海上風電鋼管復合嵌巖樁設計要素研究

石玉琪，樂治濟

(上?？睖y設計研究院有限公司，上海 200335)

鋼管復合嵌巖樁是一種以薄壁鋼管包裹核心混凝土共同作用的復合樁體[1]。在海上風電工程中，樁基礎往往受到潮位、波浪、表層流塑性土等不利條件的影響，而鋼管復合嵌巖樁的鋼管樁結構可以兼做護筒保證樁內水頭和泥漿環境的穩定，因此在海洋工程中得到了越來越廣泛的運用。

目前，有較多學者對鋼管復合樁的承載性能進行了研究。孟凡超[2]等人針對港珠澳大橋地層和基礎特點，通過一系列室外試驗，完善了鋼管復合樁剛度和承載能力的理論計算方法。并指出復合樁橫向極限承載力應由樁頂允許位移標準控制。馮忠居[3]等通過開展離心模型試驗，分析了鋼管埋深和擠土區土體模量對復合樁豎向承載特性的影響。魏綱[4]等通過魚山大橋自平衡試樁試驗得到的Q-s曲線對ABAQUS模型進行修正，分析了復合樁樁身軸力傳遞規律和樁身變截面位置對豎向承載性能的影響。王功博[5]通過數值分析和模型驗證開展了大直徑鋼管復合樁豎向粘結滑移性能的研究。

綜上所述，現階段對于鋼管復合樁的室內試驗和數值模擬主要集中于軸向承載性能的研究?？蓞⒖嫉默F場試驗數據較少并且鮮有對復合樁結構水平承載性能的研究。海上風機基礎作為一種高聳的懸臂式結構，在ULS和FLS一類大變形問題中主要受大傾覆彎矩和水平力作用，樁基礎尤其是在非群樁結構中總體上更為關注水平承載性能。本文將通過已有的現場水平推力試驗數據得到H-Y曲線和樁身測斜曲線驗證PLAXIS建立的樁土模型。并進行水平荷載作用下的復合樁破壞模式分析和長徑比、鋼管樁占比、嵌巖比、樁身剛度、GSI等單一變量的影響效應研究。以有針對性的極限海上風電鋼管復合嵌巖樁設計，減少設計冗余。

1 現場水平推力試驗

水平推力試驗采用自制反力架系統(見圖1)。利用試樁位附近的風機位承臺提供加載反力，在千斤頂與樁體之間設置球鉸座以保證荷載垂直于試樁軸線。

圖1 反力架系統圖

試驗鋼管樁直徑2.0 m，壁厚27 mm，樁長65.5 m。灌注樁直徑1.7 m，進入鋼管樁深度為14.5 m，嵌巖深度4.3 m。加載采用分級單向單循環的方式，設計水平加載值600 kN，每級加載值為預估水平荷載的1/10，加載過程保持荷載連續平穩無沖擊、無超載。實際試驗過程中加載力達到900 kN，根據每級荷載的水平位移傳感器測讀結果，匯總泥面H-Y曲線如圖2。

圖2 泥面點H-Y曲線

通過預埋測斜管對試驗過程中的樁身撓曲進行測試。實測的樁身撓度曲線見圖3。

圖3 試樁測斜曲線

2 有限元模型

在巖土有限元軟件PLAXIS中進行樁土模型的建立。模型尺寸為60 m×60 m×80 m。由于復合樁樁長普遍較長，樁底區域土體大部處于小應變區，為考慮土體剛度的應變相關性，覆蓋層均采用HSS小應變本構。灌注樁選用混凝土本構，巖體為霍克-布朗模型。樁體采用3D板單元，網格采用10節點四面體單元，樁周區域網格加密，同時在樁土間布置界面單元以模擬接觸行為。整體模型和復合樁模擬見圖4和圖5。

圖4 樁土整體模型圖

圖5 復合樁模型圖

在有限元模型中進行加卸載過程的模擬，參數取值和調整方法參考材料模型手冊以及謝東武[6]、楊同帥[7]、董學超[8]等人對小應變模型參數的優化及敏感性分析研究結論。樁土模型中最終確定的土層參數如表1所示。

表1 土層參數表

圖6是有限元模型和試樁試驗的H-Y曲線，加卸載曲線總體擬合較好，最大偏差處出現在加載力H=900 kN處，相差10.6%。如圖7所示，設計水平推力H=600 kN時的兩條H-Y曲線基本吻合，最大偏差4.1%。說明樁土模型的邊界條件、約束模式及各層土參數的選擇都是較可靠的。

圖6 有限元模型和試樁的H-Y曲線

圖7 有限元模型和試樁的測斜曲線

3 水平失效機理

參考上節的數值模型進行破壞分析，進一步分析復合樁在水平荷載作用下的位移場和塑性區發展。如圖8所示，水平力作用下塑性區首先出現在泥面附近主被動土壓力區以及樁底受力側。隨著荷載的加大，泥面附近塑性區向下延伸，樁底受力反側也出現了塑性區。最終失效狀態時，整個樁側和樁底塑性區貫通。

圖8 水平荷載作用下塑性區發展情況圖

總體上，由于復合樁結構剛度較大，基巖層約束作用強，樁身未出現與加荷方向相反的負向位移，樁身彎矩也未出現第二反彎點。參考Poulos[9]，李森[10]的定義描述，鋼管復合嵌巖樁表現出的性狀更類似于半剛性樁。

4 斂散性和敏感性研究

由于脫離了傳統的陸域施工且海況多變，海上風電鋼管樁沉樁作業和灌注樁成孔灌注作業都對船機設備、施工窗口等提出了極高的要求。設計參數的變化會對項目成本投入、工藝機具、施工工期產生根源性的影響。在提倡降本增效的時代，越來越有必要對樁基礎進行精細有效的設計。因此本節采用與上文相同的數值模型進行單一變量研究，探明鋼管復合嵌巖樁結構參數鋼管樁占比、嵌巖比、徑深比和強度參數GSI、樁身強度對水平承載性能的影響，歸納各參數的邊界效應。

在進行敏感性分析時，參考文獻[11]建立系統特性與因素之間的函數關系：

P=f{α1…αk…αn}=φαk

(1)

參數αk對特性P的影響時，可令其余參數取基準值且固定不變，而令參數αk在其可能的范圍內變動。同時為了橫向比較不同物理量不同單位參數的敏感性。定義無量綱化參數敏感度函數如式(2)所示。

(2)

式中，S為一個無量綱非負實數，值越大代表對參數αk越敏感。

4.1 鋼管樁占比率

將復合樁入土段鋼管樁長度和入土段總長度之比定義為鋼管樁占比率，占比率變化區間(0.35～0.95)。由圖9可知不同荷載水平下鋼管樁占比對水平承載性能有著明顯的影響且存在邊界效應。鋼管樁占比達到0.7后，水平位移減少的趨勢變緩，繼續增加鋼管樁占比泥面水平位移已無明顯變化。

圖9 泥面水平位移與鋼管樁占比關系

選擇曲線特征最明顯的F=2 500 kN工況進行ExpAssoc函數擬合，鋼管樁占比記為γ。

擬合函數

φ(γ)=956×e(-γ/0.461)+164

敏感性函數

本工程鋼管復合嵌巖樁中的鋼管樁均打入覆蓋層中的散體狀強風化巖，鋼管樁占比在0.7～08之間。代入敏感性函數算得S(0.75)=0.76。

4.2 嵌巖比

將鋼管復合樁嵌巖段長度與嵌巖段直徑之比定義為嵌巖比，嵌巖比越大對應嵌巖深度越大。保持嵌巖樁直徑為1.7 m，按比例放大嵌巖段長度，比例浮動區間1～6。從圖10可以明顯的看出不同荷載工況下單調增加復合樁嵌巖深度并不能減少泥面水平位移。

圖10 泥面水平位移與嵌巖比關系

泥面水平位移基本不隨嵌巖深度的變化而變化。

4.3 徑深比

定義徑深比為嵌巖樁直徑與嵌巖深度之比，控制嵌巖深度5.1 m不變。分別放大嵌巖樁直徑為原來的1.5、2、2.5、3倍。從圖11可以看出曲線存在明顯的拐點，徑深比具有明顯的邊界效應。嵌巖樁徑深比為1～2時增加嵌巖樁直徑明顯的提升了復合樁水平承載性能。徑深比大于2后對提升水平承載力幾乎沒有作用。

圖11 泥面水平位移與徑深比關系

選擇曲線特征最明顯的F=2 500 kN工況進行ExpAssoc函數擬合，徑深比記為β。

擬合函數

φ(β)=8 001×e(-β/0.302)+13.6

敏感性函數

本工程中嵌巖樁直徑1.7 m，嵌巖深度5.1 m，β=0.33，代入上式計算得到S(β)=1.09。

4.4 巖石質量GSI

霍克-布朗破壞準則是一種非線性強度近似準則，在其連續性方程中不僅包含剪切強度，也包括拉伸強度?？山仆ㄟ^調整GSI來改變基巖的強度指標。取值參考Hoek在1999年提出的定量評價方法，在0～100的區間變動。由圖12可知，隨著地址強度參數GSI的增加，泥面水平位移近似線性減少。

圖12 泥面水平位移與GSI關系

選擇曲線特征最明顯的F=2 500 kN工況進行線性擬合。

擬合函數

φ(GSI)=30-0.055GSI

敏感性函數

本工程基巖GSI取值為70，S(GSI)=0.15。

4.5 灌注樁剛度

本節將灌注樁彈模作為唯一變量，樁身彈模，取混凝土標號C20～C80的設計彈性模量即20～40 GPa，如圖13所示，隨著樁身剛度的增加，水平位移逐漸減少，但減少的趨勢逐漸變緩?；炷翗颂柎笥贑35后水平位移減緩已不明顯。

圖13 泥面水平位移與灌注樁剛度關系

選擇曲線特征最明顯的F=2 500 kN工況進行ExpAssoc函數擬合，嵌巖樁剛度記為E。

擬合函數

φ(E)=575×e(-E/1.68E7)+129

敏感性函數

本工程灌注樁所用混凝土為C35高性能海工混凝土，設計彈性模量3.15E7。S(E)=0.75。

綜上，以本工程的混合嵌巖樁為例，徑深比S(β)>鋼管樁占比S(γ)>樁身剛度S(E)>巖石質量S(GSI)。

5 結 語

本文建立了基于小應變硬化本構和霍克布朗破壞準則的樁土數值模型，并通過福建興化灣地區某海上風電場大直徑試樁試驗得到的H-Y曲線和樁身測斜曲線驗證了數值模型的正確性。以鋼管復合嵌巖樁的水平承載性能為目標，對各結構參數和強度參數進行斂散性和敏感性分析，主要得出以下結論。

1)覆蓋層選用HSS小應變硬化本構，巖層選擇霍克布朗破壞準則可以較好的模擬大直徑鋼管混合嵌巖樁的樁土作用模式。根據實測數據修正后可用于開展后續設計。

2)由于復合樁樁身剛度較大，基巖約束作用強。水平荷載作用下的復合樁變形性狀更偏向于大剛性樁。樁身無負變形，破壞荷載作用下塑性區從泥面下樁周和受力側樁底開始發展并貫通。

3)以本工程為例，復合樁嵌巖樁水平承載性能對設計參數的敏感性排序為徑深比>鋼管樁占比>樁身剛度>巖石質量GSI。徑深比和鋼管樁占比最為敏感，兩個參數同時存在明顯的邊界效應。實際設計過程中可著重考慮將鋼管樁占比控制在70%～80%的范圍，徑深比控制在2左右以達到最高的性價比。

4)基巖GSI對于提升水平承載力有積極的影響，但影響較有限。嵌巖深度對提升復合嵌巖樁的水平承載性能的作用很小，當以水平位移作為設計邊界時，不宜通過采用嵌巖深度的方式來提升水平承載力。