圆盘式混合单桩基础的承载特性研究

郭文文，金 晨，汤徐伟，李 函，江朝华

(1.河海大学水利工程实验教学中心，江苏 南京 210098；2.上海市城市建设设计研究总院(集团)有限公司，上海 200125)

海上风电基础作为海上风机重要组成部分，在不同工况环境条件下受到了波浪、风、地震、冲击等各种动力荷载的交互作用[1]。海上风机基础形式主要有桩基础、重力式基础以及三角架基础[2]。目前应用最多的是结构最为简单的单桩基础[3]。随着海上风电场向大规模化、深水化、离岸化发展，风机承受的荷载将远远超过典型单桩基础提供的支撑，混合单桩基础成为专家学者研究的热点。

圆盘式混合单桩基础属于一种新型的海上风机基础形式。Stone[4]等人通过研究表明，圆盘式混合单桩基础相较于单桩基础，水平承载力和刚度有明显地提高。Lehane[5]等人通过离心模型试验和有限元数值模拟，研究不同竖向荷载作用下圆盘式混合单桩基础塔筒顶端的位移和弯矩，通过对比单桩基础、重力式圆盘基础和混合基础下的承载能力，发现混合基础的转动刚度和承载能力远大于其他两种基础。

目前，对于圆盘式混合单桩基础的结构特点、承载性能及机理等的研究还处于初级阶段。本文采用ABAQUS有限元软件建立了海上风机圆盘式混合单桩基础模型，考虑材料非线性和桩土相互作用，对该基础形式的承载特性进行研究，研究成果对圆盘式混合单桩基础的应用和推广具有一定的指导意义。

1 工程概况

本文依托江苏省启东市海上风电工程进行研究。根据实际工程中的实测资料，土体的浮容重为9.6 kN/m3，泊松比为0.35，内摩擦角为31°，粘聚力为32 kPa。启东市海域2.5 MW海上风机基本参数为：机舱轮毂和风叶质量为127 t；塔筒上部为圆台结构，高58 m，底外径4.34 m，顶外径2.68 m，壁厚38 mm，塔筒下部为圆柱体，高19.5 m，外径4.34 m，壁厚50 mm。

2 有限元模型建立

本文2.5 MW风机圆盘式混合单桩基础的尺寸参考Anastasopoulos[6]的尺寸，即重力式圆盘采用C30混凝土，直径15 m，高2.5 m。钢管桩直径5 m，入土桩长15 m。塔筒与基础的连接位置即法兰连接处距泥面线的高度为19.2 m。保持法兰位置不变，泥面以上的桩长19.2 m，塔筒总高度77.5 m。本文着重研究下部基础，圆盘以上桩长和风机塔筒采用梁单元进行简化，机舱和叶片用集中质量点代替。根据规范，钢管桩的壁厚取80 mm。重力式圆盘与钢管桩通过灌浆连接，灌浆厚度为100 m。由于结构均为圆柱形，土体边界亦取为圆柱形。为消除边界效应的影响，土体的宽度取为150 m，厚度取为22.5 m。

图1 圆盘式混合单桩基础风机的网格划分示意

2.1 材料参数的选取

桩基和重力式圆盘简化为线弹性模型，土体的本构采用非线性模型，即摩尔-库伦模型(Mohr-Coulomb Model)来模拟，Mohr-Coulomb模型是基于摩尔库伦屈服准则，当剪切面上的剪应力与正应力的比值达到最大时，材料发生屈服并破坏。土体的各参数均与实测资料一致。模型材料属性汇总见表1。

2.2 接触和边界条件设置

各接触面间的接触方式设置为：圆盘以上桩长与下部桩基接触面采用耦合约束；圆盘与灌浆、灌浆与桩基均采用绑定约束；桩与土体、圆盘与土体均采用面面硬接触，且摩擦系数均取为0.4。在整个模型中规定重力的方向为Z轴负方向。

表1 模型材料属性汇总

2.3 单元选择与网格划分

除上部塔筒及圆盘以上桩部分采用梁单元外，其余桩基、重力式圆盘、灌浆与土体均采用六面体八节点线性减缩积分单元——C3D8R来模拟。在水平向，将土体划分为4个区域，从桩径之内、圆盘直径之内、3倍圆盘直径之内到3倍圆盘直径以外，网格依次由密到疏；在竖直方向，土体划分为两个区域，桩长之内的部分网格密集，桩长以外的部分网格较疏。单元总数在70 000～80 000之间。图1为圆盘式混合单桩基础风机模型的网格划分示意。

3 承载能力校核

3.1 环境荷载下的静力校核

3.1.1静力荷载的选取

偏安全考虑，风机在海洋环境下所受的风、浪、流荷载选取翟少华[7]文中实测得到的启东市海域2.5 MW海上风机的两种工况下的环境荷载合力。结构静力校核考虑将荷载最不利组合施加于桩基顶端，风机塔筒和上部结构的自重以集中力形式施加于桩基顶端，基础顶端荷载如下：①在风机不工作的极限承载状态下，弯矩为90 000 kN·m，竖向力为-8 263 kN，水平力为900 kN；②在风机正常工作的正常使用状态下，弯矩为66 600 kN·m，竖向力为-2 730 kN，水平力为666 kN。其中，竖向力包含风机塔筒和上部结构的自重。

3.1.2静力计算结果分析

为了说明圆盘式混合单桩基础的优越性，取不加入重力式圆盘的单桩基础进行对比，除重力式圆盘的有无之外，其余参数均保持一致。

3.1.2.1 刚度校核

表2列出了两种基础在两种状态下的泥面处水平、竖向位移和基础的转角。

表2 位移和转角计算结果

由表2可知，圆盘式混合单桩基础的各项参数均满足结构设计要求，且均小于单桩基础，在环境荷载下表现出明显优势；单桩基础的基础转角均不满足要求。

3.1.2.2 强度校核

两种基础在环境荷载下的应力结果见表3。

表3 应力计算结果

本文采用许用应力法对结构强度进行校核，即取材料屈服强度的0.6为材料的许用应力[8]，圆盘式混合单桩基础在两种工况下的应力最大值均在容许范围内，且均比单桩基础的钢管桩的应力最大值小，体现了圆盘式混合单桩基础的优越性。

3.2 基础的承载特性研究

3.2.1承载力的确定方法

在进行设计时，对于承载力以变形作为控制标准。根据DNV-OS-J101 《Design of Offshore Wind Turbine Structures》[9]规定，在本文中，定义泥面线处水平位移100 mm、竖向位移200 mm、转角0.04 rad处的承载力为基础的极限承载力。

3.2.2单一荷载作用下圆盘式混合单桩基础的承载特性

3.2.2.1 水平承载特性研究

利用ABAQUS进行数值分析时，采用位移加载的方法在下部基础顶端施加水平位移荷载，从而得到圆盘式混合单桩基础水平荷载和水平位移的关系曲线。为说明该基础的优越性，将重力式圆盘、单桩基础、两者数值叠加与圆盘式混合单桩基础的水平荷载与水平向位移关系进行对比，见图2。

圆盘式混合单桩基础与单桩基础在水平位移加载前期，水平力呈线性增加，桩基变形处于弹性变形阶段；随着水平位移逐渐增大，水平力的增量呈减小趋势，桩基变形由可恢复的弹性变形和不可恢复的塑性变形组成。对于重力式圆盘基础，水平位移—荷载曲线存在明显的拐点和极值点。当基础水平位移大于0.02 m时，重力式圆盘变形达到破坏阶段失去承载能力，基础水平承载力达到极限状态后水平位移继续增大而水平力有略微下降的趋势。

图2 水平荷载与位移关系曲线

从图2可以看出，在相同的水平位移下，圆盘式混合单桩基础的水平力明显大于其他两种结构，圆盘基础的水平承载能力最差。圆盘的加入明显提高了基础的水平承载能力，另外，当基础水平位移小于0.02 m时，圆盘式混合单桩基础的水平力等于单桩和圆盘基础两者水平力的叠加值；而当水平位移继续增大时，混合基础的水平承载力大于其他两种基础水平承载力的叠加值。

3.2.2.2 竖向承载特性研究

竖向位移荷载的施加方法与水平位移荷载相同。几种基础的竖向荷载与竖向沉降关系如图3所示。

图3 竖向荷载与位移关系曲线

从图3可以看出：

(1)3种结构的竖向力随着基础沉降量的增加而持续增长。随着沉降量的增加，圆盘以下、桩内及桩基础底部土体逐渐变得更加密实，土体自身的承载能力得以增加，进而加强基础的竖向承载能力。

(2)当竖向力为0时，3种基础均有一定的竖向位移，这是由于结构本身在自重作用下会产生一定的竖向位移。与水平承载特性相同，当竖向位移相同时，圆盘式混合单桩基础的竖向力高于其他两种结构，圆盘基础的竖向承载力大于单桩基础。基础泥面线竖向位移为0.20 m时，圆盘的加入使得单桩基础的竖向力从33.53 MN提高4.3倍到142.9 MN，竖向承载力大大提升。与水平承载特性不同的是，圆盘式混合单桩基础的竖向承载能力略小于单桩和重力式圆盘基础两者竖向承载能力的叠加值。

3.2.2.3 弯矩承载特性研究

弯矩荷载的施加是通过在荷载模块设置转角边界条件来实现的。图4是几种基础的弯矩-基础转角曲线。

从图4可以看出：

(1)基础的弯矩荷载与水平荷载变形关系相似，当基础转角较小时，三种结构的弯矩-转角曲线近似成直线型增加；随着转角继续增加，弯矩增量逐渐减小。

(2)转角一定时，圆盘式混合单桩基础的弯矩明显大于其他两种结构，圆盘基础的抗弯承载能力最弱。当基础转角为0.04 rad时，混合单桩基础的抗弯承载力分别约为单桩基础的1.7倍和圆盘基础的7.7倍。整个加载过程混合单桩基础的弯矩均大于单桩和重力式圆盘基础两者弯矩的叠加值，且转角越大，混合单桩基础的优势越明显。

图4 弯矩荷载—转角关系曲线

为更好地解释弯矩变化规律，将各个基础的转动刚度与转角的变化曲线绘于图5。

从图5可以看出：

(1)当基础转角小于10-3rad时，所有基础的转动刚度几乎不发生变化，即整个基础处于弹性阶段。转角继续增大，基础的转动刚度明显减小，当转角足够大时转动刚度最终将减小为0时，基础完全破坏失效。

(2)转角较小时，圆盘基础与单桩基础的弯矩转角曲线几乎重合，这是因为两者的转动刚度相近。随着转角的增加，圆盘基础最先达到极限承载力，也是由于圆盘基础的转动刚度下降速度较快，最先趋近于0。这也是圆盘式混合单桩基础较其他两种基础弯矩叠加值大的原因。

图5 转动刚度与转角关系曲线

3.2.3水平和弯矩荷载(H-M)复合加载下圆盘式混合单桩基础的承载特性研究

海上风机主要承受较大的风、浪产生的水平荷载和弯矩荷载，且对于海上风机基础，竖向荷载主要来源于风机的自重，在本文中忽略风机运行过程中竖向荷载的变化，因此竖向荷载是一定值，仅按上部结构自重考虑。风机采用较轻的材料制造，因此相比于风、浪产生的水平荷载与弯矩荷载，竖向荷载是较小的。因此仅分析竖向荷载恒定的情况下水平和弯矩荷载(H-M)复合加载下基础的承载性能。塔筒所受的水平荷载传递至塔筒底部引起弯矩荷载，因此，对于实际工程情况，水平荷载和弯矩荷载的方向是一致的。对H-M破坏包络线也仅分析第1象限。将一系列水平荷载和抗弯承载力一一对应绘制成H-M的破坏包络图。结合前文对水平承载力的分析，取水平力为0、5、10、15、20 MN进行分析。此时的弯矩与转角关系曲线见图6，弯矩随水平荷载的增加而减小。当转角较小时，水平力对弯矩的影响尚不明显；当转角逐渐增大，水平力增大，弯矩明显减小，该规律从H-M破坏包络图(见图7)也可看出。当水平力较大时(如水平力为20 MN)，弯矩达到极限值后随转角的增大呈略微下降的趋势。

图6 不同水平荷载作用下基础弯矩转角关系曲线

图7 水平荷载与弯矩荷载的破坏包络图

4 结 论

圆盘式混合单桩基础是一种能适应海上风电场向深水化发展，解决单桩基础为风机提供足够支撑问题的新型海上风机基础形式，该新型基础集合了单桩基础和重力式基础的优势，能为风机提供更高的承载力。本文通过利用ABAQUS软件，考虑了土体的弹塑性与桩土相互作用，建立圆盘式混合单桩基础的有限元模型，对结构的水平、竖向、弯矩单一荷载下的承载特性以及水平-弯矩复合加载下的承载特性进行分析。主要结论如下：

(1)两种环境荷载下，圆盘式混合单桩基础各项参数均满足规范要求，在泥面处水平位移、竖向位移、基础转角等刚度以及混凝土应力、钢管桩应力等强度均小于单桩基础，表现出更好的稳定性。

(2)单一荷载施加于基础，圆盘式混合单桩基础较单桩基础和重力式圆盘基础这两种基础有更好的承载性能。圆盘的加入使得单桩基础的水平承载能力、竖向承载能力、抗弯承载能力有显著提高，圆盘式混合单桩基础的水平承载能力和抗弯承载力较单桩基础和重力式圆盘两种基础的叠加值大，但竖向承载能力略小于单桩基础和重力式圆盘两种基础的叠加值。水平-弯矩荷载同时施加于基础，基础的抗弯承载力随水平荷载的增加呈线性减小。当转角较小时，水平力对弯矩的影响尚不明显，随着转角的增大，水平力增大，弯矩减小越明显。