersen等[22]、Doherty等[23]对不同土性中筒型基础贯入阻力进行了研究，并分别给出了基于静力触探阻力计算的相关系数取值．

综上所述，前人已对不同土体中筒型基础沉贯阻力开展了大量研究，但对粉质黏土中厚壁贯入阻力的研究很少．同时，现有筒型基础试验模型的不等比例缩尺无法对比研究薄壁和厚壁筒型基础沉放过程，因此本文开展了粉质黏土中薄壁和厚壁筒型基础局部原尺寸模型沉放试验，测量了静压沉放过程中两种基础形式的沉放阻力和侧壁与端部土压力，探究了现有筒型基础阻力计算公式的适用性，提出了厚壁筒型基础在粉质黏土中静压沉放阻力的计算方法，同时结合有限元ALE方法对试验模型的沉放过程进行模拟．

1 厚壁沉放模型试验

1.1 试验设计

由于筒型基础的直径通常为30～36m，筒裙高度为10～12m，室内小比尺试验缩尺后薄壁筒壁厚度小于1mm，常见的圆形试验模型壁厚无法严格遵照缩尺，这将很难模拟出薄壁与厚壁筒型基础沉放阻力的差异．而实际工程中大直径筒型基础的薄壁筒壁面积占截面面积为0.28%～0.33%，厚壁为3.33%～4.00%，挤土效应弱，且在沉放过程中通过调平系统严格控制基础倾斜率不超过3‰，避免因倾斜引起沉放阻力的变化．因此本文针对直径为30～36m的筒型基础，取2°圆心角对应的弧长，并近似为直线段，长约0.6m，开展试验研究．模型高度根据试验场地条件取1.7m，薄壁钢板模型和厚壁混凝土模型的壁厚分别为25mm和30cm．在底端和侧面采用嵌入式安装桥式土压力传感器，用于测量下沉过程中模型受到的土压力，量程分别为250kPa和50kPa，采集设备为WKD3840动静态信号测试系统(威恳德测控设备技术有限公司制造)．

试验布置如图2所示，试验土槽尺寸为4m×4m×2m，加载系统如图3所示，由反力梁钢结构、移动主梁、移动平台和液压缸组成，移动主梁和移动平台相配合运动使液压缸到达土池内任意点位．液压缸最大压力为25t；液压缸额定行程1m，配合加长杆可使下压深度增加至2.2m；伸缩速率可调范围为0.1～20mm/s．

图2 试验模型和传感器布置示意

图3 加载及测量系统

1.2 试验实施

土槽填土按相同容重配置后分层填筑，填至预定标高后采用十字板和静力触探进行原位测量，确定土体的均匀程度，测得浮容重为7.9kN/m3，塑性指数为15.6，采用十字板和静力触探探测土体的原位强度，如图4所示．

试验中，通过拉压传感器将模型与液压缸下法兰固接，为了模拟实际筒型基础的沉放速率，液压缸以1mm/s的速度匀速推进，使薄、厚壁模型下沉至设计深度．

图4 锥尖贯入阻力与不排水抗剪强度

1.3 薄壁与厚壁模型沉放阻力对比

试验中，模型沉放阻力与下沉深度关系如图5所示．

图5 沉放阻力、端阻力及侧摩阻力

从图5可以看出，厚壁模型的沉放阻力远大于薄壁模型，在本文试验的下沉深度条件下，厚壁模型的端阻力占比较大，薄壁模型的侧摩阻力占比较大．

试验中端部传感器实测数据相差不大，取平均值作为单位端阻力，如图6所示．

图6 单位端阻力对比

由图6可知，随着端部面积的增加，结构下沉对土体的挤密作用明显，使得厚壁模型的端部土压力大于薄壁模型．

薄壁与厚壁模型侧壁土压力变化如图7所示．

图7 侧壁土压力对比

从图7可见，传感器入土深度小于1m时，厚壁模型在J-10和Y-10深度处的土压力小于薄壁，说明厚壁对土体的扰动使土压力减小．从J-10和Y-10数据对比可见，距离边壁的远近对于本文试验的侧壁土压力影响不明显．

2 沉放阻力计算方法

2.1 现有规范的算法

基于不排水抗剪强度的侧摩阻力按式(1)计算，端阻力计算按API[13-14]规范(式(2))和DNV[15]规范(式(3))计算．

式中：为筒裙宽度；为筒裙长度；为土中的筒裙高度．

基于静力触探(CPT)实测锥尖阻力的沉放阻力计算方法中，侧阻力系数f建议取值为0.03～0.05，端阻力系数p建议取值为0.4～0.6[13-15]．

2.2 模型沉放阻力计算

利用上述基于不排水抗剪强度和基于静力触探(CPT)的阻力计算公式，得到试验条件下单位端阻力和沉放阻力，与实测数据对比，结果见图8和图9．

图8 基于不排水抗剪强度的阻力计算

从图8可以看出，与试验数据对比，基于不排水抗剪强度的单位端阻力计算值均大于试验实测值，且DNV公式计算值较API公式计算值更接近于试验实测值．同时，薄壁和厚壁模型的沉放阻力计算值均大于试验实测值，其中，薄壁模型的沉放阻力计算值与试验实测值最为接近．

图9中，分别取不同的端阻力系数和侧阻力系数对试验薄壁和厚壁模型的单位端阻力和薄壁的侧阻力实测数据进行拟合．发现基于静力触探(CPT)的薄壁模型端阻力系数为0.5，侧阻力系数为0.04；厚壁模型的端阻力系数为0.7，侧阻力系数0.03时计算结果与试验结果吻合较好．按上述推荐的取值进行试验条件下的薄厚壁模型沉放阻力计算，与实测值对比结果如图10所示．

（a）单位端阻力

（b）侧摩阻力

图9 基于静力触探的阻力计算

Fig.9 Resistance calculation based on the cone penetra-tion test

图10 基于静力触探的沉放阻力计算

从图10可以看出，基于上述系数取值的薄壁与厚壁模型阻力计算结果与实测阻力相近．说明在粉质黏土中基于静力触探计算薄壁与厚壁基础沉放阻力的相关系数取值合理．

3 ALE方法模拟试验模型沉放过程

下沉过程涉及到网格大变形，采用ALE技术可以实现试验沉放过程的模拟[24-25]，ALE方法通过将旧网格的状态变量传递到新网格，实现网格与物质点的相互脱离，因此即使网格在计算中发生大变形，ALE方法仍能保证高质量网格．基于本文试验参数，在有限元软件ABAQUS[26]中建模，土体采用二维平面，网格为平面应变，试验模型采用刚体建模，模型尺寸与土体的不排水抗剪强度u按试验实测数据输入，弹性模量取400u，数值模型如图11所示．提取数值模拟结果与试验数据对比，以厚壁模型为例，结果见图12．

图11 数值模型

图12 数值模拟与试验实测对比

从图12可以看出，数值模型能较好地模拟厚壁试验模型下沉过程中阻力和土压力的变化，且沉放阻力略大于试验实测值．

4 薄壁和厚壁筒型基础沉放阻力对比计算

以广东海域某近海风电场为例，土体的不排水抗剪强度和静力触探结果见表1．

表1 某近海风场实测地勘

Tab.1 Field survey of an offshore wind field

设计相同体型的薄壁与厚壁筒型基础，如图13所示，其中薄壁与厚壁筒型基础的壁厚分别为25mm和30cm．

采用本文推荐的基于静力触探的阻力计算方法进行薄、厚壁筒型基础的沉放阻力计算，并计算厚壁基础相比于薄壁基础的沉放阻力增长百分比，见图14.

由图14可知，厚壁基础的沉放阻力大于薄壁基础. 在同一土层中，厚壁基础沉放阻力增长百分比随深度增加而减小，例如当下沉深度在0～5m范围内时，阻力增长百分比从350%下降为23%，说明当下沉深度不大时，端部阻力占总阻力比值较大，壁厚的增加会使总阻力大幅上涨；随着下沉深度的增加，侧摩阻力占比增大，端阻力的增加对总阻力涨幅影响变小.

图13 厚壁筒型基础基本尺寸及ALE模型

从图14可以看出，当基础经过分层土界面时，例如穿越5m深度时，土体不排水抗剪强度从5kPa增长到15kPa，沉放阻力增长百分比从23%上升至66%．可见随土体强度增加，沉放阻力增长百分比随之增大．当进入最终持力层时，土体不排水抗剪强度从21kPa突增至84kPa，厚壁基础的沉放阻力因端阻力突增会大幅增加．

用ALE方法建立中心对称的有限元平面模型，模拟薄、厚壁筒裙的沉放过程，数值结果如图15所示．

图14 基于静力触探沉放阻力计算

图15 ALE方法的沉放阻力计算

从图15同样可以看出，厚壁基础的沉放阻力较大．当沉放到位时，因筒顶盖与表层土体接触，导致沉放阻力突增．ALE模拟得到的厚壁基础沉放阻力变化趋势与图14相似．说明同一土层中，随下沉深度增加，沉放阻力增加百分比减小；当穿越土层时，随土体强度增加，沉放阻力增长百分比增大．

5 结 论

通过室内模型试验，研究对比了粉质黏土中薄壁和厚壁模型的静压沉放阻力，并采用ALE方法对沉放过程进行模拟，得到以下结论．

(1) 模型试验结果表明，在静压下沉过程中，厚壁模型的端阻力显著大于薄壁模型而侧壁阻力与薄壁模型相近．

(2) 推荐采用静力触探数据计算筒型基础沉放阻力，且端阻力和侧阻力系数对于薄壁结构取为0.5和0.04，对于厚壁结构取为0.7和0.03．

(3) ALE方法能较好地模拟筒型基础的下沉过程，厚壁与薄壁结构的阻力对比分析表明，厚壁结构的沉放阻力明显大于薄壁结构，但是其增加幅值随入土深度的增加而减小，随土体强度的增加而增大．

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Study on Static Pressure Sedimentation for Thick-Walled Bucket Foundation in Silty Clay

Lian Jijian1，Zhao Hao1，Liu Run1，Wang Zhongquan2，Li Zhongxin2，Tao Tieling3

(1. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300350，China；2.Southern Offshore Wind Power Joint Development Co.，Ltd.，Zhuhai 519080，China；3. Yangtze River Survey Planning and Design Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China)

Bucket foundation，as an emerging type of supporting structure for offshore wind turbines，has attracted much attention in the field of offshore wind power in China owing to its superior bearing capacity and efficient construction method. Thin-walled bucket foundations have been successfully installed in Jiangsu maritime space and achieved good economic benefits. In this study，considering the upsizing of wind turbines and the far-reaching of wind fields，a thick-walled bucket foundation is proposed. Using a concrete skirt instead of a steel skirt，the thick-walled bucket foundation can effectively reduce the cost and prevent the buckling problem of the steel skirt during construction，transportation，and installation. However，the increase in the skirt’s thickness leads to greater sinking resistance. An accurate calculation of the penetration resistance is the key to the successful installation of the thick-walled bucket foundation. Therefore，static pressure tests of thin- and thick-walled models were conducted to measure the subsidence resistance and soil pressure at the sidewalls and ends. By comparing the similarities and differences of the sinking resistance of the two models，the coefficients of the thin-walled sinking resistance calculation formula were optimized，and the calculation method of the thick-walled sinking resistance was proposed. The arbitrary Lagrangian-Eulerian method was verified and used to simulate the dynamic continuous sinking process of the thick-walled test. Results show that the growth of the skirt’s thickness compacts the end soil and causes the end soil pressure to increase while the side soil is disturbed. Thus，the lateral soil pressure decreases. The cone penetration test(CPT)is recommended to calculate the sinking resistance of the thick-walled bucket foundation when the end resistance coefficient is 0.7，and the skin friction coefficient is 0.03. For the thin-walled bucket foundation，the end resistance and skin friction coefficients are 0.5 and 0.04，respectively.

bucket foundation；thick-walled bucket foundation；silty clay；penetration resistance；ALE method

10.11784/tdxbz202109005

TU43

A

0493-2137(2022)08-0775-08

2021-09-04；

2021-10-25.

练继建（1965—  ），男，博士，教授，jjlian@tju.edu.cn.Email：m_bigm@tju.edu.cn

刘 润，liurun@tju.edu.cn.

国家自然科学基金青年基金资助项目(51709202)；国家杰出青年科学基金资助项目(51825904).

the National Natural Science Foundation for Young Scholars of China(No. 51709202)，the National Science Fund for Distinguished Young Scholars(No. 51825904).

(责任编辑：樊素英)