分层地基环境下海上风电大直径单桩基础水平承载特性分析

周茂强，苏浩然，和庆冬，苏 凯，3，4

(1.浙江华东工程咨询有限公司，浙江 杭州 310014；2.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072；3.武汉大学水工岩石力学教育部重点实验室，湖北武汉 430072；4.武汉大学海绵城市建设水系统湖北省重点实验室，湖北 武汉 430072)

海上风电与陆上风电最大的不同在于其基础形式，基础成本约占整个海上风电场投资的25%[1]，因此降低基础成本有利于提高整个风电场的经济性，推动海上风电发展。风电机组基础主要作用在于固定风电机组，可分为固定式与漂浮式。固定式风机基础中，单桩基础较其他基础形式有技术成熟、结构简单、施工简便快捷、适应性强、经济性好等优点[2]。

综合单桩基础在实际应用中的种种优势，单桩基础是目前海上风电中应用最广泛的基础形式之一。海上风机单桩基础设计主要由基础水平向承载力和变形控制，因此单桩基础水平承载性能是研究的重点。韩吉伟、孔德森等[3- 4]用数值模拟方法研究海上风机大直径单桩基础在不同加固形式下的水平承载特性；Achmus等[5]建议在大桩径条件下尽量使用数值模拟进行设计；沈晓雷等[6]研究了叶轮延迟安装对塔筒的动力响应影响；房奇等[7]研究了单桩基础灌浆连接段的受力机理；孔德森、靳军伟、楚晨晖等[8-10]研究了单桩基础的动力响应特性；龚维明、毛金锐、王宇楠等[11-13]通过实验验证等方式研究了单桩水平承载特性。

图1 单桩基础模型示意

目前大多数研究对地基部分作均质简化处理，且更多聚焦于单一因素对水平承载力的影响，而地基的分层特性以及单桩基础各项参数是研究单桩水平承载特性的关键所在。因此本文借助大型通用有限元软件平台ABAQUS，对不同地基分层条件下单桩基础水平承载特性进行相应分析，并开展相关参数的敏感性分析，以期为后续结构优化设计提供一定参考。

1 工程背景及数值计算模型

1.1 工程背景

本文基于江苏某800 MW海上风电场项目，采用有限元数值模拟方法，建立单桩基础有限元模型。该风电场所在海域地貌属黄海滨海相沉积地貌单元，海底泥面高程在-18.6～0 m(85 m高程)之间，海底地形起伏明显。

1.2 三维有限元模型建立及工况设定

为对比不同桩长、桩径及地层泥质条件对单桩水平承载力的影响，在其他条件一定情况下分别设置5种不同桩径及5种不同埋深工况进行计算。地基土设置均质土体、上层较差、中夹差土、下层较差等4种工况。

考虑边界条件，本文中地基土模型水平范围取为10倍桩径，纵向范围为2倍基础埋深。整个模型均采用C3D8R三维8节点六面体单元进行划分。桩-土及分层地基的三维有限元模型如图1所示。其中，MonoD、MCD分别表示桩径和埋深；H1、H2和H3表示分层地基中各层土体的厚度。根据工程资料，以桩顶直径MonoD=6.0 m，埋深MCD=42 m，单桩泥面以上高度32 m，总桩长74 m的单桩作为典型桩进行研究。

1.3 模型边界条件与材料参数设置

本文中均使用Mohr-Coulomb弹塑性屈服准则来模拟地层土体的力学性质。地层土体底部约束其全部位移，同时约束地基土侧面的径向位移，地基土体顶部为自由面。单桩基础和地层土体之间均采用表面与表面接触。桩体与地基土之间的接触属性法向为“硬接触”，切向类型为“罚”摩擦函数，摩擦系数设为0.3。根据工程实测资料设钢管桩的弹性模量E=210 GPa，泊松比ν=0.30，密度ρ=7.80 g/cm3。单桩基础桩长、桩径、壁厚以及地层土体的物理力学参数根据具体的工况而定。

2 均质地基中单桩基础的水平承载特性

对于大多数海上风机单桩基础而言，为保证结构安全，一般控制其桩顶处的位移转角不得超过某阈值。本文采用位移控制法进行加载，相对海床泥面以上32 m高程处耦合参考点定义一个水平位移边界条件，通过输出参考点的反力得到荷载与位移的关系，进而确定桩基础地基极限承载力。

本文参考相关文献[14]以桩顶参考点处的水平位移达到桩径的5/100，即S=0.05×MonoD为破坏参考标准，以确定单桩水平承载力。均质地基土体各项物理力学参数见表1。

表1 均质地层物理力学参数

2.1 桩径变化条件下单桩基础水平承载特性分析

为探讨桩径及壁厚对单桩水平承载力的影响，在保证总体用钢量相等的条件下，分别采用不同桩径及壁厚的单桩基础进行加载试验。由于海上风机大直径单桩基础一般指直径为3 m以上的钢管桩，在实际工程中7 m以上的单桩亦较为少见，故本节以1.2小节中所述典型桩(桩号4)为基准，在不改变其他条件及用钢量前提下分别设置3～7 m桩径的单桩进行加载计算，其具体标号及尺寸如表2所示。

表2 不同桩径的壁厚尺寸

均质土体中相异桩径单桩水平荷载-位移曲线见图2。由图2可知，随着桩顶水平位移荷载的增加，桩顶水平反力不断增加，且基本呈直线分布，这说明在3～7 m桩径范围内，随着桩径的增大，桩的承载性能是递增的。均质土中单桩水平承载力随桩径的变化曲线见图3。由图3可知，在本文的破坏标准下，单桩基础的水平承载力逐渐增大。故用钢量恒定情况下，在此桩径范围内可以通过增加单桩基础桩径来提高其水平承载力。

图2 均质土体中相异桩径单桩水平荷载-位移曲线

图3 均质土中单桩水平承载力随桩径的变化曲线

以上是桩顶水平位移相同时单桩基础的结构受力状况。为获取桩顶相同水平荷载作用下不同桩径单桩沿桩体埋深的位移与弯矩分布，取典型桩(桩号4)破坏时对应的水平荷载作为极限荷载，荷载值为8.5 MN。需要注意的是，在此水平荷载水平下，桩号1～3已达到破坏标准。

图4 均质土体中相异桩径桩身位移曲线

均质土体中相异桩径桩身位移曲线如图4所示。从图4可以看出，均质土中不同桩径单桩桩身位移变化规律大致相似，均在埋深约15～20 m处出现正向位移，在桩顶处，不同桩径桩基位移差别最大。同时随着桩径的增大，单桩基础在同级荷载作用下位移有较为明显的减小。桩径从3 m增大到7 m，其桩顶位移减小85.7%。因此，单桩直径的增加能有效减小单桩受水平荷载作用下的桩身位移。

均质土中相异桩径桩身弯矩曲线如图5所示。由图5可知，在相同水平荷载作用下，各工况桩身弯矩分布与变化规律基本一致，泥面以上各桩径弯矩曲线基本重合，最大弯矩均出现在埋深6 m处。在极限荷载作用下，随着桩径从3 m增加到7 m，桩身最大弯矩减小量约为21.8 MN·m，减小率约为6.9%。桩径增大基本上不改变桩身弯矩分布情况，对桩身弯矩幅值影响也较小。

图5 均质土中相异桩径桩身弯矩曲线

2.2 埋深变化条件下单桩基础水平承载特性分析

通过参数化建模程序，保持单桩基础在海床泥面上的长度不变，增大单桩基础在地基土中的埋深建立不同桩长的三维有限元模型。以1.2小节中典型桩为基准，在不改变其他条件前提下分别设置埋深为20～60 m的5种单桩进行加载计算。

不同埋深单桩水平荷载-位移曲线如图6所示。从图6可以看出，当埋深从10 m增大到30 m时，单桩水平承载力提高非常显著，但之后再增大桩长，水平承载力提高幅度很小，图6中埋深为40～60 m的3条荷载-位移曲线基本处于重合状态。这是因为当埋深增大到一定程度后，基础底部处于嵌固状态，再增大埋深对桩水平承载力的提升不明显。

图6 均质土中不同埋深单桩水平荷载-位移曲线

图7和图8分别为埋深40 m工况下桩顶位移为0.5 m时地基土与单桩的位移云图。从图7可以看出，单桩周边地基土体变形主要发生在泥面以下15 m范围内。图8中桩底端的位移只有5.198 mm。这说明单桩水平承载特性主要取决于单桩周边浅层地基的性质，仅仅依靠增大埋深来提高单桩水平承力是不合理的。

图7 均质土中埋深为40 m时地基土位移云图

图8 均质土中埋深为40 m时单桩位移云图

图9为桩顶水平荷载作用为8.5 MN下不同埋深单桩剪力沿桩身变化规律，从图9可以看出，泥面上桩身水平剪力大小及方向几乎保持不变，至泥面下一定埋深处，剪力方向改变。随着单桩埋深的增加，剪力最大截面处逐渐向下移动，埋深达到40m后剪力最大截面处在埋深为21 m附近且不再移动。各埋深剪力最大值19 MN，截面上平均剪力远小于钢材抗剪强度。

图9 桩身横截面剪力沿深度变化

表3 分层地基物理力学参数

3 分层地基中单桩基础的水平承载特性

参考已有研究文献[2]可知，在其他条件相同情况下，单桩水平承载力主要取决于泥面下4～5倍桩径深度范围内土体物理力学参数。根据工程地质实测资料适当简化，得到分层地基物理力学参数见表3。

为分别探讨在不同地基工况中桩径及埋深对单桩基础水平承载力的影响，与上文2.1、2.2小节类似，本节以1.2小节中所述典型桩为基准，在不改变其他条件的前提下分别设置桩径为3～7 m的5种单桩以及埋深为20～60 m的5种单桩进行不同地基工况下的加载计算。

3.1 分层地基中桩径变化条件下单桩水平承载特性分析

表4是不同地基工况下单桩水平承载力随桩径变化的数值。从表4中可以得出，相较于工况1地基(较好均质地基)，工况2地层泥质条件工况下承载力明显降低，且降幅最大在19%左右。工况3、4地基中承载力变化规律与其他工况地基中相似。

表4 不同地基工况中不同桩径单桩水平承载力

3.2 分层地基中埋深变化条件下单桩水平承载特性分析

表5为不同地基工况下单桩水平承载力随埋深变化的数值。从表5可知，地基工况2中承载力明显降低。工况3、4地基中承载力变化规律与其他工况地基中相似，整体上低于工况1，且降幅与工况2相比较小。

表5 不同地基工况中不同埋深单桩水平承载力

不同桩径或者埋深单桩水平承载力的变化曲线如图10所示。从图10可以看出，工况1地基中单桩水平承载力最高，工况3、4中承载力十分接近且居于工况1、2之间，相同桩径下工况2地基中水平承载力最低。相较于工况1地基，工况2地基中水平承载力降幅接近20%。这是因为单桩水平承载力主要取决于桩周浅层土体对桩身倾斜的抵抗作用，中间及下层土体对水平承载力的影响相对较小。此外，当桩径较小时各地基单桩水平承载力较为接近，随着桩径增大，各条曲线间距也越来越大。这说明桩径越大，单桩表面积越大，浅层土体对单桩水平承载力的影响也越大。

图10 不同工况地基水平承载力随桩径变化曲线

不同埋深情况下不同分层地基工况单桩水平承载力情况如图11所示。从图11可知，工况3、4地基中单桩水平承载力十分相近。当埋深增加到40 m时上述两种工况地基水平承载力与工况1相比仅下降了7.5%。在相同埋深情况下，工况2中水平承载力较其他工况最低，当埋深增加到40 m及以上时，工况2中水平承载力较工况1仍分别有17.5%以上的降低。这说明单桩埋深的增加不能完全消除桩周浅层土体对于水平承载力的影响。

图11 不同工况地基水平承载力随埋深变化曲线

4 结 论

(1)桩径对单桩水平承载力的影响最为明显，承载力随桩径增大而显著增大，且能够有效减小水平荷载作用下的桩身位移。桩径增大基本不改变桩身弯矩分布情况，对其幅值影响较小。埋深对水平承载力影响仅次于桩径，且桩端嵌固作用存在较为明显的边际效应，单桩水平承载力及剪力最大截面所处位置深度随埋深增大先增大而后趋于不变。

(2)桩周浅层土体对水平承载力有较大影响，且桩径越大，单桩与土体接触面积越大，上层土质参数对其影响就越明显。埋深嵌固作用依托于下层土质，桩径相同情况下埋深的增加亦不能完全消除桩周浅层土体对单桩水平承载力的削弱作用。

(3)夹有差土成层地基中单桩水平承载力较均质地基皆有一定程度下降。单桩水平承载力在中夹差土与上优下劣地基中较为接近；在上劣下优地基中最低，本文工况下较均质地基降幅为20%左右。

(4)实际工程中应考虑实际情况综合确定单桩桩径，地基土中可采取灌浆等方法对桩周浅层土体进行加固，同时可适当增大桩长来增加桩端的嵌固作用。