海上风电钢管复合嵌岩桩设计要素研究

石玉琪，乐治济

(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200335)

钢管复合嵌岩桩是一种以薄壁钢管包裹核心混凝土共同作用的复合桩体[1]。在海上风电工程中，桩基础往往受到潮位、波浪、表层流塑性土等不利条件的影响，而钢管复合嵌岩桩的钢管桩结构可以兼做护筒保证桩内水头和泥浆环境的稳定，因此在海洋工程中得到了越来越广泛的运用。

目前，有较多学者对钢管复合桩的承载性能进行了研究。孟凡超[2]等人针对港珠澳大桥地层和基础特点，通过一系列室外试验，完善了钢管复合桩刚度和承载能力的理论计算方法。并指出复合桩横向极限承载力应由桩顶允许位移标准控制。冯忠居[3]等通过开展离心模型试验，分析了钢管埋深和挤土区土体模量对复合桩竖向承载特性的影响。魏纲[4]等通过鱼山大桥自平衡试桩试验得到的Q-s曲线对ABAQUS模型进行修正，分析了复合桩桩身轴力传递规律和桩身变截面位置对竖向承载性能的影响。王功博[5]通过数值分析和模型验证开展了大直径钢管复合桩竖向粘结滑移性能的研究。

综上所述，现阶段对于钢管复合桩的室内试验和数值模拟主要集中于轴向承载性能的研究。可参考的现场试验数据较少并且鲜有对复合桩结构水平承载性能的研究。海上风机基础作为一种高耸的悬臂式结构，在ULS和FLS一类大变形问题中主要受大倾覆弯矩和水平力作用，桩基础尤其是在非群桩结构中总体上更为关注水平承载性能。本文将通过已有的现场水平推力试验数据得到H-Y曲线和桩身测斜曲线验证PLAXIS建立的桩土模型。并进行水平荷载作用下的复合桩破坏模式分析和长径比、钢管桩占比、嵌岩比、桩身刚度、GSI等单一变量的影响效应研究。以有针对性的极限海上风电钢管复合嵌岩桩设计，减少设计冗余。

1 现场水平推力试验

水平推力试验采用自制反力架系统(见图1)。利用试桩位附近的风机位承台提供加载反力，在千斤顶与桩体之间设置球铰座以保证荷载垂直于试桩轴线。

图1 反力架系统图

试验钢管桩直径2.0 m，壁厚27 mm，桩长65.5 m。灌注桩直径1.7 m，进入钢管桩深度为14.5 m，嵌岩深度4.3 m。加载采用分级单向单循环的方式，设计水平加载值600 kN，每级加载值为预估水平荷载的1/10，加载过程保持荷载连续平稳无冲击、无超载。实际试验过程中加载力达到900 kN，根据每级荷载的水平位移传感器测读结果，汇总泥面H-Y曲线如图2。

图2 泥面点H-Y曲线

通过预埋测斜管对试验过程中的桩身挠曲进行测试。实测的桩身挠度曲线见图3。

图3 试桩测斜曲线

2 有限元模型

在岩土有限元软件PLAXIS中进行桩土模型的建立。模型尺寸为60 m×60 m×80 m。由于复合桩桩长普遍较长，桩底区域土体大部处于小应变区，为考虑土体刚度的应变相关性，覆盖层均采用HSS小应变本构。灌注桩选用混凝土本构，岩体为霍克-布朗模型。桩体采用3D板单元，网格采用10节点四面体单元，桩周区域网格加密，同时在桩土间布置界面单元以模拟接触行为。整体模型和复合桩模拟见图4和图5。

图4 桩土整体模型图

图5 复合桩模型图

在有限元模型中进行加卸载过程的模拟，参数取值和调整方法参考材料模型手册以及谢东武[6]、杨同帅[7]、董学超[8]等人对小应变模型参数的优化及敏感性分析研究结论。桩土模型中最终确定的土层参数如表1所示。

表1 土层参数表

图6是有限元模型和试桩试验的H-Y曲线，加卸载曲线总体拟合较好，最大偏差处出现在加载力H=900 kN处，相差10.6%。如图7所示，设计水平推力H=600 kN时的两条H-Y曲线基本吻合，最大偏差4.1%。说明桩土模型的边界条件、约束模式及各层土参数的选择都是较可靠的。

图6 有限元模型和试桩的H-Y曲线

图7 有限元模型和试桩的测斜曲线

3 水平失效机理

参考上节的数值模型进行破坏分析，进一步分析复合桩在水平荷载作用下的位移场和塑性区发展。如图8所示，水平力作用下塑性区首先出现在泥面附近主被动土压力区以及桩底受力侧。随着荷载的加大，泥面附近塑性区向下延伸，桩底受力反侧也出现了塑性区。最终失效状态时，整个桩侧和桩底塑性区贯通。

图8 水平荷载作用下塑性区发展情况图

总体上，由于复合桩结构刚度较大，基岩层约束作用强，桩身未出现与加荷方向相反的负向位移，桩身弯矩也未出现第二反弯点。参考Poulos[9]，李森[10]的定义描述，钢管复合嵌岩桩表现出的性状更类似于半刚性桩。

4 敛散性和敏感性研究

由于脱离了传统的陆域施工且海况多变，海上风电钢管桩沉桩作业和灌注桩成孔灌注作业都对船机设备、施工窗口等提出了极高的要求。设计参数的变化会对项目成本投入、工艺机具、施工工期产生根源性的影响。在提倡降本增效的时代，越来越有必要对桩基础进行精细有效的设计。因此本节采用与上文相同的数值模型进行单一变量研究，探明钢管复合嵌岩桩结构参数钢管桩占比、嵌岩比、径深比和强度参数GSI、桩身强度对水平承载性能的影响，归纳各参数的边界效应。

在进行敏感性分析时，参考文献[11]建立系统特性与因素之间的函数关系：

P=f{α1…αk…αn}=φαk

(1)

参数αk对特性P的影响时，可令其余参数取基准值且固定不变，而令参数αk在其可能的范围内变动。同时为了横向比较不同物理量不同单位参数的敏感性。定义无量纲化参数敏感度函数如式(2)所示。

(2)

式中，S为一个无量纲非负实数，值越大代表对参数αk越敏感。

4.1 钢管桩占比率

将复合桩入土段钢管桩长度和入土段总长度之比定义为钢管桩占比率，占比率变化区间(0.35～0.95)。由图9可知不同荷载水平下钢管桩占比对水平承载性能有着明显的影响且存在边界效应。钢管桩占比达到0.7后，水平位移减少的趋势变缓，继续增加钢管桩占比泥面水平位移已无明显变化。

图9 泥面水平位移与钢管桩占比关系

选择曲线特征最明显的F=2 500 kN工况进行ExpAssoc函数拟合，钢管桩占比记为γ。

拟合函数

φ(γ)=956×e(-γ/0.461)+164

敏感性函数

本工程钢管复合嵌岩桩中的钢管桩均打入覆盖层中的散体状强风化岩，钢管桩占比在0.7～08之间。代入敏感性函数算得S(0.75)=0.76。

4.2 嵌岩比

将钢管复合桩嵌岩段长度与嵌岩段直径之比定义为嵌岩比，嵌岩比越大对应嵌岩深度越大。保持嵌岩桩直径为1.7 m，按比例放大嵌岩段长度，比例浮动区间1～6。从图10可以明显的看出不同荷载工况下单调增加复合桩嵌岩深度并不能减少泥面水平位移。

图10 泥面水平位移与嵌岩比关系

泥面水平位移基本不随嵌岩深度的变化而变化。

4.3 径深比

定义径深比为嵌岩桩直径与嵌岩深度之比，控制嵌岩深度5.1 m不变。分别放大嵌岩桩直径为原来的1.5、2、2.5、3倍。从图11可以看出曲线存在明显的拐点，径深比具有明显的边界效应。嵌岩桩径深比为1～2时增加嵌岩桩直径明显的提升了复合桩水平承载性能。径深比大于2后对提升水平承载力几乎没有作用。

图11 泥面水平位移与径深比关系

选择曲线特征最明显的F=2 500 kN工况进行ExpAssoc函数拟合，径深比记为β。

拟合函数

φ(β)=8 001×e(-β/0.302)+13.6

敏感性函数

本工程中嵌岩桩直径1.7 m，嵌岩深度5.1 m，β=0.33，代入上式计算得到S(β)=1.09。

4.4 岩石质量GSI

霍克-布朗破坏准则是一种非线性强度近似准则，在其连续性方程中不仅包含剪切强度，也包括拉伸强度。可近似通过调整GSI来改变基岩的强度指标。取值参考Hoek在1999年提出的定量评价方法，在0～100的区间变动。由图12可知，随着地址强度参数GSI的增加，泥面水平位移近似线性减少。

图12 泥面水平位移与GSI关系

选择曲线特征最明显的F=2 500 kN工况进行线性拟合。

拟合函数

φ(GSI)=30-0.055GSI

敏感性函数

本工程基岩GSI取值为70，S(GSI)=0.15。

4.5 灌注桩刚度

本节将灌注桩弹模作为唯一变量，桩身弹模，取混凝土标号C20～C80的设计弹性模量即20～40 GPa，如图13所示，随着桩身刚度的增加，水平位移逐渐减少，但减少的趋势逐渐变缓。混凝土标号大于C35后水平位移减缓已不明显。

图13 泥面水平位移与灌注桩刚度关系

选择曲线特征最明显的F=2 500 kN工况进行ExpAssoc函数拟合，嵌岩桩刚度记为E。

拟合函数

φ(E)=575×e(-E/1.68E7)+129

敏感性函数

本工程灌注桩所用混凝土为C35高性能海工混凝土，设计弹性模量3.15E7。S(E)=0.75。

综上，以本工程的混合嵌岩桩为例，径深比S(β)>钢管桩占比S(γ)>桩身刚度S(E)>岩石质量S(GSI)。

5 结 语

本文建立了基于小应变硬化本构和霍克布朗破坏准则的桩土数值模型，并通过福建兴化湾地区某海上风电场大直径试桩试验得到的H-Y曲线和桩身测斜曲线验证了数值模型的正确性。以钢管复合嵌岩桩的水平承载性能为目标，对各结构参数和强度参数进行敛散性和敏感性分析，主要得出以下结论。

1)覆盖层选用HSS小应变硬化本构，岩层选择霍克布朗破坏准则可以较好的模拟大直径钢管混合嵌岩桩的桩土作用模式。根据实测数据修正后可用于开展后续设计。

2)由于复合桩桩身刚度较大，基岩约束作用强。水平荷载作用下的复合桩变形性状更偏向于大刚性桩。桩身无负变形，破坏荷载作用下塑性区从泥面下桩周和受力侧桩底开始发展并贯通。

3)以本工程为例，复合桩嵌岩桩水平承载性能对设计参数的敏感性排序为径深比>钢管桩占比>桩身刚度>岩石质量GSI。径深比和钢管桩占比最为敏感，两个参数同时存在明显的边界效应。实际设计过程中可着重考虑将钢管桩占比控制在70%～80%的范围，径深比控制在2左右以达到最高的性价比。

4)基岩GSI对于提升水平承载力有积极的影响，但影响较有限。嵌岩深度对提升复合嵌岩桩的水平承载性能的作用很小，当以水平位移作为设计边界时，不宜通过采用嵌岩深度的方式来提升水平承载力。