海上风电植入式嵌岩桩承载特性分析

冀 昊，贺正兴，贾小刚

（1.水电水利规划设计总院，北京 100120；2.福建省水利水电勘测设计研究院，福建福州 350001；3.福州海峡发电有限公司，福建福州 350200）

引言

桩基础是海上风电中最常用的基础形式[1]，随着近年来海上风电的大面积开发，其遇到的地质条件也趋于复杂，在海底浅层土中存在大量基岩的情况，传统的桩基础的施工方式不适用。嵌岩桩是指桩的下部有相当一段长度浇筑于坚硬岩层中的钻孔灌注桩岩。目前主要分为灌注嵌岩桩、灌注式锚杆嵌岩桩、预制植入式嵌岩桩等[2-5]。

植入式嵌岩桩施工时先搭设钻孔平台，进行地基处理后，使用钢护筒及定位架保证定位准确后使用冲击钻机进行桩基成孔，然后将预制的钢管桩吊入孔内，最后进行在桩外及桩底进行混凝土灌注[6-7]。植入式嵌岩桩基础由于其施工的复杂性，目前对于嵌岩桩结构的受力、变形及其灌浆混凝土的承载特性尚未明确。本文通过有限元软件研究了海上风电植入式嵌岩桩的承载性能，并分析了桩外混凝土灌浆对其承载特性的影响。

1 有限元模型

1.1 结构尺寸

对于植入式桩基础，桩植入后进行灌浆处理，填充与土体间的空隙。通过ABAQUS 建立模型[8-9]，桩径为5.5-6.5 m，桩长62.5 m，入土深度为35 m，嵌岩深度为10 m。灌浆厚度40 cm，灌浆深度与桩入泥深度相同，灌浆料强度为C30，灌浆采用混凝土塑性损伤模型，灌浆层与岩石之间为tie 接触，与其它土层为摩擦接触，摩擦系数0.4。混凝土与桩之间为摩擦接触，摩擦系数0.6。其网格采用c3d8r单元，为节省计算量，同时保证计算精度，靠近桩体处网格加密，随距桩体距离增加，网格逐渐变疏，模型剖面及网格如图1 所示。

图1 模型剖面示意图

1.2 荷载条件

桩基上部风机荷载选用某海域6 MW 风机荷载。桩身极限工况荷载见表1。

表1 极端工况荷载

1.3 土质参数

根据现场情况，拟研究机位的土质参数选取如表2 所示：

表2 机位土质参数

2 混凝土塑性损伤模型

混凝土损伤塑性模型是公认的对混凝土非弹性行为模拟最为有效的模型。混凝土在承受外荷载前就已有的微缺陷、微孔洞被称之为“损伤”，其破坏过程就是各种尺度损伤(微孔洞、微裂缝)的发展演化和累积所造成的；在荷载尚未达到可使混凝土材料组分发生屈服或塑性流动之前，混凝土作为整体已经完全破坏了[10]。

混凝土在单轴受压下超出弹性范围的部分定义为受压损伤，受压应力数据可以表示为非弹性应变的函数，必要时可加上应变率、温度以及场变量。

图2 混凝土损伤塑性模型受压应力-应变关系

图2 中：ε un，σ un分别为卸载点的应变和应力；分别为无损伤的混凝土弹性受压应变和考虑损伤的混凝土受压弹性应变；分别为混凝土的受压塑性应变和受压非弹性应变。

混凝土在单轴受拉下超出弹性范围的部分定义为受拉损伤，受拉应力数据可以表示为开裂应变的函数。超出弹性部分的受拉应力-应变数据在ABAQUS 中以的形式正值输入，开裂应变定义为总应变减去材料无损伤的弹性应变，即，如图3 所示。

图3 混凝土损伤塑性模型受拉应力—应变关系

图3 中：εun，σ un分别为卸载点的应变和应力；分别为无损伤的混凝土受拉弹性应变和考虑损伤的混凝土受拉弹性应变；分别为混凝土的受拉塑性应变和受拉非弹性应变[11]。

3 灌浆料参数对承载特性的影响

采用不同灌浆料强度以及灌浆厚度，研究其对承载特性的影响，混凝土采用C30、C40、C60 三种强度，灌浆厚度为40 cm，60 cm 两种，相关工况见表3。

表3 灌浆料参数工况

3.1 混凝土开裂分析

根据有限元计算结果，混凝土主要为受拉破坏。随着外荷载增加，破坏主要分为三个阶段，每个阶段破坏部位不同。破坏区域集中在三个部位，C30-1 工况结果如图4 所示。第一阶段，在泥面处右侧混凝土开始破坏，随着荷载增加，破坏区域逐渐向下发展，最终沿高度方向破坏范围约1 倍桩径；第二阶段，在泥面下14 m 左右区域左侧开裂，破坏范围随荷载增加沿水平向和竖向扩展，最终破坏范围竖向约0.5 倍桩径，水平向大约2/3 倍桩径；第三阶段，开裂区域位于泥面下24-25 m，混凝土左侧受拉开裂，最终达到极限荷载后水平破坏范围约0.5 倍桩径，竖向破坏范围接近0.5 倍桩径。

图4 不同阶段混凝土受拉破坏图

图5 为不同工况下各阶段开裂破坏起始时刻对应的外荷载，纵坐标为相对于满级荷载的百分比，横坐标为1、2、3 三个破坏阶段起始时刻。随着灌浆料强度提高和灌浆厚度的增加，其各阶段抗裂能力均有所提高。灌浆料强度提高后，其抗裂能力的增加值：第三阶段>第二阶段>第一阶段。

图5 各阶段对应的破坏荷载

3.2 桩身变形分析

通过比较各工况在极限荷载作用下的桩身的挠度曲线可以看出，在灌浆厚度相同的情况下，灌浆料强度对桩身变形基本没有影响。通过增加灌浆厚度，可以有效减小桩身变形。本次计算中，每种强度均增加20 cm 灌浆厚度，泥面处挠度减小约10 %，总体变形趋势不变，如图6 所示。

图6 桩身变形曲线

3.3 桩身弯矩、剪力分析

从弯矩、剪力分布图可以看出，不同工况下桩身弯矩基本无变化，桩身剪力分布存在差异。在泥面附近，剪力值C30>C40>C60，在弱风化层上部附近，剪力值C60>C40>C30，弱风化层剪力值相差不大。上述结果表明，随着混凝土灌浆强度提高，混凝土在泥面处对桩的作用力减弱，在弱风化层表面对桩的作用力增强。

图7 桩身弯矩沿深度变化曲线

图8 桩身剪力沿深度变化曲线

3.4 混凝土弯矩、剪力

在灌浆厚度40 cm 情况下，随着灌浆强度提高，混凝土弯矩数值变小，弯矩峰值点更靠下。混凝土强度越低，第三阶段开裂的范围较大，根据3.1 节的结论，该处开裂后弯矩峰值点会向上移动，所以C30-1 的混凝土弯矩更大。

在灌浆厚度60 cm 情况下，弯矩差异更加多样。C30-2 因强度较低，第三阶段开裂较严重，其峰值点更靠上；C60-2 因强度较高，在第三阶段的未完全破坏，还有一定的抗弯能力，导致开裂处的弯矩仍然较高；C40-2 在第三阶段的破坏程度比C60-2更严重，开裂处的抗弯能力减弱，弯矩较C60-2 小。

在图9 中，桩身剪力的差异主要集中在两个正峰值上。

图9 混凝土弯矩沿深度变化曲线

灌浆厚度40 cm，在泥面下第一个峰值处，剪力值C30-1>C40-1>C60-1；在第二个峰值处，剪力值C30-1

灌浆厚度60 cm，在泥面下第一个峰值处，剪力值C40-2 与C30-2 接近，大于 C60-2；在第二个峰值处，剪力值C30-2C40-2>C30-2。弱风化层出现差异的原因可能是混凝土太厚，第三阶段开裂程度不同导致该位置剪力差异较大，进而影响至弱风化层

上述结果表明，随着混凝土灌浆强度提高，混凝土在泥面处对桩的作用力减弱，在弱风化层表面对桩的作用力增强。

图10 混凝土剪力沿深度变化曲线

4 结语

本文基于海上风电植入式嵌岩桩基础，采用有限元软件ABAQUS 进行数值模拟，考虑了桩外侧灌浆料参数对嵌岩桩承载特性的影响，结果表明：

1）桩周灌浆混凝土破坏大致分为三个阶段，从泥面到弱风化层主要破坏位置共三处，每个阶段破坏一处，破坏顺序由上至下依次破坏；

2）灌浆层的存在可以减小桩身变形，增加其厚度同样能减小变形，但增加灌浆料强度对变形影响不大；

3）增加灌浆料强度对抗弯能力提升不明显，但增加灌浆厚度对抗弯能力提升显著，所以在极限荷载作用下，灌浆并没有提升基础的抗弯刚度，而是通过增加与桩土的作用面积增大了抗弯能力。