倾斜荷载作用下双桶吸力基础承载特性数值分析

何倩倩，黄勇，宋启明

（1.国家电投风电产业创新中心，上海 200233；2.福建永福电力设计股份有限公司，福建 福州 350100）

0 引言

随着海洋资源开发逐渐向深海区域拓展，吸力基础广泛应用于海洋平台、漂浮式海上风力发电机等浮动式结构锚固基础。上部结构长期受到风、波浪等环境荷载作用，通过系泊锚链对基础产生倾斜荷载[1］。研究吸力基础的倾斜承载力在海洋工程应用中具有非常重要的意义。

目前，国内外学者针对吸力基础的倾斜承载特性已开展了大量的研究。黎冰等[2］通过模型试验，研究了加载点位置、荷载倾角和基础长径比，对吸力基础承载力的影响。研究结果显示，加载点位置对吸力基础承载力的影响取决于荷载倾角值；荷载倾角较小时，加载点位置的影响明显；随荷载倾角增大，加载点影响减弱。王建华等[3］讨论了加载方向对吸力基础倾斜承载力和破坏模式的影响，发现基础底部土体的反向承载力是影响极限承载力的关键。Bang 等[4］通过离心试验，发现倾斜荷载作用点埋深逐渐下移时，吸力基础的承载力先增大后减小，加载点位于埋深0.7～0.75 倍桶高时，基础承载力最大。孙立强等[5］通过数值分析，建立了倾斜荷载下，吸力基础的H-V 承载力包络面及其计算方法。Gao 等[6］开展了一系列1 g 状态下的小比尺模型试验，发现当荷载倾角较小时，最佳系泊点位于基础外侧壁，埋深为2／3～3／4 倍桶高处，此时基础在该荷载倾角下达到最大承载力；而荷载倾角超过60°时，最佳系泊点位于基础侧壁底部。

借鉴柳晓科[7-8］等研究思路，在传统吸力基础外侧增加一外桶结构，可有效提高吸力基础的承载力。在传统吸力基础外侧，增加与原基础桶高一致的外桶结构，见图1，称为双桶吸力基础。已有研究对于传统的单桶吸力基础在倾斜荷载下的承载特性研究较为充分，而对于双桶吸力基础在的倾斜承载力研究相对较少。本文将借鉴单桶吸力基础倾斜承载特性的研究方法，通过数值分析，对不同加载点、荷载倾角的倾斜荷载做用下，双桶吸力基础的倾斜承载力进行讨论。

1 有限元计算模型

采用Plaxis 3D 有限元软件，对双桶吸力基础在倾斜荷载下的承载力进行讨论。双桶吸力基础采用板单元模拟，其中基础重度为78 kN／m3，弹性模量E=210 GPa。如图1 所示，基础内桶直径D1=5 m，外桶径D2=2.5 m，内外桶高一致，L=10 m，吸力基础顶板厚度为5 cm，侧壁厚度为3 cm。

地基土体采用Mohr-Coulomb 本构模型进行模拟，参照启东市海域实际工程中地基土体参数[9］，土体浮重度γ'=9.7 kN／m3，弹性模量E=30 MPa，泊松比为0.28，土体粘聚力c=20 kPa，内摩擦角φ为30.5°。基础与土体之间设置接触面。为了防止边界效应对模拟结果的影响，地基土体在水平和竖向边界分别为5 D1和5 L，可有效消除边界效应的影响，并减小计算量。

数值模拟研究中，考虑不同加载点位置和荷载倾角，对双桶吸力基础倾斜承载力的影响。加载点分别位于外桶外侧壁，距离基础顶板2.5 m、5 m、7.5 m 和10 m 处，分别等效为埋深L／4、L／2、3L／4 和L 处，具体加载点位置见图1（b）。倾斜荷载F 的作用方向与水平方向夹角定义为荷载倾角 ， 分别等于0°、30°、60°和90°。

图1 双桶吸力基础

2 结果分析

2.1 荷载倾角的影响

图2 所示，为不同加载点下，荷载倾角分别为0°、30°、60°和90°时，双桶吸力基础的倾斜荷载-加载点位移关系曲线。任意加载点下，当荷载倾角为0°时，吸力基础的承载力最高；倾斜承载力随荷载倾角增大而减小。当荷载倾角从0°增大至30°，再增大至60°时，基础倾斜承载力均发生明显的降低。

当荷载倾角由80°增大至90°时，加载点位于吸力基础外侧壁埋深2.5 m 时（图2（a）），承载力明显减小。随加载点位置下移，承载力降低幅度逐渐减小。当加载点位于基础侧壁底部时（埋深10 m 处），图2（d）所示，荷载倾角由80°增大至90°，基础的承载力不产生明显变化，此时基础的承载力主要由后倾转动时，基础前侧下部区域的被动土压力提供。

图2 不同加载点处倾斜荷载-位移关系曲线

2.2 加载点位置的影响

图3 给出了不同荷载倾角下，倾斜荷载作用于双桶吸力基础不同位置时的承载力曲线。当荷载倾角不超过30°时，随加载点位置埋深增大，承载力先增大后减小，倾斜荷载作用于埋深为5 m 时，承载力最大。同时，加载点位于基础底部时，基础倾斜承载力大于加载点位于埋深为2.5 m 时的倾斜承载力。

图3 不同荷载倾角下吸力基础倾斜荷载-位移关系曲线

当荷载倾角为60°时，承载力达到最大值时，对应加载点位置为2.5 m～5 m 之间，随加载点埋深增大，双桶吸力基础倾斜承载力降低。当荷载倾角为90°时，吸力基础的倾斜承载力不受加载点位置影响。

2.3 倾斜荷载下基础周围土体影响范围

为了研究不同倾斜荷载下，双桶吸力基础周围对周围土体的影响，图4 给出了加载点位于桶侧壁埋深5 m 时，不同荷载倾角下，基础周围土体位移云图。随荷载倾角增大，基础周围土体影响范围减小。

图4 不同荷载倾角下吸力基础周围土体位移云图

当荷载倾角为0°时，基础周围土体影响范围最大，沿加载方向基础后侧桶内上部土体产生较大位移量，此时基础发生前倾转动，转动点位于基础前下方外侧区域。当荷载倾角为30°时，基础内部和前侧土体位移量基本一致，基础发生沿加载方向平动。当荷载倾角为60°时，基础发生后倾转动，转动点位于基础后侧上部桶内区域。当荷载倾角为90°，基础后倾转动点下移。

3 结论

通过数值模拟，研究了不同荷载倾角和加载点位置，对双桶吸力基础倾斜承载力的影响，得出以下结论：

（1）双桶吸力基础的倾斜承载力随荷载倾角增大而减小，当水平加载时，基础承载力最高，竖向加载时（荷载倾角为90°），基础承载力最小。

（2）基础倾斜承载力随加载点位置埋深增大，呈先增大后减小趋势。当荷载倾角较小时，达到最大承载力时对应加载点位置约位于基础侧壁中间位置；当荷载倾角为90°，加载点位置的变化对承载力影响可忽略。

（3）随荷载倾角增大，基础周围土体影响范围减小。当倾斜荷载作用在基础侧壁埋深5 m 时，增大荷载倾角，基础的运动方式由前倾转动，逐渐转变为后倾转动。