砂土中加载角度对自升式海上风机安装船水平承载力的影响*

乐丛欢，王 昕，胡 灏，任建宇，张浦阳1,，丁红岩1,

砂土中加载角度对自升式海上风机安装船水平承载力的影响*

乐丛欢1,2,†，王 昕2，胡 灏2，任建宇2，张浦阳1,2，丁红岩1,2

（1. 天津大学 水利工程智能建设与运维全国重点实验室，天津 300350；2. 天津大学 建筑工程学院，天津 300350）

针对砂土中风机安装船的水平极限承载特性问题，开展物理模型试验和数值分析，研究不同水平加载角度下风机安装船水平承载特性。结果表明：加载角度对风机安装船的水平极限承载力影响很大；风机安装船的水平极限承载力随着加载角度的增加缓慢上升，当加载角度达到30° 左右时风机安装船的水平极限承载力达到最大，随即水平极限承载力随着加载角度的增大迅速下降。当加载角度为90° 时风机安装船的水平承载力最小；桩靴底部的土压力变化明显大于顶部。当加载角度和船体不能保持垂直时，桩靴底部的土压变化趋于增大，离散程度也趋于增大，船体的稳定性降低。

砂土；风机安装船；加载角度；水平承载特性

0 引 言

自升式海上风机安装船是目前海上风电开发的重要设备之一，风机安装船具有机动性强、水深适应能力强、受环境影响小等优点。它由船体、推进器、桩腿、桩靴和升降装置等几部分组成，通过桩腿和升降系统配合将船体抬升到一定高度，可以为海上风电安装作业提供一个平稳的工作平台[1]。随着海上风电的快速发展，海上风机安装船正逐步向深水化、大型化、专业化、集成化发展[2]。

自升式海上风机安装船作业过程中除承受自身结构荷载外，还会受风、波浪、海流等环境荷载作用，加之风机、塔筒、基础等吊物的重量大，吊装难度高，作业危险性大，有必要对安装船施工作业中的承载性能进行评估。很多学者利用模型试验和有限元分析对风机安装船的承载力进行了一系列研究。VLAHOS等[3]通过黏土中三腿自升式平台的缩尺模型试验，研究荷载方向、桩腿长度和预压比（预压荷载与自重荷载比值）对自升式平台桩靴基础系统承载力的影响。HU等[4]利用风洞试验研究三腿自升式平台在正常钻井工况和强风暴工况下的风荷载大小及风荷载入射角度对平台整体的影响。陈彦名[5]采用有限元的方法探究了复杂地质条件下组合荷载对三腿自升式平台的系统承载能力、失效模式、失效机理、荷载在各桩靴间的分布规律等的影响。VLAHOS等[6]采用有限元软件ABAQUS对均质黏土中三腿自升式钻井平台进行了Pushover分析，通过记录在水平荷载逐渐增大的情况下，竖向、水平、弯矩荷载在各桩靴基础中分布变化的过程及各桩靴基础发生的竖向、水平位移和转角，对自升式平台在均质黏土中的极限承载力和失效模式进行了研究。CHENG等[7]通过ABAQUS建立密实砂土中带有桁架式桩腿的三腿自升式平台模型，对模型施加固定大小的竖直荷载，通过逐级增加水平方向荷载的方式至平台失效，分析得出三腿自升式平台的失效模式。ROZMARYNOWSKI等[8]建立简化的自升式钻井平台数值模型，充分考虑自升式钻井平台所处的作业环境，将波浪荷载和风荷载这两类环境荷载作为基本的随机变量，研究波浪荷载和风荷载对自升式钻井平台失效概率的影响以及在波浪荷载和风荷载单一或联合作用下平台所发生的失效模式。ZHANG等[9]通过有限元软件ABAQUS建立自升式钻井平台桩靴基础的数值模型，研究桩靴基础发生的转角对整体自升式钻井平台的极限承载力的影响。

此外近些年不少学者对海洋平台桩靴的承载力也进行了深入研究。付丽娜[10]使用ABAQUS进行考虑桩土相互作用的桩靴承载能力数值研究并与经典土力学极限承载力的计算值进行对比。张浦阳[11]定性和定量地分析了多层土条件下，桩靴承载力和孔穴的变化规律，揭示了桩靴发生穿刺现象的实质；进一步提出了桩靴极限安全深度的概念，系统描述了上下土层强度比、上层土相对厚度、下层土标准化抗剪强度和土体强度非均匀系数等参数变化对桩靴承载力的影响；最后给出了适用于工程使用的上硬下软黏土中桩靴承载力系数的计算方法。林一[12]探究了海底均质土和成层土以及各土层参数对自升式平台承载力的影响。任利辉等[13]同样通过有限元分析对双层黏土中自升式平台桩靴极限承载力进行了研究，得出上、下层土强度比越大，上层土相对厚度比越小，发生穿刺的可能性就越大的结论。

国内外学者对自升式海洋平台及桩靴的承载性能问题已经进行了诸多研究，并取得了一些成果，但对四腿型海上风机安装船在砂土中的承载特性仍有待深入研究。本文基于模型试验和有限元分析，对某海上风电风机安装船模型的水平承载力进行研究。重点分析加载角度对风机安装船极限承载力以及桩靴周围土压力的影响。

1 模型试验

1.1 模型设计参数

安装船模型由上部船体和四个钢管桩腿组成，每个桩腿下端安装一个桩靴，其中船体和桩腿进行简化处理以方便试验进行。试验采用的比尺为L= 1∶100，根据原型尺寸制作相似模型，通过模型试验模拟原型在工作状态下的受力情况。风机安装船示意图和桩靴见图1，模型基本参数见表1。

图1 风机安装船示意图

表1 模型主要参数

试验采用福建标准砂土，砂土参数通过土工试验测得，如表2所示。经计算可得砂土不均匀系数u= 1.94、曲率系数c= 1.43，是级配连续性较好的均匀砂土，级配曲线如图2所示。

表2 砂土参数

图2 砂土级配曲线

1.2 试验装置

模型试验在2 m × 2 m × 1 m的土槽中进行。试验仪器包括采集仪、土压力传感器、拉压传感器、激光位移传感器、倾角仪、拉线位移传感器等。通过拉压传感器和激光位移传感器实时测量荷载随位移的变化情况，倾角仪布置在船体正上方，通过倾角仪确保每组工况进行前模型保持水平，误差保持在0.03° 以内，装置示意图见图3。土压力传感器布置如图4所示，在桩靴顶部和底部共布置8个土压力传感（A1 ～ A4，B1 ～ B4），用于测量桩靴周围土压力的变化情况，传感器布置和编号详见图4。

图3 试验装置布置示意图

图4 土压力传感器布置示意图

1.3 试验方案

试验设置了0°、45°、60°、90° 四种不同的加载角度，加载速度均保持16 mm/min不变，桩靴入泥深度均为保持6 cm。为方便试验进行，对模型预埋进行处理。加载点位于船体模型下方8 cm处。每个工况试验进行前均经过静力触探试验确保每个工况试验土体的物理力学性质没有变化或变化很小。

2 试验结果分析

2.1 水平极限承载力

图5为不同加载角度下模型试验所得出的风机安装船的位移荷载曲线。

图5 水平荷载−位移曲线

由图5可知，风机安装船在水平加载时随着位移增加，荷载不断增大，达到一定程度便出现明显拐点，此时可认为风机安装船达到其水平极限承载状态。当加载角度为0°、45°、60°、90° 时，试验所得极限承载力分别为137.2、119.63、103.93、96.22 N。相较于加载角度为0° 的工况水平极限承载力，加载角度为45°、60°、90° 时水平极限承载力分别减少12.86%、24.29%、29.90%。

2.2 土压力变化

桩靴顶部土压力变化值随位移的变化如图6所示，图中可见，A2的土压力比较大，说明受压一侧的土压力计所在位置的土压变化较大。观察离散程度，同样可以发现A2比A1、B1、B2略大，说明受压一侧的土压力计所在位置的土压的离散程度较大。最大和最小土压力都在0° 加载的工况下出现，分别为10.33 kPa和−3.97 kPa。说明0° 加载时桩靴周围的土压变化较大。

图6 不同加载角度下桩靴顶部土压力变化

不同加载角度下桩靴顶部土压力变化统计值的对比如图7所示，统计值包括均值、中位数、最小值、最大值。由图可知，加载角度等于0° 时，桩靴顶部土压力变化最大。其中在任何角度下A2传感器所在的桩靴始终处于受压状态，A2的土压力变化也比其他位置大。

图7 不同加载角度下桩靴顶部土压变化对比

桩靴底部土压力变化值随位移的变化如图8所示。可以观察到A4的土压变化值的最大值比较大，这与A2处产生较大土压变化值的原因一致，两者都处于受压的一侧。桩靴底部土压传感器位置处的最大值为15.03 kPa，最小值为−9.41 kPa。通过对比，显然桩靴底部的土压变化明显大于桩靴顶部，这也比较符合桩靴顶部土体出现隆起并且迅速破坏的试验现象。

不同加载角度下桩靴底部土压力变化对比如图9所示。由图可知，桩靴底部土压变化在0° 和90°的加载角度下变化值较小，在45° 和60° 的加载角度下变化值明显变大。这表明相比于垂直于船体的加载，45° 和60° 在加载过程中稳定性较差，其桩靴底部的土压力变化有较大波动，这反映出自升式风机安装船承载特性。通过观察对比图7和图9可知桩靴底部的土压变化值随位移变化的离散程度比桩靴顶部的更大。最大值与最小值的绝对值也比桩靴顶部大45.50%和137.03%。由此可见桩靴底部土压变化值明显大于桩靴顶部且离散程度更大。

通过对比分析发现90° 加载角度对应的土压变化的离散程度最小，其余角度加载土压变化更为离散。由于试验对侧向位移没有限制，因此可以看出0°、45°、60° 虽然相对90° 的水平极限承载力有所提升，但稳定性却会下降，在实际工程中对地基承载力要求更高，如遇到上硬下软的海底地层时，可能发生穿刺现象。

3 有限元模型

3.1 计算模型

采用ABAQUS有限元软件建立风机安装船的三维有限元模型，如图10所示，其中，有限元计算中的地基土体采用Mohr-Coulomb本构模型，其参数设置为密度= 350 kg/m3、内摩擦角= 34.46°、黏聚力= 3.27 kPa、弹性模量= 18 MPa、泊松比= 0.3。为了消除边界条件对风机安装船模型水平承载性能的影响，地基土体采用长× 宽× 高为2 m × 2 m × 1 m的长方体，土体底面为全固定约束，侧面施加水平约束，土体和基础之间采用接触对模拟。由于本次试验不考虑结构变形，材料选用刚性材料，模型视为刚体模型。

图10 有限元模型

分析工况除了物理模型试验选用的4种角度外，另外补充了15°、30°、75° 三种加载角度的有限元工况。

3.2 加载方式

采用位移控制法对风机安装船进行水平加载，加载点与试验相同，均位于船体模型下方8 cm处，在ABAQUS中调整与方向的位移来实现不同角度的加载。

对于极限承载力的确定，采用切线相交法，即分别在荷载−位移曲线起点处和终点处作切线，过两条切线的交点作水平线与荷载−位移曲线相交，水平线和曲线的交点即对应达到破坏的极限状态，其纵坐标对应极限承载力[14-15]。

3.3 水平极限承载力

图11为不同加载角度下有限元计算得出的风机安装船的位移荷载曲线。通过对比模型试验和有限元计算的0°、45°、60°、90° 加载角度的位移荷载曲线，两者整体趋势相似。有限元计算结果与模型试验的水平极限承载力的最大误差为5.81%，两者结果相近。图12为有限元计算所得风机安装船水平极限承载力与加载角度的关系曲线。由图可知，当加载角度小于30° 时，风机安装船的水平极限承载力缓慢增加，当加载角度在30°时达到风机安装船水平极限承载力的最大值，而30°正好是从桩腿所在位置进行加载对应的角度；当加载角度大于30° 时，风机安装船的水平极限承载力迅速下降，然后在90°时达到最小值。相对于加载角度为90°的工况极限承载力，角度每减小15°，水平极限承载力分别增加0.54%（75°）、9.61%（60°）、17.14%（45°）、46.83%（30°）、44.80%（15°）、44.32%（0°）。

图11 自升式海上风机安装船的水平荷载−位移曲线

图12 自升式海上风机安装船水平极限承载力随角度变化

4 结 论

通过研究风机安装船在不同加载角度下的响应，分析其水平承载力和桩靴周围土压力的变化，得出如下结论：

（1）对于本试验的风机安装船模型，其最大水平承载力对应的加载角度约为30°，对应通过桩腿的加载方向，此时风机安装船依靠自身重力维持平衡的反力力臂最大，因此风机安装船最大水平承载力对应的角度与其桩腿所在位置密切相关。

（2）试验中，桩靴顶部与底部的土压力变化值最大分别为10.33 kPa、15.03 kPa，最小分别为−3.97 kPa、−9.41 kPa。0° 加载对桩靴顶部周围土压力变化的影响最大，60° 加载对桩靴底部周围土压力变化的影响最大。桩靴底部的土压力变化明显大于顶部，这对桩靴底部地基的承载能力要求更高。

（3）当加载角度和船体不能保持垂直时，桩靴底部的土压变化趋于增大，离散程度也趋于增大，稳定性变差，这与试验现象吻合。此时风机安装船对地基承载力的要求更高。

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Effect of Loading Angle on Horizontal Bearing Capacity of Jack-Up Wind Turbine Installation Vessel in Sandy Soil

LE Conghuan1,2,†, WANG Xin2, HU Hao2, REN Jianyu2, ZHANG Puyang1,2, DING Hongyan1,2

(1. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Intelligent Construction and Operation, Tianjin University, Tianjin 300350, China; 2. School of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin 300350, China)

Physical model tests and numerical analyses were carried out to study the horizontal ultimate bearing characteristics of jack-up wind turbine installation vessels in sandy soil under different horizontal loading angles. The results showed that the loading angle had great influence on the horizontal ultimate bearing capacity of the jack-up wind turbine installation vessel. The horizontal ultimate bearing capacity of the jack-up wind turbine installation vessel increased slowly with the increase of the loading angle. When the loading angle reached about 30°, the horizontal ultimate bearing capacity of the jack-up wind turbine installation vessel reached the maximum. Then the horizontal ultimate bearing capacity decreased rapidly with the increase of the loading angle. When the loading angle was 90°, the horizontal bearing capacity of the jack-up wind turbine installation vessel was minimum. The change of soil pressure at the bottom of spudcan was obviously greater than that at the top. When the loading angle and the hull could not remain vertical, the soil pressure change at the bottom of the spudcan tended to increase, the dispersion degree also tended to increase, and the stability of the hull decreased.

sandy soil; wind turbine installation vessel; loading angle; horizontal bearing characteristic

2095-560X（2023）06-0512-07

TK8

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2023.06.004

2023-04-06

2023-06-06

国家自然科学基金项目（51779171）

乐丛欢，E-mail：leconghuan@163.com

乐丛欢, 王昕, 胡灏, 等. 砂土中加载角度对自升式海上风机安装船水平承载力的影响[J]. 新能源进展, 2023, 11(6): 512-518.

： LE Conghuan, WANG Xin, HU Hao, et al. Effect of loading angle on horizontal bearing capacity of jack-up wind turbine installation vessel in sandy soil[J]. Advances in new and renewable energy, 2023, 11(6): 512-518.

乐丛欢（1983-），女，博士，副研究员，主要从事海上新能源结构设计和施工研究。