冲刷对海上风电大直径单桩基础影响研究

方孝伍 吴衍剑 许洪露

（中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司 福建福州 350003）

0 引言

风能是一种可循环利用的能源，海上的风速比陆地上的大且稳定，并且减少了对土地资源的占用，因此探讨海上风机的发展变化是现在研究的重点。单桩基础因其结构简单、占用面积小、施工方便、沉降量不大且稳定、适用范围广等优点，成为了海上风电比较常见的基础型式。我国海上风电场大都位于近海浅水海域，更适合应用大直径单桩基础。

冲刷是水流对海床的侵蚀行为，局部冲刷则发生在桩基阻碍水流流动的周围土层。在波浪荷载下，桩基的安全性能、动力响应将变得更为复杂［1］。很多学者对桩基冲刷进行了相关的研究。CHENG 等［2］假定了理想的冲刷坑形态，提出了1 种新型p-y 曲线计算方法，并验证了局部冲刷下的p-y 曲线，最后通过有限元模型进行验证，结果表明冲刷深度对于桩身响应的影响明显大于冲刷坑底面宽度和倾角。HAO 等［3］研究了软黏土中的桩基，综合考虑了应力历史、冲刷深度、冲刷宽度、冲孔坡角对软土地基桩侧力的影响，认为冲刷对桩基的影响可以归纳为冲刷深度和应力历史2 个主要因素。戴国亮等［4］利用LPILE 软件模拟与p-y 曲线相比较，较好的模拟了冲刷形态，并研究了冲刷深度、冲刷坡角和冲刷宽度的参数敏感性，得出了三者对土基承载力的影响依次下降的结论。蒋建平等［5］利用ABAQUS 软件根据实际工况建立了部分埋入水平受荷桩的三维有限元计算模型，进行了冲刷条件下水平受荷桩的模拟，考虑了冲刷角度、深度、桩直径和桩顶约束条件的影响。结果表明，局部冲刷作用对桩顶自由的工况影响最大，桩顶固定条件次之，对弹性侧移约束的影响最小。王其昊［6］对无冲刷条件下的CPT 锥尖阻力和侧摩阻力进行修正，推导了局部冲刷下考虑土体应力历史变化的参数表达式，并且基于总侧阻力等效的原则，提出了局部冲刷下的简化桩土模型，并通过PLAXIS 3D 模拟得到验证。综上，目前关于在分层土中单桩基础冲刷的研究并不多，尤其是黏土中的冲刷状态相较于沙土中较为复杂。本文以某风电场项目中1 个采用单桩基础形式的机位作为研究对象，以有限元软件ABAQUS 为工具，通过改变冲刷坑的形态来确定冲刷对桩身以及土体承载力和变形的影响，并研究了不同冲刷深度下桩基的动力响应规律。通过此分析便于为后续类似工程的单桩基础结构防冲刷设计提供参考。

1 工程背景资料

据现场资料勘察，该机位处水深24.6 m，水面处标高为1.2 m。地勘钻孔资料、土层分布以及地勘提供的部分土层物理力学参数如表1 所示。

表1 土层分布及物理力学参数

针对此机位钻孔条件，实际工程中是按无过渡段的大直径单桩基础结构进行设计。设计方案为：钢管桩桩顶标高为16.0 m，桩端标高为-70.0 m，泥面处标高为-23.4 m，桩基基础埋深为46.7 m。钢管桩上部与塔筒底部连接处的桩身直径为6 m，钢管桩底部直径为7.8 m，桩身中部通过变直径椎体进行过渡连接。钢管桩材质及力学参数如表2 所示。风机采用上海电气7 MW 风电机组。

表2 钢管桩材质及力学参数

2 不同深度冲刷坑单桩基础结构有限元模型

2.1 冲刷参数的确定

海洋环境中通常会存在结构物周边土体冲刷的问题。当结构物在海床上完成安装以后，其附近的水流可能会加强，从而增强周边泥沙运动，最终引起局部范围土体的冲刷［7］。通常在定常流作用下，依据流速不同，桩周砂土的冲刷坑形状可以分为3 种：①当流速较小时，冲刷坑形状为马蹄形；②随着流速增大，冲刷坑的形状由马蹄形过渡为近似圆形；③流速继续增大，冲刷坑形状演化为倒圆锥形［8］。黏土的冲刷坑形状变化与砂土类似。当流速较低时，仅桩后的表层软弱黏土被冲走；当流速增大到足够带走桩周土体时，桩周冲刷坑形状依次向马蹄形、圆形、倒圆锥形过渡［9］。

最大冲刷深度直接影响桩基承载力，因此最大冲刷深度的数值是计算地基承载力降低量的重要数据。而海上风机局部冲刷机理相对复杂，影响因素较多，导致局部冲刷深度的计算存在差异性［10］。目前国内外用于计算波浪、潮流作用下局部冲刷的公式较多［11］。

（1）对于非黏性土，Shen 基于雷诺数提出了桩基冲刷深度的计算方法，见式（1）、（2）。

式中：SD是冲刷深度；um是海床平均流速；d 是桩径；v 是流体的运动黏度，对于水的运动黏度，取10-6m2/s。

（2）对于黏性土，Briaud 同样基于雷诺数提出了桩基冲刷深度的计算方法，见式（3）。

（3）韩海骞公式，如式（4）。

式中：hb为最大局部冲刷深度；h 为最大水深；B 为平均阻水宽度；d50为泥沙平均中值粒径为弗汝德数，u 为最大流速；k1为基础桩平面布置系数；k2为基础桩垂直布置系数。

利用已建的带风电机组基础局部冲刷的实测数据，对上述公式的适用性进行验证。结果得出，韩海骞公式比较适用于淤泥质海岸，得到的理论最大冲刷深度与折减系数相乘，基本与实际最大冲刷深度一致。因此，选取冲刷深度范围内的部分冲刷深度作为模型的变量，分别为0、3、5、7 m。假定局部冲刷坑形态为倒圆锥状，其截面形状如图1 所示。通过冲刷深度、底面宽度、顶面宽度和坡角加以描述，各参数之间的关系可表示为式（5）。

图1 桩基局部冲刷示意图

LIN 等［12］认为，冲刷坡角一般接近河床土体的休止角，对于砂土来说一般为30°至44°，而对于淤泥质海岸而言，淤泥几乎没有摩擦角，因而冲刷坑顶部宽度在工程实践中可取为两倍的局部冲深。

2.2 有限元模型的建立

海上风机单桩基础为变径钢管桩，直径范围6.0～7.8 m，基础壁厚0.05 m。采用线弹性本构关系模拟分析，选用Mohr-Coulomb 理想弹塑性本构模型，对钢管桩体单元和土体单元均采用三维8 节点缩减积分（C3D8R）实体单元进行有限元计算分析，对钢管桩外表面、内表面与周围土体的接触均采用面对面的摩擦接触，桩土接触摩擦系数的值取0.35。荷载加载点在桩顶中心处，选择合理的边界范围，模型周边土层按半径50 m圆柱体设置，土层高度为100 m。周边土体径向位移约束，土体底部固定，建好后的不同冲刷深度结构有限元模型见图2。

图2 有限元数值模拟计算模型示意图

2.3 荷载组合

本次研究的工况组合依据 《海上风电场工程风电机组基础设计规范》（NB/T 10105—2018）确定，主要考虑风机荷载与波流荷载，选取正常使用极限工况进行变形计算，其中风机荷载为主要荷载，波流荷载为次要荷载。正常使用极限工况下的荷载设计值如表3 所示。

3 冲刷对单桩及土体的变形影响分析

3.1 单桩变形情况分析

图3 为处于极限平衡状态时，在不同冲刷深度下的单桩基础对应的桩身位移云图。由图3 可知，随着冲刷深度的增加，单桩基础相同位置处的位移逐渐增大，从不冲刷到冲刷深度为7 m 时，桩身位移最大值从44.6 cm 增大到53.9 cm。钢管桩桩身水平位移曲线如图4 所示，可以看出，当冲刷深度分别为0、3、5、7 m 时，对应的桩顶处的水平位移分别为31.9、32.9、35.3、38.6 cm。冲刷坑的深度对桩身泥面以上部分变形的影响大于泥面以下部分。

图3 单桩基础位移云图

图4 不同冲刷深度的土体本构模型下钢管桩水平位移曲线

图5 为不同冲刷深度下桩身压力随桩身高度变化曲线，可以看出，在泥面处以下一定范围内桩身不受到土的压力，在泥面以下10 cm 左右位置处开始受到压力。由于冲刷使部分土体流失，产生倒圆锥状的冲刷坑，随着冲刷深度的增大，桩身周围土体减少，对桩身的压力也随之减小。当桩身高度在-40 m 左右位置时，不冲刷土体中的桩身压力约为55 kN；而冲刷坑深度为7 m 时，桩身压力仅为45 kN 左右。当距离桩底部10 m 左右时，桩身压力增大速度突然变快，并在接近桩底的-68 m 左右位置处达到极值，不冲刷土体的桩身最大压力为377 kN，冲刷7 m 土体的桩身最大压力为405 kN。最后桩端受到的压力分别减小至235、263、273、290 kN。

图5 不同冲刷深度下桩身压力随桩身高度变化曲线

3.2 土体变形情况分析

图6 为不同冲刷深度下土体的位移云图，图7 为冲刷深度与最大土体位移的关系曲线。由图6 和图7 可知，随着冲刷深度的增加，桩内土的位移逐渐增大，当冲刷深度为7 m 时，桩内土的位移达到了14.11 cm。与无冲刷相比，冲刷3 m 时土体最大位移较无冲刷时增大了11.2%，后续冲刷深度每增加2 m，桩内土体最大位移增加趋势较为稳定，均增加了12%左右。桩外土体位移相差不大，说明冲刷对桩外土体位移几乎无影响，且冲刷对基础土体的破坏模式影响较小。

图6 不同冲刷深度下土体的变形位移云图

图7 土体最大位移与冲刷深度的关系曲线

图8 展示了不同冲刷深度的土体等效塑性应变图。土体塑性破坏区域主要集中在桩身泥面以下中间偏上区域，且随着冲刷深度的增加，会在该破坏区域下部形成新的小范围破坏区域。

图8 不同冲刷深度的土体等效塑性应变图

4 冲刷对结构固有频率的影响分析

图9 展示了不同冲刷深度下结构的第一阶模态。对于一般结构而言，第一阶固有频率是影响结构安全的最主要因素，因此，尽量使其远离动力荷载的主频率。图10 展示了不同冲刷深度下结构的第一阶固有频率。随着冲刷深度的增加，结构第一阶固有频率逐渐降低，并且降低的幅度越来越快，相较于不冲刷的结构，冲刷达到7 m 时的第一阶固有频率降低了15.9%，由此可见，单桩基础结构固有频率受冲刷影响较大。

图9 不同冲刷深度下结构的第一阶模态

图10 不同冲刷深度下结构的第一阶固有频率变化曲线

5 结语

针对冲刷对海上风电单桩基础的影响，本文采用数值模拟的方法，建立了大直径单桩基础有限元模型，参照冲刷相关经验公式，确定了冲刷坑的深度以及倒锥形的冲刷坑形态，依据风浪荷载组合进行相关计算，分析了冲刷对单桩基础以及周围土体的影响。结果表明，随着冲刷深度的增加，单桩基础相同高度处的位移逐渐增大，桩身外侧压力逐渐减小。对于土体而言，冲刷程度越大，桩内土体位移越大，塑性破坏区域面积越大，而桩外土体位移以及土体破坏模式几乎不受冲刷的影响。随着冲刷深度的增加，桩身的第一阶固有频率逐渐降低，并且降低幅度逐渐增大。