海上風電吸力樁基礎破壞包絡面理論研究

范夏玲

（福建永福電力設計股份有限公司 福建福州 350108）

0 引言

隨著海上風電的發展，工程建設海域條件復雜，復雜的海洋水文和地質條件下，傳統海上風電單樁基礎和導管架基礎一般都采用打樁錘沉入土層，部分的場址建設存在著大量機位需要嵌巖的情況，極大地增加了工程的建造成本和建造周期［1-2］。為避免淺覆蓋層區域樁基無法沉入到設計標高而需要嵌巖施工等諸多問題，采用1 種海上風電吸力樁基礎作為海上風電機組的基礎型式，以適用于深遠海復雜工程地質條件下的風機機組基礎。吸力基礎是1 種倒置的筒形結構，又稱吸力樁。吸力樁基礎適用水深范圍較廣，施工方便且施工速度快，安裝方便、地質勘測深度范圍較小，拆除方便，是近海海域和水深較深海域海上風電場基礎型式的重要選擇［3-5］。

吸力樁基礎承載力計算是設計階段確定吸力樁樁型、結構安全的前提［6］。但目前吸力樁基礎承載力設計尚無規范性指導文件，工程實踐主要參考最佳擬合常重力條件下小規模實驗室模型實驗結果、相關工程經驗以及國外規范，存在主觀性與盲目性等問題［7-8］。

吸力樁基礎受到復雜的海洋環境荷載，包括波浪、海流以及風等引起的水平與彎矩荷載［9-10］。吸力樁基礎不僅受到自身以及上部結構所受到的豎向荷載，還受到海洋環境荷載通過基礎傳到地基上，使地基受到豎向荷載V、水平荷載H 以及彎矩M 的復合加載作用［11-15］。傳統的地基承載力計算理論忽略了水平荷載V 與彎矩荷載M 的相互作用。此種方法應用在港口與海洋工程時具有一定的局限性，因海洋基礎一般不會在單純的豎向荷載達到極限平衡狀態，而是在豎向荷載、水平荷載以及彎矩的不同組合條件下發生破壞［16-17］。在實際工程設計中，解決三維空間荷載的承載力計算，通常采用PLAXIS 3D、ABAQUS 以及Z-SOIL 等有限元計算方法，計算較為繁瑣，運行時間過長［17-18］。為了解決這個問 題，ZHANG 等［19］和PALIX等［20］通過有限元仿真模擬發現VHM 三維荷載空間內的破壞包絡面為橢球形，在豎向力、水平力與彎矩等多種荷載分量共同作用的復合加載模式下，地基達到整體破壞時各個荷載分量的組合在三維荷載空間中將形成1 個不依賴于加載路徑的外凸曲面破壞包絡面。若設計基礎承載力在屈服包絡面之內，則認為基礎的承載力和整體穩定性滿足設計要求。但國內目前對吸力樁計算、安裝都尚無規范可查。

本文提出的VHM 承載力計算方法主要適用于介于淺基礎與深基礎之間的吸力樁基礎。通過求解VHM 三維荷載空間內的破壞包絡面方程，分析吸力樁承載能力并確定吸力樁基礎的失穩破壞模式，若設計基礎承載力在屈服包絡面之內，則認為基礎的承載力和整體穩定性滿足設計要求，并初步確定吸力樁基礎的尺寸，為初步設計階段提供方案設計指導性意見。

1 VHM 三維荷載破壞包絡面理論方法

國內外研究表明筒型基礎的承載力破壞包絡面為橢圓曲面，吸力樁是介于淺基礎與深基礎之間的筒型基礎。橢圓參數包括彎矩及水平力橢圓長軸參數、彎矩及水平力橢圓短軸參數、豎向及水平力橢圓長軸參數、豎向及水平力橢圓短軸參數、斜橢圓轉角?；谏鲜鰴E圓參數，并利用VHM 三維荷載破壞包絡面屈服函數確定吸力樁尺度設計。

如圖1 所示，可以將土層簡化為表層強化土、均質土、正常固結土和階梯型土4 種土層分布情況，不排水抗剪強度Su采用剖面插值法取值。

圖1 不同類型土層分布Su 值隨深度的變化曲線

如圖2 所示，針對長徑比0.5≤L/D≤6 的深淺基礎，分別定義了MH 復合加載破壞包絡面、VHmax復合加載破壞包絡面和VHM 復合加載破壞包絡面等3 種荷載空間內的破壞包絡面特性，包絡面均為（L/D）和（ez，su/L）的平滑橢圓函數。

圖2 3 種荷載空間內的破壞包絡面

1.1 MH 平面上的破壞包絡軌跡

MH 復合加載破壞包絡面，當豎向荷載V=0 時，MH 破壞包絡面橢圓方程按公式（1）～（10）表示。

式中：φMH為斜橢圓轉角；H*為無量綱水平力；λL為荷載系數；H 為水平荷載；M*為無量綱彎矩；M 為彎矩；aMH為彎矩及水平力橢圓長軸參數；bMH為彎矩及水平力橢圓短軸參數；D 為樁徑；L 為樁長；SuL為樁端至樁尖間土層不排水抗剪強度平均值。

針對長徑比0.5≤L/D≤6 的吸力樁基礎，其中φMH、aMH和bMH可按公式（4）～（5）計算。

式中：ez，su為不排水抗剪強度曲線相對于吸力樁樁底的偏心點離吸力樁頂的距離；ΔφMH為斜橢圓轉角變量；Np，fix為基礎固定端側向承載力系數；Np，free為基礎自由端側向承載力系數。

如圖3 所示，通過樁端自由度與長徑比，確定樁的側向承載力系數。

圖3 樁的長徑比與側向承載力系數關系

（1）ΔφMH可按下列公式（7）～（9）計算。

①對于表層強化土（ez，su/L=1/4）：

②對于均質土（ez，su/L=1/2）：

③對于正常固結土（ez，su/L=2/3）與階梯型土（ez，su/L=3/4）：

（2）當0.5≤L/D≤1.5 時，ΔbMH可按式（10）計算。

式中：ΔbMH為彎矩及水平力橢圓短軸變量。

1.2 VMmax 平面上的破壞包絡軌跡

VHmax復合加載破壞包絡面按公式（11）～（15）計算。

aVH和bVH的值可按公式（12）～（15）計算。

（1）對于表層強化土（ez，su/L=1/4）：

（2）對于均質土（ez，su/L=1/2）：

（3）對于正常固結土（ez，su/L=2/3）：

（4）對于階梯型土（ez，su/L=3/4）：

式中：Hmax，V為當V≠0 時，最大水平荷載；Hmax為當V＝0 時，最大水平荷載；V 為豎直荷載；Vmax為最大豎直荷載；aVH為豎向及水平力橢圓長軸參數；bVH為豎向及水平力橢圓短軸參數。

1.3 VHM 空間的破壞包絡面

VHM 三維荷載空間內的破壞包絡面方程，包括吸力樁基礎在豎向荷載V、水平荷載H 及彎矩M 復合加載條件下破壞包絡面的分析，完整的VHM 三維復合荷載空間內的破壞包絡面屈服函數由MH 復合加載破壞包絡面與VHmax復合加載破壞包絡面聯立得出。下列方程式（16）～（18）可用來合理計算復合加載條件下吸力樁基礎的承載力。

式中：t 為橢圓角度參數。

將方程（18）代入方程（16）和（17）聯立求解，得到三維復合荷載空間內的破壞包絡面屈服方程函數，可按式（19）表示。

式中：fVHM為VHM 三維復合荷載空間內的破壞包絡面屈服函數。

fVHM為VHM 三維復合荷載空間內的破壞包絡面屈服函數；當fVHM＜0：在屈服包絡面之內，認為吸力樁基礎的承載力和整體穩定性滿足設計要求；當fVHM=0：在屈服包絡面上，認為吸力樁基礎的承載力和整體處于臨界值狀態；當fVHM＞0：在屈服包絡面之外，認為吸力樁基礎的承載力和整體穩定性不滿足設計要求。

2 結論

通過求解VHM 三維荷載空間內的破壞包絡面方程，在方案設計階段可用于判斷吸力樁承載力和穩定性是否符合設計要求，研究成果可供工程設計參考。具體得到2 個結論：

（1）針對長徑比0.5≤L/D≤6 的吸力樁基礎，分別定義了MH 復合加載破壞包絡線、VH 復合加載破壞包絡線和VHM復合加載破壞包絡面等3 種荷載空間內的破壞包絡面特性，包絡線和包絡面均為（L/D）和（ez，su/L）的平滑函數。

（2）fVHM為VHM 三維復合荷載空間內的破壞包絡面屈服函數；當fVHM＜0 時在屈服包絡面之內，認為吸力樁基礎的承載力和整體穩定性滿足要求；當fVHM=0 時在屈服包絡面上，認為吸力樁基礎的承載力和整體處于臨界值狀態；當fVHM＞0：在屈服包絡線之外，認為吸力樁基礎的承載力和整體穩定性不滿足要求。