砂土中加載角度對自升式海上風機安裝船水平承載力的影響*

樂叢歡，王 昕，胡 灝，任建宇，張浦陽1,，丁紅巖1,

砂土中加載角度對自升式海上風機安裝船水平承載力的影響*

樂叢歡1,2,?，王 昕2，胡 灝2，任建宇2，張浦陽1,2，丁紅巖1,2

（1. 天津大學 水利工程智能建設與運維全國重點實驗室，天津 300350；2. 天津大學 建筑工程學院，天津 300350）

針對砂土中風機安裝船的水平極限承載特性問題，開展物理模型試驗和數值分析，研究不同水平加載角度下風機安裝船水平承載特性。結果表明：加載角度對風機安裝船的水平極限承載力影響很大；風機安裝船的水平極限承載力隨著加載角度的增加緩慢上升，當加載角度達到30°?左右時風機安裝船的水平極限承載力達到最大，隨即水平極限承載力隨著加載角度的增大迅速下降。當加載角度為90°?時風機安裝船的水平承載力最??；樁靴底部的土壓力變化明顯大于頂部。當加載角度和船體不能保持垂直時，樁靴底部的土壓變化趨于增大，離散程度也趨于增大，船體的穩定性降低。

砂土；風機安裝船；加載角度；水平承載特性

0 引 言

自升式海上風機安裝船是目前海上風電開發的重要設備之一，風機安裝船具有機動性強、水深適應能力強、受環境影響小等優點。它由船體、推進器、樁腿、樁靴和升降裝置等幾部分組成，通過樁腿和升降系統配合將船體抬升到一定高度，可以為海上風電安裝作業提供一個平穩的工作平臺[1]。隨著海上風電的快速發展，海上風機安裝船正逐步向深水化、大型化、專業化、集成化發展[2]。

自升式海上風機安裝船作業過程中除承受自身結構荷載外，還會受風、波浪、海流等環境荷載作用，加之風機、塔筒、基礎等吊物的重量大，吊裝難度高，作業危險性大，有必要對安裝船施工作業中的承載性能進行評估。很多學者利用模型試驗和有限元分析對風機安裝船的承載力進行了一系列研究。VLAHOS等[3]通過黏土中三腿自升式平臺的縮尺模型試驗，研究荷載方向、樁腿長度和預壓比（預壓荷載與自重荷載比值）對自升式平臺樁靴基礎系統承載力的影響。HU等[4]利用風洞試驗研究三腿自升式平臺在正常鉆井工況和強風暴工況下的風荷載大小及風荷載入射角度對平臺整體的影響。陳彥名[5]采用有限元的方法探究了復雜地質條件下組合荷載對三腿自升式平臺的系統承載能力、失效模式、失效機理、荷載在各樁靴間的分布規律等的影響。VLAHOS等[6]采用有限元軟件ABAQUS對均質黏土中三腿自升式鉆井平臺進行了Pushover分析，通過記錄在水平荷載逐漸增大的情況下，豎向、水平、彎矩荷載在各樁靴基礎中分布變化的過程及各樁靴基礎發生的豎向、水平位移和轉角，對自升式平臺在均質黏土中的極限承載力和失效模式進行了研究。CHENG等[7]通過ABAQUS建立密實砂土中帶有桁架式樁腿的三腿自升式平臺模型，對模型施加固定大小的豎直荷載，通過逐級增加水平方向荷載的方式至平臺失效，分析得出三腿自升式平臺的失效模式。ROZMARYNOWSKI等[8]建立簡化的自升式鉆井平臺數值模型，充分考慮自升式鉆井平臺所處的作業環境，將波浪荷載和風荷載這兩類環境荷載作為基本的隨機變量，研究波浪荷載和風荷載對自升式鉆井平臺失效概率的影響以及在波浪荷載和風荷載單一或聯合作用下平臺所發生的失效模式。ZHANG等[9]通過有限元軟件ABAQUS建立自升式鉆井平臺樁靴基礎的數值模型，研究樁靴基礎發生的轉角對整體自升式鉆井平臺的極限承載力的影響。

此外近些年不少學者對海洋平臺樁靴的承載力也進行了深入研究。付麗娜[10]使用ABAQUS進行考慮樁土相互作用的樁靴承載能力數值研究并與經典土力學極限承載力的計算值進行對比。張浦陽[11]定性和定量地分析了多層土條件下，樁靴承載力和孔穴的變化規律，揭示了樁靴發生穿刺現象的實質；進一步提出了樁靴極限安全深度的概念，系統描述了上下土層強度比、上層土相對厚度、下層土標準化抗剪強度和土體強度非均勻系數等參數變化對樁靴承載力的影響；最后給出了適用于工程使用的上硬下軟黏土中樁靴承載力系數的計算方法。林一[12]探究了海底均質土和成層土以及各土層參數對自升式平臺承載力的影響。任利輝等[13]同樣通過有限元分析對雙層黏土中自升式平臺樁靴極限承載力進行了研究，得出上、下層土強度比越大，上層土相對厚度比越小，發生穿刺的可能性就越大的結論。

國內外學者對自升式海洋平臺及樁靴的承載性能問題已經進行了諸多研究，并取得了一些成果，但對四腿型海上風機安裝船在砂土中的承載特性仍有待深入研究。本文基于模型試驗和有限元分析，對某海上風電風機安裝船模型的水平承載力進行研究。重點分析加載角度對風機安裝船極限承載力以及樁靴周圍土壓力的影響。

1 模型試驗

1.1 模型設計參數

安裝船模型由上部船體和四個鋼管樁腿組成，每個樁腿下端安裝一個樁靴，其中船體和樁腿進行簡化處理以方便試驗進行。試驗采用的比尺為L= 1∶100，根據原型尺寸制作相似模型，通過模型試驗模擬原型在工作狀態下的受力情況。風機安裝船示意圖和樁靴見圖1，模型基本參數見表1。

圖1 風機安裝船示意圖

表1 模型主要參數

試驗采用福建標準砂土，砂土參數通過土工試驗測得，如表2所示。經計算可得砂土不均勻系數u= 1.94、曲率系數c= 1.43，是級配連續性較好的均勻砂土，級配曲線如圖2所示。

表2 砂土參數

圖2 砂土級配曲線

1.2 試驗裝置

模型試驗在2 m × 2 m × 1 m的土槽中進行。試驗儀器包括采集儀、土壓力傳感器、拉壓傳感器、激光位移傳感器、傾角儀、拉線位移傳感器等。通過拉壓傳感器和激光位移傳感器實時測量荷載隨位移的變化情況，傾角儀布置在船體正上方，通過傾角儀確保每組工況進行前模型保持水平，誤差保持在0.03°?以內，裝置示意圖見圖3。土壓力傳感器布置如圖4所示，在樁靴頂部和底部共布置8個土壓力傳感（A1 ～ A4，B1 ～ B4），用于測量樁靴周圍土壓力的變化情況，傳感器布置和編號詳見圖4。

圖3 試驗裝置布置示意圖

圖4 土壓力傳感器布置示意圖

1.3 試驗方案

試驗設置了0°、45°、60°、90°?四種不同的加載角度，加載速度均保持16 mm/min不變，樁靴入泥深度均為保持6 cm。為方便試驗進行，對模型預埋進行處理。加載點位于船體模型下方8 cm處。每個工況試驗進行前均經過靜力觸探試驗確保每個工況試驗土體的物理力學性質沒有變化或變化很小。

2 試驗結果分析

2.1 水平極限承載力

圖5為不同加載角度下模型試驗所得出的風機安裝船的位移荷載曲線。

圖5 水平荷載?位移曲線

由圖5可知，風機安裝船在水平加載時隨著位移增加，荷載不斷增大，達到一定程度便出現明顯拐點，此時可認為風機安裝船達到其水平極限承載狀態。當加載角度為0°、45°、60°、90°?時，試驗所得極限承載力分別為137.2、119.63、103.93、96.22 N。相較于加載角度為0°?的工況水平極限承載力，加載角度為45°、60°、90°?時水平極限承載力分別減少12.86%、24.29%、29.90%。

2.2 土壓力變化

樁靴頂部土壓力變化值隨位移的變化如圖6所示，圖中可見，A2的土壓力比較大，說明受壓一側的土壓力計所在位置的土壓變化較大。觀察離散程度，同樣可以發現A2比A1、B1、B2略大，說明受壓一側的土壓力計所在位置的土壓的離散程度較大。最大和最小土壓力都在0°?加載的工況下出現，分別為10.33 kPa和?3.97 kPa。說明0°?加載時樁靴周圍的土壓變化較大。

圖6 不同加載角度下樁靴頂部土壓力變化

不同加載角度下樁靴頂部土壓力變化統計值的對比如圖7所示，統計值包括均值、中位數、最小值、最大值。由圖可知，加載角度等于0°?時，樁靴頂部土壓力變化最大。其中在任何角度下A2傳感器所在的樁靴始終處于受壓狀態，A2的土壓力變化也比其他位置大。

圖7 不同加載角度下樁靴頂部土壓變化對比

樁靴底部土壓力變化值隨位移的變化如圖8所示?？梢杂^察到A4的土壓變化值的最大值比較大，這與A2處產生較大土壓變化值的原因一致，兩者都處于受壓的一側。樁靴底部土壓傳感器位置處的最大值為15.03 kPa，最小值為?9.41 kPa。通過對比，顯然樁靴底部的土壓變化明顯大于樁靴頂部，這也比較符合樁靴頂部土體出現隆起并且迅速破壞的試驗現象。

不同加載角度下樁靴底部土壓力變化對比如圖9所示。由圖可知，樁靴底部土壓變化在0°?和90°的加載角度下變化值較小，在45°?和60°?的加載角度下變化值明顯變大。這表明相比于垂直于船體的加載，45°?和60°?在加載過程中穩定性較差，其樁靴底部的土壓力變化有較大波動，這反映出自升式風機安裝船承載特性。通過觀察對比圖7和圖9可知樁靴底部的土壓變化值隨位移變化的離散程度比樁靴頂部的更大。最大值與最小值的絕對值也比樁靴頂部大45.50%和137.03%。由此可見樁靴底部土壓變化值明顯大于樁靴頂部且離散程度更大。

通過對比分析發現90°?加載角度對應的土壓變化的離散程度最小，其余角度加載土壓變化更為離散。由于試驗對側向位移沒有限制，因此可以看出0°、45°、60°?雖然相對90°?的水平極限承載力有所提升，但穩定性卻會下降，在實際工程中對地基承載力要求更高，如遇到上硬下軟的海底地層時，可能發生穿刺現象。

3 有限元模型

3.1 計算模型

采用ABAQUS有限元軟件建立風機安裝船的三維有限元模型，如圖10所示，其中，有限元計算中的地基土體采用Mohr-Coulomb本構模型，其參數設置為密度= 350 kg/m3、內摩擦角= 34.46°、黏聚力= 3.27 kPa、彈性模量= 18 MPa、泊松比= 0.3。為了消除邊界條件對風機安裝船模型水平承載性能的影響，地基土體采用長× 寬× 高為2 m × 2 m × 1 m的長方體，土體底面為全固定約束，側面施加水平約束，土體和基礎之間采用接觸對模擬。由于本次試驗不考慮結構變形，材料選用剛性材料，模型視為剛體模型。

圖10 有限元模型

分析工況除了物理模型試驗選用的4種角度外，另外補充了15°、30°、75°?三種加載角度的有限元工況。

3.2 加載方式

采用位移控制法對風機安裝船進行水平加載，加載點與試驗相同，均位于船體模型下方8 cm處，在ABAQUS中調整與方向的位移來實現不同角度的加載。

對于極限承載力的確定，采用切線相交法，即分別在荷載?位移曲線起點處和終點處作切線，過兩條切線的交點作水平線與荷載?位移曲線相交，水平線和曲線的交點即對應達到破壞的極限狀態，其縱坐標對應極限承載力[14-15]。

3.3 水平極限承載力

圖11為不同加載角度下有限元計算得出的風機安裝船的位移荷載曲線。通過對比模型試驗和有限元計算的0°、45°、60°、90°?加載角度的位移荷載曲線，兩者整體趨勢相似。有限元計算結果與模型試驗的水平極限承載力的最大誤差為5.81%，兩者結果相近。圖12為有限元計算所得風機安裝船水平極限承載力與加載角度的關系曲線。由圖可知，當加載角度小于30°?時，風機安裝船的水平極限承載力緩慢增加，當加載角度在30°時達到風機安裝船水平極限承載力的最大值，而30°正好是從樁腿所在位置進行加載對應的角度；當加載角度大于30°?時，風機安裝船的水平極限承載力迅速下降，然后在90°時達到最小值。相對于加載角度為90°的工況極限承載力，角度每減小15°，水平極限承載力分別增加0.54%（75°）、9.61%（60°）、17.14%（45°）、46.83%（30°）、44.80%（15°）、44.32%（0°）。

圖11 自升式海上風機安裝船的水平荷載?位移曲線

圖12 自升式海上風機安裝船水平極限承載力隨角度變化

4 結 論

通過研究風機安裝船在不同加載角度下的響應，分析其水平承載力和樁靴周圍土壓力的變化，得出如下結論：

（1）對于本試驗的風機安裝船模型，其最大水平承載力對應的加載角度約為30°，對應通過樁腿的加載方向，此時風機安裝船依靠自身重力維持平衡的反力力臂最大，因此風機安裝船最大水平承載力對應的角度與其樁腿所在位置密切相關。

（2）試驗中，樁靴頂部與底部的土壓力變化值最大分別為10.33 kPa、15.03 kPa，最小分別為?3.97 kPa、?9.41 kPa。0°?加載對樁靴頂部周圍土壓力變化的影響最大，60°?加載對樁靴底部周圍土壓力變化的影響最大。樁靴底部的土壓力變化明顯大于頂部，這對樁靴底部地基的承載能力要求更高。

（3）當加載角度和船體不能保持垂直時，樁靴底部的土壓變化趨于增大，離散程度也趨于增大，穩定性變差，這與試驗現象吻合。此時風機安裝船對地基承載力的要求更高。

[1] 趙亞楠, 郝軍, 汪莉, 等. 自升式風電安裝船樁腿及升降系統現狀與發展[J]. 船舶工程, 2010, 32(1): 1-4. DOI: 10.3969/j.issn.1000-6982.2010.01.001.

[2] 張海亞, 鄭晨. 海上風電安裝船的發展趨勢研究[J]. 船舶工程, 2016, 38(1): 1-7, 30. DOI: 10.13788/j.cnki. cbgc.2016.01.001.

[3] VLAHOS G, CASSIDY M J, MARTIN C M. Experimental investigation of the system behaviour of a model three-legged jack-up on clay[J]. Applied ocean research, 2008, 30(4): 323-337. DOI: 10.1016/j.apor. 2009.02.004.

[4] HU A K, LIN Y, JIANG W. The wind tunnel experiment study of wind load on jack-up drilling unit[C]//Proceedings of the ASME 2013 32nd International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering. Nantes, France: ASME, 2013. DOI: 10.1115/OMAE2013-10194. https://doi.org/10.1115/OMAE2013-10194.

[5] 陳彥名. 考慮粘土空間變異性的自升式平臺推覆分析[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學, 2019. DOI: 10.27061/ d.cnki.ghgdu.2019.002531.

[6] VLAHOS G, CASSIDY M J, MARTIN C M. Numerical simulation of pushover tests on a model jack-up platform on clay[J]. Géotechnique, 2011, 61(11): 947-960. DOI: 10.1680/geot.8.P.114.

[7] CHENG N, KIMIAEI M, CASSIDY M J. Three-dimensional pushover analysis of a jack-up platform[C]// Proceedings of the 31st International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering. Rio de Janeiro, Brazil: ASME, 2012. DOI: 10.1115/OMAE2012-83619.

[8] ROZMARYNOWSKI B, MIKULSKI T. Selected problems of sensitivity and reliability of a jack-up platform[J]. Polish maritime research, 2018, 25(1): 77-84. DOI: 10.2478/pomr-2018-0009.

[9] ZHANG Q Y, LIU Z J. Influence of the Spudcan angle on the ultimate bearing capacity of jack-up platform[J]. China ocean engineering, 2018, 32(4): 476-481. DOI: 10.1007/s13344-018-0050-9.

[10] 付麗娜. 自升式鉆井船樁靴承載能力研究[D]. 天津: 天津大學, 2008.

[11] 張浦陽. 海上自升式鉆井平臺插/拔樁機理及新型樁靴靜/動承載力研究[D]. 天津: 天津大學, 2009.

[12] 林一. 自升式平臺樁靴/地基承載力的數值分析[J]. 船舶工程, 2015, 37(8): 83-88. DOI: 10.13788/j.cnki.cbgc. 2015.08.083.

[13] 任利輝, 焦永樹, 齊德瑄. 雙層黏土中自升式平臺樁靴極限承載力數值分析[J]. 工程設計學報, 2017, 24(4): 425-432. DOI:10.3785/j.issn.1006-754X.2017.04. 009.

[14] HUNG L C, KIM S R. Evaluation of vertical and horizontal bearing capacities of bucket foundations in clay[J]. Ocean engineering, 2012, 52: 75-82. DOI: 10.1016/j.oceaneng.2012.06.001.

[15] TRAN N X, HUNG L C, KIM S R. Evaluation of horizontal and moment bearing capacities of tripod bucket foundations in sand[J]. Ocean engineering, 2017, 140: 209-221. DOI: 10.1016/j.oceaneng.2017.05.012.

Effect of Loading Angle on Horizontal Bearing Capacity of Jack-Up Wind Turbine Installation Vessel in Sandy Soil

LE Conghuan1,2,?, WANG Xin2, HU Hao2, REN Jianyu2, ZHANG Puyang1,2, DING Hongyan1,2

(1. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Intelligent Construction and Operation, Tianjin University, Tianjin 300350, China; 2. School of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin 300350, China)

Physical model tests and numerical analyses were carried out to study the horizontal ultimate bearing characteristics of jack-up wind turbine installation vessels in sandy soil under different horizontal loading angles. The results showed that the loading angle had great influence on the horizontal ultimate bearing capacity of the jack-up wind turbine installation vessel. The horizontal ultimate bearing capacity of the jack-up wind turbine installation vessel increased slowly with the increase of the loading angle. When the loading angle reached about 30°, the horizontal ultimate bearing capacity of the jack-up wind turbine installation vessel reached the maximum. Then the horizontal ultimate bearing capacity decreased rapidly with the increase of the loading angle. When the loading angle was 90°, the horizontal bearing capacity of the jack-up wind turbine installation vessel was minimum. The change of soil pressure at the bottom of spudcan was obviously greater than that at the top. When the loading angle and the hull could not remain vertical, the soil pressure change at the bottom of the spudcan tended to increase, the dispersion degree also tended to increase, and the stability of the hull decreased.

sandy soil; wind turbine installation vessel; loading angle; horizontal bearing characteristic

2095-560X（2023）06-0512-07

TK8

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2023.06.004

2023-04-06

2023-06-06

國家自然科學基金項目（51779171）

樂叢歡，E-mail：leconghuan@163.com

樂叢歡, 王昕, 胡灝, 等. 砂土中加載角度對自升式海上風機安裝船水平承載力的影響[J]. 新能源進展, 2023, 11(6): 512-518.

： LE Conghuan, WANG Xin, HU Hao, et al. Effect of loading angle on horizontal bearing capacity of jack-up wind turbine installation vessel in sandy soil[J]. Advances in new and renewable energy, 2023, 11(6): 512-518.

樂叢歡（1983-），女，博士，副研究員，主要從事海上新能源結構設計和施工研究。