海上风电高桩承台基础承载特性数值模拟研究

沈晓雷，陈洪飞，王欣怡

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.浙江华东工程咨询有限公司，浙江 杭州 311122；3.杭州定川信息技术有限公司，浙江 杭州 310016；4.浙江大学海洋学院，浙江 舟山 316021)

0 引 言

海上风能是海洋可再生能源中具备极大商业发展潜力的清洁能源，现阶段近海海上风电处于重要战略地位，国家《风电发展“十三五”规划》特别强调继续开展江苏、福建等东南沿海的海上风电发展。海上风电机组往往离岸距离较远，需建设海上升压站将海上风力发电机电能的电压提升至常规的电压[1]。高桩承台式海上升压站适用于离岸近、水深浅的近海区域。工程经验表明，承台的水平承载性能对于海上升压站的安全稳定性起着重要的作用，不少学者对此展开了研究[2-5]。吴春萍等[6]利用FLAC3D结合工程实例建模分析群桩承载力的影响因素；王建等[7]对地基与群桩承台进行整体建模，提出了分析承台基础p-y曲线的迭代分析法；陈晓平等[8]利用文克尔地基模型，对不同桩径、桩距、桩端约束群桩各个桩分别所受承载力的影响进行了研究；孟宪中等[9]基于有限元数值模型，对山东某海域海上风电高桩承台进行了优化设计。以上研究取得了一定的成果，然而，对海上高桩平台的承载特性研究还比较少。

江苏省海上风电累计装机容量占全国海上风电累计装机容量的71.5%，连续多年领跑全国，其主要海上风电项目位于岸外辐射沙洲海域，但是该海域试桩资料较为缺乏。为此，本文采用数值分析的方法，研究岸外辐射沙洲海域高桩承台承载特性，可为该海域风电建设提供技术支持。

1 工程概况

江苏竹根沙某海上风电项目位于竹根沙及北条子泥附近海域，东台H2号海上风电场西南侧，竹根沙H1号海上风电场西北侧，风电场离岸距离39 km，海底地形变化平缓，场区高程-13～2.8 m，场区呈不规则多边形，东西长约21 km，南北宽约6 km，风电场面积37 km2，规划容量300 MW。风电场配套建设1座220 kV海上升压变电站，升压站设置于海域南侧，整个风电场区的中心位置。风电场地理位置见图1。

图1 江苏竹根沙风电站地理位置

本风电场的高桩承台基础采用20根直径1.5～2.0 m的钢管桩，采用直桩与斜桩结合，材质为Q355C，均按摩擦桩设计。承台为八边形，长、宽、高分别为36.0、23.0、3.0 m，承台下部采用4根直径为2.0 m、桩长54.0 m、壁厚30 mm的钢管直桩，4根直径为1.5 m、桩长51.5 m、壁厚30 mm的钢管直桩和12根直径为1.5 m、桩长51.5 m、壁厚30 mm的钢管桩，以1∶5的斜度布置在承台上。高桩承台桩基布置见图2。

图2 高桩承台桩基布置(单位：mm)

竹根沙海域场区内地基土以粉砂、粉砂夹粉土为主，根据土性及物理力学性质细分为8个亚层、3个夹层。各土层分布及物理力学参数见表1。

2 数值模型验证

2.1 单桩数值模型

单桩模型选取为半圆柱形，半径为30 m，深度60 m，底部和四周均全部约束，对称面法向位移约束，顶面为自由面，采用六面体单元类型网格进行划分。土体考虑为弹塑性体，选用M-C本构模型，桩则考虑为弹性桩。数值模型中，钢管桩与周围土体的接触采用法向硬接触，切向则通过罚函数来赋予相应的桩-土摩擦关系。由于工程上没有桩-土体罚摩擦系数相关数据，通过建立单桩基础数值模型，并对其进行水平荷载-水平位移和竖直荷载-沉降量的数值模拟计算，对参数进行优化调整，得到桩-土罚摩擦系数。

2.2 数值模型参数验证

为了选取合理的桩-土摩擦参数，采用辐射沙洲1.8 m钢管桩水平承载性能现场试验结果进行对照。现场试验桩桩长为51 m，桩径为1.8 m，壁厚为25 mm，桩体埋深为29 m，试桩的水平力作用点位于桩顶以下0.5 m处，试桩的竖向力作用点位于桩顶。现场试桩和数值模拟所得的桩顶水平荷载-水平位移曲线与竖直荷载-沉降量曲线见图3。从图3可以看出，现场试桩和ABAQUS数值模拟所得的荷载-位移曲线基本一致，表明表1中桩基模型计算参数选取基本合理。

图3 现场试验和数值模拟结果对比

3 高桩承台承载特性分析

建立ABAQUS高桩承台基础数值模型，承台材料为C45混凝土，钢管群桩为弹性桩，Q335C材质，采用C3D8R单元进行建模，土体为弹塑性体服从M-C模型。模型的底部限制3个方向的位移，四周边界面约束法向位移，顶面为自由面。

本次数值模拟试验采用位移加载方式，在承台上部平台边缘施加短轴方向位移荷载，得到高桩承台基础的荷载-位移(Q-s)曲线，见图4。曲线上存在2个明显的拐点，分别是A点(水平位移0.2 m处)与B点(水平位移0.9 m处)。

图4 承台水平位移-承载力关系

A、B点处的土体等效应变见图5。从图5可知，从开始加载至水平位移为0.2 m处(A点)，随着水平位移的增加，荷载线性增加，表明A点之前，土体处于弹性状态，还未发生破坏，但A点处桩周土体出现明显的屈服区域，表明A点为承台基础处于弹性阶段与屈服阶段的分界点。当水平位移超过A点后，随着位移的增加，承载力缓慢增大直到水平位移0.9 m处(B点)，B点处桩周土体的屈服范围明显大于A点，即在A点与B点之间，泥面处桩周土体的屈服范围继续增大。B点以后承载力曲线迅速下降，表明此时承台在B点达到极限强度。因此，可推断该承台的极限荷载约为315 600 kN。

图5 土的等效塑性应变

为了分析水平荷载下高桩承台中单桩的受力情况，选取3根典型桩进行分析，分别为长轴方向斜桩6号桩、直桩9号桩和短轴方向斜桩12号桩。当高桩承台基础承受极限水平荷载时，3根桩的桩身塑性应力曲线见图6。从图6可知，桩所受到的应力主要集中于2个区域：第1个区域为泥面上桩的自由段部分，3根桩承受应力均在承台连接处达到峰值，6号桩约为450 MPa，9号和12号桩约为350 MPa；第2个区域则是在泥面以下约8 m处，该处应力出现峰值，大小约为承台连接处应力的1/2。6号桩在2个区域的应力峰值均高于9号桩和12号桩，表明6号桩位更易发生桩的屈服。各个桩在2个峰值以外区域包括桩底在内所承受应力都较小，可以判断桩底地基良好，桩在泥面处也不会发生破坏。

图6 桩身等效应力

桩-土之间的相互作用复杂，平行于桩身的侧摩阻力对桩基的竖向承载力起了主导作用。选择6、9、12号桩进行分析，升压站上部组块荷载作用下桩身所受到的侧摩阻力见图7。从图7可知，3根桩的侧摩阻力曲线趋势相似，均在桩身位于泥面以下8～10 m处侧摩阻力快速增加，并在桩身距泥面8～25 m区域维持稳定，在25 m至桩底区域内侧摩阻力迅速减小，桩底侧摩阻力为0，可以判断地基状态良好。

图7 桩身侧摩阻力随桩深变化

4 结 语

本文以江苏岸外辐射沙洲某海上风电项目为研究背景，采用ABAQUS数值分析方法，开展了海上升压站高桩承台基础承载特性数值模拟研究，主要结论如下：

(1)荷载-位移曲线上存在2个特征拐点，分别是弹性阶段与屈服阶段的分界点A点(水平位移0.2 m处)与极限荷载B点(水平位移0.9 m处)，该承台基础水平极限承载力为315 600 kN。

(2)桩身所受到的最大应力主要集中于2个区域：第1个区域为承台连接处，6号桩约为450 MPa、9号和12号桩约为350 MPa；第2个区域则是在泥面以下约8 m处，其大小约为承台连接处应力的1/2。

(3)泥面以下3根典型桩的侧摩阻力曲线趋势相似，均在桩身位于泥面以下8～10 m处侧摩阻力快速增加，并在桩身距泥面8～25 m区域维持稳定，在泥面以下25 m至桩底区域内侧摩阻力迅速减小，可见地基状态良好。