海上风电倾斜螺旋群桩基础适用性分析

石延杰，王 健，陈青山，张浦阳，任建宇

（1.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；2.天津市政工程设计研究总院有限公司，天津 300051）

引言

在全球应对环境气候变化和推动绿色增长的大背景下，我国海上风电产业迎来飞速发展的全新时代，海上风电已成为我国推进生态文明建设、实现低碳发展的重要保障。而随着海上风电场的建设日益加快，在海上风电场的建设中，风机基础形式愈来愈引起人们的重视。倾斜螺旋群桩基础作为一种新兴的海上风电基础，其使用灵活、施工便捷、承载高、污染小、成本低，在海上风电领域具有广阔的应用前景。

目前已有大量学者针对螺旋群桩基础相关性能进行了一定的研究，并取得了一定的研究成果，符胜男[1]研究了螺旋桩锚板上拔承载力的尺寸效应，提出了适用于不同埋深的极限上拔承载力计算公式。胡伟等[2]通过开展模型试验，研究了水平荷载下螺旋桩的承载性能。Luo[3]等通过数值模拟研究了地震作用下螺旋桩桩-土间的动态响应机制。曹日跃[4]通过数值模拟分析了竖向荷载作用下螺旋单桩桩侧摩阻力和桩体轴力的分布规律。张新春等[5]系统分析了长径比、叶片距宽比、等对螺旋桩水平承载性能的影响。韩春雨[6-8]等通过加载试验和数值模拟研究了螺旋桩单桩的承载性能及桩-土间动态响应机制。Lee 等[9]通过开展试验，研究了螺旋锚在循环和斜向拉拔下的承载性能。

综上可知，现阶段针对螺旋桩基础的研究成果主要集中于传统高桩承台群桩基础，而针对倾斜螺旋群桩基础在实际工程中应用研究仍相对不足，因此有必要开展实际工程中倾斜螺旋群桩基础和传统高桩承台群桩基础的对比分析。

本文通过有限元分析，从经济角度和工程性能两个方面，将实际工况下相同管径、桩间距等因素的高桩承台群桩基础算例的承载性能和普通倾斜群桩算例的承载性能系统地进行对比分析，结果验证了倾斜螺旋群桩的优良承载性能，研究成果对实际工程中的倾斜螺旋群桩基础设计与计算具有一定的应用价值。

1 设计条件与选型

本文所选用的风电厂址的水文信息由相关机构提供，通过测量所得的该地区的平均水深为 25.66 m，此处海域土质多为砂土。该海域现已建成多个风电场，海上风电基础型式选用高桩承台基础，所用风机为5 MW。本风电场的海水温度常年高于0 ℃，其最高温度为25 ℃，风电场内海水的密度为1 022 kg/m3，对应的含盐量为3.8 %。

1.1 设计荷载

基础设计荷载工况包括正常运行极限荷载工况、极端荷载工况（承载能力极限荷载工况）、疲劳强度验算工况。将基础受到的荷载等效到基础上法兰顶，具体如表1 所示。

表1 正常运行和极端荷载工况下的设计荷载Tab.1 Design loads for normal operation and extreme load conditions

1.2 土质参数

该风电场内大多数为砂土，对应土体的地勘参数的具体情况如表2 所示。

表2 风电场区土质参数基本资料Tab.2 Basic information on soil parameters in the wind farm area

1.3 结构选型

高桩承台基础常见于海岸码头和海工建筑，由基桩和承台组成。本算例依据《海上风电场工程风电机组基础设计规范》（NB/T 10105-2018）[10]及 《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）[11]设计。承台为直径16.5 m，高4.5 m 的圆柱体，是现浇C50高性能海工混凝土结构，承台底高程+4.5 m，顶部高程+9 m。承台上部是法兰环，底部嵌入承台，直径6 m，法兰顶高程+12 m，采用表10 中所用钢材。

倾斜螺旋群桩与无叶片普通的倾斜群桩两者保持桩径固定为2 m，仅改变桩长做相同用钢量的对比分析。每个基础设8 根桩，以承台中心为圆心均匀环向布置，桩倾角为12 °，壁厚为0.05 m，桩嵌入到承台中，桩顶高程为6 m，在高程-25.66 m（泥面处）邻桩间距为10 m。钢管桩内承台至泥面下3 m 设有C40 补偿收缩混凝土，所用混凝土所用材料参数如表3 所示。

表3 材料属性Tab.3 Material Properties

2 基础设计及有限元模型

2.1 螺旋桩基础设计

由表1 中竖向压力以及泥面桩上结构重量可得出作用在桩上极限下压荷载为48.49 MN，根据极限弯矩、水平力产生的弯矩以及上部最小桩间距求得的最大上拔力为68.29 MN。

算例中所设计螺旋桩的桩身连杆直径2 m，壁厚为0.05 m，螺旋叶片D=2.5 d，为5 m，厚度为0.05 m，叶片选取埋深为23 m，螺距取为2 m，具体如图1 所示。将基本参数代入Howard 的“A Practical Guide to Design and Installation”[12]中公式计算螺旋单直桩所能提供的极限受压承载力，计算结果为16.1846 MN，极限抗拔承载力为14.5229 MN，参考前文倾斜群桩效率系数，取群桩效率系数为0.932，求出对应的螺旋桩高桩承台基础承载力及校核如表4 所示。

图1 螺旋群桩设计Fig.1 Helical cluster pile design

表4 螺旋桩高桩承台基础承载力校核Tab.4 Bearing capacity check of helical pile high pile bearing foundation

表4 中显示螺旋桩高桩承台承载力校核符合要求，普通群桩基础按相同用钢量，相同单桩直径，相同倾角设计。经计算，延长普通桩桩长至泥面下28.229 m 深度，具体如图2。

图2 普通群桩设计Fig.2 Ordinary cluster pile design

2.2 有限元模型

螺旋群桩高桩承台基础有限元模型如图3 所示，无叶片普通群桩基础有限元模型如图4 所示。法兰、承台与桩之间采用绑定（tie）接触，法兰选用S4R 壳单元，承台选用C3D8R 实体单元，其余接触设置、边界条件、单元选择同前。土层为长150 m，宽150 m，高70 m 的长方体，以充分消除边界条件的影响，各土层的相关参数如表2。

图3 螺旋群桩高桩承台基础有限元模型Fig.3 Finite element model for helical pile high pile bearing foundation

图4 普通高桩承台基础有限元模型Fig.4 Finite element model for ordinary cluster pile design

3 计算结果对比分析

3.1 整体指标

基础倾斜率：图5 显示在相同荷载条件以及相同用钢量时，螺旋群桩基础竖向位移远小于普通群桩基础。读取图中数据结果计算可得高桩承台螺旋群桩基础倾斜率为4.96/1 000，满足海上风电基础结构倾斜率在5/1 000 以内的要求；普通高桩承台群桩基础倾斜率为8.10/1 000，不满足要求。

图5 法兰顶竖向位移云图Fig.5 Vertical displacement contour of flange top

整体竖向位移：图6 反映了基础整体沉降变形大小，可以看出螺旋桩基础最大沉降位移为66.1 mm，符合海上风电基础最大沉降100 mm 的要求;普通群桩基础最大沉降为127 mm，不符合要求。

图6 高桩承台基础整体竖向位移云图Fig.6 Integral vertical displacement contour of high pile bearing foundation

3.2 基础各部分对比

图7 显示应力最大的部位是承台与上部法兰以及与下部受拉桩的连接处，是结构体系中的重要节点。螺旋群桩基础最大应力大于普通群桩基础，表明下部桩基对于承台的约束更强，特别体现在与受拉桩的连接处，可见螺旋桩基础的整体性与传力路径更好，本质上是来源于螺旋叶片增加了基础在土中的锚固，所以在上部结构在复杂荷载工况下螺旋群桩基础可以提供更强的刚度与连接作用。

图7 混凝土承台应力云图Fig.7 Stress contour of concrete bearing platform

从图8 可得沿加载方向的前后两根桩位置处土体有最大和最小的竖向位移，可见各桩受力并不一致。整体来看，螺旋桩基础地基土体位移更小，普通桩整体变形是螺旋桩的2 倍，说明螺旋桩基础在相同荷载下对土体扰动更小。

图8 地基沉降变形云图Fig.8 Deformation contour of foundation settlement

图9 中，螺旋桩在叶片处有相对较大的应力集中，说明螺旋叶片起到了较好的锚固作用，也更为重要；普通桩和承台连接的部位和入土段应力较大，分布较为均匀，承载力由摩擦和端承提供。

图9 桩基应力云图Fig.9 Stress contour of pile foundation

图10 中螺旋桩最大沉降为65.68 mm，普通桩为127 mm，普通桩沉降位移增加了约93 %。整体上普通桩变形也相对较大，可见其承载性能远不如螺旋桩。由于有水平力和弯矩作用，各基桩受力并不一致，基桩的变形更为复杂，伴随着一定的弯曲，若桩长较长可能需要做进一步的分析。

图10 桩基竖向位移变形云图（比例系数：50）Fig.10 Vertical displacement and deformation contour of pile foundation (scale factor: 50)

如图11，根据基础中各桩受力特点，按图分组命名，其中包括仅受拉拔力的拉拔桩1#和拉拔桩2#，仅受压的受压桩1#和受压桩2#，以及既受压又受拉的压拔桩。

图11 高桩承台基础桩基受力模式Fig.11 Force pattern of pile foundation for high pile bearing foundation

提取两基础受压桩1#泥面高程处桩周水平位移如图12 所示，其中箭头表示荷载加载方向。明显可见普通桩基础的侧向变形远大于螺旋桩基础，螺旋桩基础在受压桩1#泥面处水平位移仅为普通桩的0.12～0.19，由此可见螺旋叶片的锚固对基础的侧向刚度同样具有显著的提升作用。

图12 泥面高程受压桩1#桩周水平位移分布图Fig.12 Horizontal displacement distribution of mud Plane elevation pressurized pile 1# around the pile

计算两基础各桩在泥面深度处水平位移如表5所示。整体上看，普通群桩位移远远大于螺旋群桩，位移增幅为60 %～541 %。表5 中，螺旋群桩各桩水平位移差距较小，说明桩基整体性较好，变形较小；而普通群桩位移变幅大，由9.7 mm 变化到 25.5 mm，增加了数倍，沿加载方向逐渐增大。

表5 高桩承台基础各桩泥面高程处水平位移Tab.5 Horizontal displacement at mud plane elevation ofeach pile of high pile bearing foundation

4 结语

本文通过实际工况下的海上风电高桩承台群桩基础的算例，对比相同用钢量下的倾斜螺旋群桩和普通倾斜群桩在相同荷载下的工程表现，进一步探究了倾斜螺旋群桩基础的承载力性能与优势，具体结论如下：

1）相同用钢量时，同一荷载条件下螺旋群桩基础倾斜率、竖向位移、最大沉降量更低，且均满足海上风电基础结构规范要求，而普通桩高桩承台基础均无法满足，若要满足使规范要求需增大用钢量；

2）复杂荷载工况下螺旋群桩基础可以提供更强的刚度与连接作用，且螺旋群桩基础的最大应力大于普通群桩基础的最大应力，螺旋叶片增加了螺旋群桩基础在土中的锚固效应，对于承台的约束更强，对土体扰动更小；

3）相较于螺旋桩，普通桩沉降位移增加了约93 %，螺旋桩基础泥面处水平位移仅为普通桩的0.12～0.19，螺旋群桩基础位移增幅也远低于普通群桩基础。即相较于传统高桩承台基础，螺旋群桩具有更强的竖向和侧向的承载力，整体性更好。