沈曉雷，陳洪飛，王欣怡

(1.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 311122；3.杭州定川信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310016；4.浙江大學(xué)海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021)

0 引 言

海上風(fēng)能是海洋可再生能源中具備極大商業(yè)發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?，現(xiàn)階段近海海上風(fēng)電處于重要戰(zhàn)略地位，國(guó)家《風(fēng)電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》特別強(qiáng)調(diào)繼續(xù)開(kāi)展江蘇、福建等東南沿海的海上風(fēng)電發(fā)展。海上風(fēng)電機(jī)組往往離岸距離較遠(yuǎn)，需建設(shè)海上升壓站將海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)電能的電壓提升至常規(guī)的電壓[1]。高樁承臺(tái)式海上升壓站適用于離岸近、水深淺的近海區(qū)域。工程經(jīng)驗(yàn)表明，承臺(tái)的水平承載性能對(duì)于海上升壓站的安全穩(wěn)定性起著重要的作用，不少學(xué)者對(duì)此展開(kāi)了研究[2-5]。吳春萍等[6]利用FLAC3D結(jié)合工程實(shí)例建模分析群樁承載力的影響因素；王建等[7]對(duì)地基與群樁承臺(tái)進(jìn)行整體建模，提出了分析承臺(tái)基礎(chǔ)p-y曲線的迭代分析法；陳曉平等[8]利用文克爾地基模型，對(duì)不同樁徑、樁距、樁端約束群樁各個(gè)樁分別所受承載力的影響進(jìn)行了研究；孟憲中等[9]基于有限元數(shù)值模型，對(duì)山東某海域海上風(fēng)電高樁承臺(tái)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。以上研究取得了一定的成果，然而，對(duì)海上高樁平臺(tái)的承載特性研究還比較少。

江蘇省海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量占全國(guó)海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量的71.5%，連續(xù)多年領(lǐng)跑全國(guó)，其主要海上風(fēng)電項(xiàng)目位于岸外輻射沙洲海域，但是該海域試樁資料較為缺乏。為此，本文采用數(shù)值分析的方法，研究岸外輻射沙洲海域高樁承臺(tái)承載特性，可為該海域風(fēng)電建設(shè)提供技術(shù)支持。

1 工程概況

江蘇竹根沙某海上風(fēng)電項(xiàng)目位于竹根沙及北條子泥附近海域，東臺(tái)H2號(hào)海上風(fēng)電場(chǎng)西南側(cè)，竹根沙H1號(hào)海上風(fēng)電場(chǎng)西北側(cè)，風(fēng)電場(chǎng)離岸距離39 km，海底地形變化平緩，場(chǎng)區(qū)高程-13～2.8 m，場(chǎng)區(qū)呈不規(guī)則多邊形，東西長(zhǎng)約21 km，南北寬約6 km，風(fēng)電場(chǎng)面積37 km2，規(guī)劃容量300 MW。風(fēng)電場(chǎng)配套建設(shè)1座220 kV海上升壓變電站，升壓站設(shè)置于海域南側(cè)，整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)區(qū)的中心位置。風(fēng)電場(chǎng)地理位置見(jiàn)圖1。

圖1 江蘇竹根沙風(fēng)電站地理位置

本風(fēng)電場(chǎng)的高樁承臺(tái)基礎(chǔ)采用20根直徑1.5～2.0 m的鋼管樁，采用直樁與斜樁結(jié)合，材質(zhì)為Q355C，均按摩擦樁設(shè)計(jì)。承臺(tái)為八邊形，長(zhǎng)、寬、高分別為36.0、23.0、3.0 m，承臺(tái)下部采用4根直徑為2.0 m、樁長(zhǎng)54.0 m、壁厚30 mm的鋼管直樁，4根直徑為1.5 m、樁長(zhǎng)51.5 m、壁厚30 mm的鋼管直樁和12根直徑為1.5 m、樁長(zhǎng)51.5 m、壁厚30 mm的鋼管樁，以1∶5的斜度布置在承臺(tái)上。高樁承臺(tái)樁基布置見(jiàn)圖2。

圖2 高樁承臺(tái)樁基布置(單位：mm)

竹根沙海域場(chǎng)區(qū)內(nèi)地基土以粉砂、粉砂夾粉土為主，根據(jù)土性及物理力學(xué)性質(zhì)細(xì)分為8個(gè)亞層、3個(gè)夾層。各土層分布及物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

2 數(shù)值模型驗(yàn)證

2.1 單樁數(shù)值模型

單樁模型選取為半圓柱形，半徑為30 m，深度60 m，底部和四周均全部約束，對(duì)稱面法向位移約束，頂面為自由面，采用六面體單元類型網(wǎng)格進(jìn)行劃分。土體考慮為彈塑性體，選用M-C本構(gòu)模型，樁則考慮為彈性樁。數(shù)值模型中，鋼管樁與周?chē)馏w的接觸采用法向硬接觸，切向則通過(guò)罰函數(shù)來(lái)賦予相應(yīng)的樁-土摩擦關(guān)系。由于工程上沒(méi)有樁-土體罰摩擦系數(shù)相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)建立單樁基礎(chǔ)數(shù)值模型，并對(duì)其進(jìn)行水平荷載-水平位移和豎直荷載-沉降量的數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，得到樁-土罰摩擦系數(shù)。

2.2 數(shù)值模型參數(shù)驗(yàn)證

為了選取合理的樁-土摩擦參數(shù)，采用輻射沙洲1.8 m鋼管樁水平承載性能現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)照?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)樁樁長(zhǎng)為51 m，樁徑為1.8 m，壁厚為25 mm，樁體埋深為29 m，試樁的水平力作用點(diǎn)位于樁頂以下0.5 m處，試樁的豎向力作用點(diǎn)位于樁頂?，F(xiàn)場(chǎng)試樁和數(shù)值模擬所得的樁頂水平荷載-水平位移曲線與豎直荷載-沉降量曲線見(jiàn)圖3。從圖3可以看出，現(xiàn)場(chǎng)試樁和ABAQUS數(shù)值模擬所得的荷載-位移曲線基本一致，表明表1中樁基模型計(jì)算參數(shù)選取基本合理。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

3 高樁承臺(tái)承載特性分析

建立ABAQUS高樁承臺(tái)基礎(chǔ)數(shù)值模型，承臺(tái)材料為C45混凝土，鋼管群樁為彈性樁，Q335C材質(zhì)，采用C3D8R單元進(jìn)行建模，土體為彈塑性體服從M-C模型。模型的底部限制3個(gè)方向的位移，四周邊界面約束法向位移，頂面為自由面。

本次數(shù)值模擬試驗(yàn)采用位移加載方式，在承臺(tái)上部平臺(tái)邊緣施加短軸方向位移荷載，得到高樁承臺(tái)基礎(chǔ)的荷載-位移(Q-s)曲線，見(jiàn)圖4。曲線上存在2個(gè)明顯的拐點(diǎn)，分別是A點(diǎn)(水平位移0.2 m處)與B點(diǎn)(水平位移0.9 m處)。

圖4 承臺(tái)水平位移-承載力關(guān)系

A、B點(diǎn)處的土體等效應(yīng)變見(jiàn)圖5。從圖5可知，從開(kāi)始加載至水平位移為0.2 m處(A點(diǎn))，隨著水平位移的增加，荷載線性增加，表明A點(diǎn)之前，土體處于彈性狀態(tài)，還未發(fā)生破壞，但A點(diǎn)處樁周土體出現(xiàn)明顯的屈服區(qū)域，表明A點(diǎn)為承臺(tái)基礎(chǔ)處于彈性階段與屈服階段的分界點(diǎn)。當(dāng)水平位移超過(guò)A點(diǎn)后，隨著位移的增加，承載力緩慢增大直到水平位移0.9 m處(B點(diǎn))，B點(diǎn)處樁周土體的屈服范圍明顯大于A點(diǎn)，即在A點(diǎn)與B點(diǎn)之間，泥面處樁周土體的屈服范圍繼續(xù)增大。B點(diǎn)以后承載力曲線迅速下降，表明此時(shí)承臺(tái)在B點(diǎn)達(dá)到極限強(qiáng)度。因此，可推斷該承臺(tái)的極限荷載約為315 600 kN。

圖5 土的等效塑性應(yīng)變

為了分析水平荷載下高樁承臺(tái)中單樁的受力情況，選取3根典型樁進(jìn)行分析，分別為長(zhǎng)軸方向斜樁6號(hào)樁、直樁9號(hào)樁和短軸方向斜樁12號(hào)樁。當(dāng)高樁承臺(tái)基礎(chǔ)承受極限水平荷載時(shí)，3根樁的樁身塑性應(yīng)力曲線見(jiàn)圖6。從圖6可知，樁所受到的應(yīng)力主要集中于2個(gè)區(qū)域：第1個(gè)區(qū)域?yàn)槟嗝嫔蠘兜淖杂啥尾糠郑?根樁承受應(yīng)力均在承臺(tái)連接處達(dá)到峰值，6號(hào)樁約為450 MPa，9號(hào)和12號(hào)樁約為350 MPa；第2個(gè)區(qū)域則是在泥面以下約8 m處，該處應(yīng)力出現(xiàn)峰值，大小約為承臺(tái)連接處應(yīng)力的1/2。6號(hào)樁在2個(gè)區(qū)域的應(yīng)力峰值均高于9號(hào)樁和12號(hào)樁，表明6號(hào)樁位更易發(fā)生樁的屈服。各個(gè)樁在2個(gè)峰值以外區(qū)域包括樁底在內(nèi)所承受應(yīng)力都較小，可以判斷樁底地基良好，樁在泥面處也不會(huì)發(fā)生破壞。

圖6 樁身等效應(yīng)力

樁-土之間的相互作用復(fù)雜，平行于樁身的側(cè)摩阻力對(duì)樁基的豎向承載力起了主導(dǎo)作用。選擇6、9、12號(hào)樁進(jìn)行分析，升壓站上部組塊荷載作用下樁身所受到的側(cè)摩阻力見(jiàn)圖7。從圖7可知，3根樁的側(cè)摩阻力曲線趨勢(shì)相似，均在樁身位于泥面以下8～10 m處側(cè)摩阻力快速增加，并在樁身距泥面8～25 m區(qū)域維持穩(wěn)定，在25 m至樁底區(qū)域內(nèi)側(cè)摩阻力迅速減小，樁底側(cè)摩阻力為0，可以判斷地基狀態(tài)良好。

圖7 樁身側(cè)摩阻力隨樁深變化

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以江蘇岸外輻射沙洲某海上風(fēng)電項(xiàng)目為研究背景，采用ABAQUS數(shù)值分析方法，開(kāi)展了海上升壓站高樁承臺(tái)基礎(chǔ)承載特性數(shù)值模擬研究，主要結(jié)論如下：

(1)荷載-位移曲線上存在2個(gè)特征拐點(diǎn)，分別是彈性階段與屈服階段的分界點(diǎn)A點(diǎn)(水平位移0.2 m處)與極限荷載B點(diǎn)(水平位移0.9 m處)，該承臺(tái)基礎(chǔ)水平極限承載力為315 600 kN。

(2)樁身所受到的最大應(yīng)力主要集中于2個(gè)區(qū)域：第1個(gè)區(qū)域?yàn)槌信_(tái)連接處，6號(hào)樁約為450 MPa、9號(hào)和12號(hào)樁約為350 MPa；第2個(gè)區(qū)域則是在泥面以下約8 m處，其大小約為承臺(tái)連接處應(yīng)力的1/2。

(3)泥面以下3根典型樁的側(cè)摩阻力曲線趨勢(shì)相似，均在樁身位于泥面以下8～10 m處側(cè)摩阻力快速增加，并在樁身距泥面8～25 m區(qū)域維持穩(wěn)定，在泥面以下25 m至樁底區(qū)域內(nèi)側(cè)摩阻力迅速減小，可見(jiàn)地基狀態(tài)良好。