海上风机加翼单桩基础承载性能研究

李容娜，陈 莉，张 欢，周 楠

（河海大学港口海岸与近海工程学院，南京 210098）

当前，大力发展可再生能源是我国建设现代化经济强国的大国战略［1］.风能是一种清洁安全的绿色能源，在新能源开发中占有重要地位.我国海域面积辽阔，拥有丰富的海上风能资源.东南沿海及其附近岛屿的风能资源尤其丰富，可供利用的海上风能资源约为陆上的三倍［2］.与陆地风电相比，海上风电具有鲜明的优势，如节约土地资源、噪声污染小、风能资源丰富、年发电时间较长等，适合进行集中大规模的开发，近年来得到快速发展.大直径单桩基础作为应用最广泛的海上风机基础之一，随着海上风电场朝向大规模化、深水化、离岸化发展，风机承受的荷载将远远超过其提供的支撑，新型单桩基础成为专家学者研究的热点［3］.

有关学者［4］提出了一种在单桩上设置翼板的新型单桩基础型式.加翼单桩基础通过泥面下的翼板来增强桩身土抗力，改善单桩基础泥面水平位移过大的问题，使基础具备更高的水平承载能力、更低的造价和施工技术难度.目前，关于加翼单桩基础的研究还处于初级阶段，集中在基于离心试验模型的静荷载下的承载性能研究和桩基础水平极限承载力的研究［5-14］.海上风机在实际工程中，不同性质的地基土体及变化的荷载加载方向均会对基础承载能力提出不同的考验.因此，对于加翼单桩基础承载性能进一步地探讨十分必要.本文采用ABAQUS有限元软件建立了海上风机加翼单桩基础模型，考虑材料非线性及桩土相互作用，研究加翼单桩基础承载性能及加载方向、土性参数和摩擦系数对加翼单桩基础承载性能的影响，研究成果对加翼单桩基础的应用和推广具有一定指导意义.

1 ABAQUS模型建立

本文以文献［15］研究中5.5 m直径加翼单桩基础为原型.转轮直径130 m，轮毂高度90 m，机舱叶轮组合重量为239 t，塔筒长度75 m，机组（基础环以上）总重为523 t；同桩长普通单桩基础（MP46）入土桩长46 m，同钢量普通单桩基础（MP53）入土桩长53 m；加翼单桩（FP）入土桩长46 m，壁厚均为0.07 m，翼板按环形布置四块，每块长11 m，宽2.75 m，厚0.07 m.

1.1 材料参数

风电机组基础材料为DH36型钢材，弹性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.3，密度7850 kg/m3；土体为粉砂夹粉土，本构关系为弹塑性模型.土体材料参数见表1.

表1 土体材料参数取值Tab.1 Soil material parameter values

1.2 单元选择与网格划分

上部风机简化为一个集中质量点，塔筒采用B3空间梁单元，下部基础及土体采用C3D8R三维实体单元.有限元土体为圆柱形，直径为20倍桩径，土体高度为1.5倍入土桩长.在3倍桩径范围内对土体网格进行适当加密，最小径向网格尺寸约为0.5 m，最大径向网格尺寸3 m，竖直方向上，桩底以上部分以1 m间隔划分，剩余以2 m间隔划分，网格总数保持在80 000～120 000左右.有限元模型示意图如图1所示.

1.3 接触与边界条件设置

上部风机与塔筒顶端、塔筒底端与桩基础均采用耦合连接进行约束；土体与基础的接触面存在相互作用，在ABAQUS中通过设置面-面接触进行模拟.结构与土体间的法向作用采用“硬接触”，即只考虑接触时传递压应力，不考虑负压作用带来的拉应力，允许桩土接触后分离，接触面的切向摩擦系数取为0.589.

图1 有限元模型示意图Fig.1 Finite element model diagram

2 承载能力校核

2.1 风机基础设计控制标准

根据挪威船级社规范（DNV-OS-J101）［16］和德国船级社规范（GL 2012）［17］中的规定，本文海上风机加翼单桩基础变形控制标准确定为：①计算泥面处的水平位移不超过L/500，L为桩体入土深度；②泥面桩体转角不超过0.004 36 rad；③桩体端部的位移不超过10 mm及L/5000；④风机塔筒顶端转角不超过5°；⑤竖向沉降不超过0.1 m.

2.2 环境静荷载的选取

本文的风、浪、流荷载选取石锐龙［18］文中的江苏省东部沿海某海域数据，考虑两种工况，基础泥面线处所受荷载如下：①极端高潮位工况下，水平力为4489 kN，竖向力为8318 kN，弯矩为203 642 kN·m；②极端低潮位工况下，水平力为4020 kN，竖向力为8318 kN，弯矩为186 353 kN·m.

2.3 刚度校核

表2列出了加翼单桩基础在两种工况下的静力校核结果，其中，考虑到加翼单桩基础结构的对称性，选取与翼板夹角为0°（FP0）和45°（FP45）的水平荷载作用的两种加翼单桩进行静力校核.

由表2可知，不同荷载施加方式的加翼单桩基础在极端高潮位和极端低潮位的组合设计工况下均能满足变形控制标准.极端高潮位工况下桩基础的泥面线水平位移和转角最大，沉降相差不大，因此在后续的结构承载性能详细分析中只选取较危险的极端高潮位工况进行研究，以下各桩基础的对比也是基于此种工况而定.

2.4 强度校核

采用许用应力法，即取0.6倍材料屈服强度为材料许用应力［19］，加翼单桩基础的应力结果见表3.由表可见，两工况下的桩身最大应力均小于许用应力，强度校核符合规范要求.

表2 刚度校核表Tab.2 Stiffness check table

表3 强度校核表Tab.3 Strength check table

3 基础极限承载性能

3.1 极限承载力的确定方法

采用位移加载法，对加翼单桩基础FP、与FP同桩长的普通单桩基础MP46以及与FP同钢量下入土桩长为53 m的普通单桩基础MP53极限承载能力进行对比分析.

3.2 水平极限承载性能

于桩基泥面线处与翼板成0°施加水平位移荷载L/500（FP及MP46为92 mm，MP53为106 mm），得到加翼单桩基础和同用钢量下及同桩长的普通单桩基础的水平荷载-位移曲线，如图2.由图可见，在水平位移加载前期，水平荷载增长趋势接近线性，此时加翼单桩基础及普通单桩基础均处于可恢复的弹性变形阶段.随着水平位移不断增大，水平荷载的增长趋势逐渐变缓，基础的变形包含弹性变形及塑性变形两部分，但基础尚未达到破坏阶段.FP及MP53相对MP46的水平极限承载力提升了23.7%及53.9%，可知增设翼板和增长入土桩长均能显著提升海上风机桩基础的水平极限承载力，且同用钢量下，相较于增设翼板，增长入土桩长显示出更好的水平承载性能.

图2 水平荷载-位移曲线Fig.2 Horizontal load-displacement curves

3.3 竖向极限承载性能

图3为加翼单桩基础和同用钢量下及同桩长的普通单桩基础在施加100 mm竖向控制位移时的竖向荷载-位移曲线.与图2中水平荷载-位移曲线变化趋势相似，竖向荷载-位移曲线先近似线性增长，之后随着竖向沉降增大，桩基底部的土体逐渐变得密实，曲线斜率逐渐变小，竖向荷载增加速率逐渐放缓.在施加控制竖向沉降时，桩基达到极限竖向承载力.增设翼板和增长入土桩长均能显著提升海上风机桩基竖向极限承载力，且同用钢量下，相较于增设翼板，增长入土桩长显示出更好的竖向承载性能.此外，由图3可见，尚未施加外部竖向位移时，各桩基础已经发生了不同程度的沉降，这是结构本身的自重导致的.

3.4 弯矩极限承载性能

图4为加翼单桩基础和同用钢量下及同桩长的普通单桩基础施加控制转角0.004 36 rad后所得的弯矩荷载-位移曲线.由于海上风机设计控制标准中对基础转角有着十分严格的要求，在转角值很小时已达到额定变形，故在此转角范围内，弯矩荷载呈线性增长，在额定转角下达到极限弯矩.加翼单桩基础的抗弯极限承载力比同桩长单桩基础大，且转角越大，加翼单桩基础的抗弯优势越明显.

图3 竖向荷载-位移曲线Fig.3 Vertical load-displacement curves

图4 弯矩荷载-转角曲线Fig.4 Bending moment load-rotation angle curves

4 基础承载性能研究

4.1 加载方向的影响

图5为翼板与加载方向的四组夹角0°、15°、30°、45°（分别用FP0、FP15、FP30和FP45表示）下加翼单桩基础的水平位移及弯矩沿桩身的分布情况.由图5 a可见，在四种不同的加载方向下，加翼单桩基础的水平位移随桩基入土埋深的分布呈现极为相似的规律，位移零点位置相距较近.30°的水平加载方向最能增加四个翼板对加翼单桩基础水平承载能力的贡献.由图5 b可见，加载方向对桩端和翼顶的弯矩影响很微弱，加载方向为30°的加翼单桩体现了最佳的水平承载能力.

图5 加载方向的影响Fig.5 Influence of loading directions

图6 弹性模量对水平位移的影响Fig.6 Influence of elastic moduli on horizontal displacements

4.2 弹性模量的影响

图6为不同土体弹性模量下加翼单桩基础的桩身水平位移曲线.由图6可知，当地基土弹性模量为15 MPa时，桩身各处的水平位移最大.土体弹性模量越大，加翼单桩基础的桩身水平位移越小.地基土弹性模量为15、20、45、67MPa的加翼单桩基础的桩身水平位移峰值均出现在翼顶.土体弹性模量的改变对加翼单桩基础的桩身变形和位移零点的影响十分显著.

图7为不同弹性模量下加翼单桩基础在泥面线处的水平位移云图.显然可见，地基土弹性模量的变化对加翼单桩基础桩土模型的泥面线处水平位移影响很大.随着弹性模量变化，桩侧摩阻力、桩端承力及土抗力也随之发生显著的改变.弹性模量为67 MPa时加翼单桩对周围土体水平位移的影响范围最小.

4.3 摩擦系数的影响

采用加翼单桩基础与土体的摩擦系数表征结构与土体的切向接触，分析极端高潮位时不同摩擦系数下的桩身水平位移变化规律，探究摩擦系数对加翼单桩-土体相互作用的影响.

摩擦系数对基础桩身水平位移的影响见图8.由图8 a可见，摩擦系数对加翼单桩基础受载导致的水平位移有影响，且影响随摩擦系数的增大而增大，这一结论与相关文献吻合［20］.该现象的原因是增大摩擦系数会增加结构的竖向刚度，进而增强了加翼单桩基础的整体总刚度.故今后在海上风机加翼单桩基础的工程设计和推广应用中，可以采用调节加翼单桩基础与土体之间的糙度等手段，以达到增大结构-土体摩擦系数从而提升结构水平抵抗能力的目的.此外，由图8 b可知，相较于翼顶水平位移，桩底水平位移对摩擦系数较不敏感，这可能是竖向沉降密实了桩端土体，从而降低了桩土切向接触对结构水平抵抗能力的积极作用所导致的.

图7 不同弹性模量下泥面水平位移图Fig.7 Horizontal displacement diagram under different elastic moduli

图8 摩擦系数对桩身水平位移的影响Fig.8 Influence of friction coefficients on horizontal displacement of pile

5 结论与展望

本文利用ABAQUS有限元软件对海上风机加翼单桩基础的承载性能进行分析，得到主要结论：

1）增设翼板和增长入土桩长均能显著提升海上风机桩基础的水平、竖向及抗弯极限承载力，且同用钢量下，相较于增设翼板，增长入土桩长显示出更好的极限承载性能.

2）翼板与水平加载方向的夹角为30°时最能增加四个翼板对基础水平承载能力的贡献.

3）土体弹性模量的改变对加翼单桩基础桩身变形的影响十分显著.软土地基对基础的约束作用随着土体弹性模量下降发生骤减.在硬黏土、砂土等弹性模量较大的地基土中，加翼单桩基础的水平抵抗作用对土体弹性模量的敏感程度大大低于软土地基.

4）随着结构-土体摩擦系数的增大，加翼单桩桩身水平位移随之减小.相较于翼顶水平位移，桩底水平位移对摩擦系数较不敏感.