翼板剛度與埋深對加翼樁水平承載性能影響分析

陳燦明，何建新，王曦鵬，蘇曉棟，黃衛(wèi)蘭

作為海上風(fēng)電基礎(chǔ)的鋼管樁為了承受巨大的風(fēng)、浪、流等水平荷載，其直徑越來越大，施工難度也顯著增加［1－2］。加翼樁作為大直徑單樁基礎(chǔ)的改進(jìn)型式，通過設(shè)置翼板，在保證樁基水平承載力的基礎(chǔ)上減小基樁樁徑，從而降低施工難度和節(jié)約成本，進(jìn)一步推動海上風(fēng)電的發(fā)展。2016年南京水利科學(xué)研究院設(shè)立了中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目《用于提高水平承載能力的加翼樁研究》，研究加翼樁翼板面積、形狀、剛度、埋深等因素對加翼樁水平承載力的影響，為新型結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用提供技術(shù)支撐。本文主要介紹翼板剛度和埋深對加翼樁水平承載性能影響的計算分析結(jié)果［3－4］。

1 計算模型與相關(guān)參數(shù)

以江蘇某海上風(fēng)電場大直徑單樁基礎(chǔ)為計算模型，大直徑鋼管樁樁長73．0 m，入土深度55．0 m，樁徑5．0 m，壁厚0．08 m。加翼樁采用一樁四翼對稱布置，翼板材質(zhì)和厚度與樁體相同，規(guī)定翼板長度為水平向，寬度為豎向，加翼樁結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 加翼樁結(jié)構(gòu)示意圖

基于ABAQUS軟件，建立三維實(shí)體有限元模型，水平向樁周土體取25倍樁徑，土層總厚度取1．3倍入土深度。網(wǎng)格沿深度方向0．1 m～1．0 m間距劃分，樁周環(huán)向按0．5 m間距加密網(wǎng)格。土體全局范圍按每隔10．0 m劃分一個單元，樁周土體作網(wǎng)格細(xì)化處理，樁體和土體單元采用C3D8R單元。鋼板采用線彈性本構(gòu)模型，地基土采用Mohr－Coulomb彈塑性本構(gòu)模型。樁－土接觸面采用主面－從面接觸對算法計算，接觸面單元設(shè)置為法向“硬接觸”，摩擦系數(shù)μ按罰剛度法計算［5－7］。有限元模型以土體底面中心為坐標(biāo)系原點(diǎn)，土體底面所在平面為 XY平面，基樁軸線為Z向，水平荷載沿 X軸通過翼板中心線加載。模型底部邊界設(shè)置固定約束，四周邊界設(shè)置水平位移約束。以某5MW級海上風(fēng)電機(jī)組為模型，考慮水平向風(fēng)、浪、流等荷載，按50年一遇荷載組合工況，計算時將水平荷載簡化為集中力沿一組翼板中心線作用于距泥面18 m的樁頂橫截面中心。

鋼管樁及翼板為Q345鋼，密度7 850 kg／m3，彈性模量206 GPa，泊松比0．3。地基為粉質(zhì)黏土，密度 1 960 kg／m3，黏聚力 25．0 kPa，內(nèi)摩擦角 14°，泊松比0．3，土體彈性模量按4倍壓縮模量取值為30．0 MPa［8－9］。假定加翼樁最大應(yīng)力達(dá)到材料允許強(qiáng)度或樁身泥面處傾斜率達(dá)到4‰時，為水平極限承載狀態(tài)［10－11］。

對建立的模型進(jìn)行可靠性驗(yàn)證，通過海洋高樁基礎(chǔ)水平大變位模型試驗(yàn)結(jié)果［12－13］的對比，水平荷載作用下樁身屈服前后不同深度樁身彎矩和位移試驗(yàn)值與模型計算值吻合較好。

2 翼板剛度的影響分析

翼板剛度直接影響水平荷載作用下與土體相互作用后產(chǎn)生的彎曲變形，由于材料特性、厚度、結(jié)構(gòu)形式等因素影響其剛度，計算時為了簡化以面積5 m×5 m、壁厚0．08 m、上緣與泥面同高的鋼翼板為基準(zhǔn)，取相對剛度（EI／E0I0）為 0．6、0．8、1．0、2．0 和4．0的翼板進(jìn)行計算分析，分別以 FPEI1、FPEI2、FPEI3、FPEI4和 FPEI5表示。

2．1 樁身位移

根據(jù)計算，得到翼板剛度與泥面處水平位移關(guān)系曲線見圖2，12．0 MN荷載作用下翼板相對剛度4．0的加翼樁水平位移云圖見圖3。計算結(jié)果表明：泥面處水平位移隨翼板剛度增大而減小，但影響程度總體較小，翼板相對剛度4．0比相對剛度為0．6的加翼樁在1．5 MN和12．0 MN荷載作用時泥面處水平位移分別只降低1．4%和2．3%。

樁身水平位移初始零點(diǎn)位置隨翼板剛度增大而升高，1．5 MN～12．0 MN作用時樁身水平位移初始零點(diǎn)出現(xiàn)在泥面下4．04D～4．92D范圍。

圖2 翼板剛度與泥面處水平位移

2．2 樁身彎矩

根據(jù)計算，得到翼板剛度與樁身最大彎矩曲線見圖4。

圖3 加翼樁FPEI5水平位移云圖（H＝12．0MN）

圖4 翼板剛度與樁身最大彎矩

加翼樁樁身最大彎矩隨翼板剛度增大而先減小后增大，但總體影響效果較小，12．0 MN荷載作用下翼板相對剛度4．0比相對剛度0．6的加翼樁樁身最大彎矩值僅降低1．6%。

加翼樁最大彎矩位置隨水平荷載增大而降低，隨翼板剛度增加而升高，水平荷載1．5 MN～13．5 MN作用時最大彎矩位置在泥面下0．68D～1．64D；極限荷載作用時，最大彎矩位置在泥面下1．49D～1．52D。

2．3 樁身應(yīng)力與水平極限承載力

根據(jù)計算，得到不同翼板剛度加翼樁在12．0 MN水平荷載作用下的應(yīng)力云圖見圖5，水平荷載作用下樁身最大應(yīng)力和泥面處傾斜率見表1，不同剛度翼板加翼樁水平極限承載力與相應(yīng)應(yīng)力計算結(jié)果見表2。從表1、表2可得以下結(jié)論：

（1）翼板剛度對加翼樁樁身最大應(yīng)力影響相對較大，翼板剛度越大樁身最大應(yīng)力越大，12．0 MN荷載作用下翼板相對剛度4．0比相對剛度0．6的加翼樁樁身最大應(yīng)力增大了14．9%。

（2）翼板剛度對樁身與翼板連接處的應(yīng)力影響較樁身應(yīng)力的影響更大。隨著翼板剛度與樁身剛度比增大，翼板與樁身連接處應(yīng)力增大迅速，12．0 MN荷載作用下翼板相對剛度4．0比相對板剛度0．6時增大了221．8%。

（3）樁基泥面處傾斜率隨翼板剛度增大而減小，12．0 MN水平荷載作用下翼板相對剛度4．0比相對剛度0．6的加翼樁樁基泥面處傾斜率降低了2．6%。

（4）加翼樁水平極限承載力隨著翼板剛度增大而先增大后減小，當(dāng)翼板剛度與樁身剛度接近時，極限承載力受泥面處傾斜率或樁身最大應(yīng)力控制，而當(dāng)翼板剛度明顯大于樁身剛度時，極限承載力受翼板與基樁連接處最大應(yīng)力控制，根據(jù)計算結(jié)果，相對剛度1．0～2．0為合理的翼板與樁身剛度比。

圖5 不同翼板剛度加翼樁樁身應(yīng)力云圖（H＝12．0 MN）

3 翼板埋深的影響分析

以面積5 m×5 m、壁厚0．08 m的鋼翼板為模型，分別取翼板埋深 Z（上緣至泥面的距離）為0 m、1．0 m、2．5 m 和 4．0 m（分別以 FPZ0、FPZ1、FPZ2 和FPZ3表示）的加翼樁模型計算，提取樁身變形、彎矩、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、泥面處樁身傾斜率和極限承載力等結(jié)果進(jìn)行分析［14－15］。

3．1 樁身位移

根據(jù)計算，得到翼板埋深Z與泥面處水平位移曲線見圖6，12．0 MN水平荷載作用下翼板埋深1．0 m時加翼樁水平位移云圖見圖7。

表1 不同翼板剛度樁身最大應(yīng)力和泥面處傾斜率

表2 不同翼板剛度極限狀態(tài)下水平承載力與最大應(yīng)力

圖6 翼板埋深與泥面處水平位移關(guān)系

圖7 翼板埋深1．0 m水平位移云圖（H＝12．0MN）

由圖6、圖7可看出，加翼樁泥面處水平位移隨翼板埋深增大先減小后增大，翼板埋深為1．0 m（0．2D）時加翼樁泥面處水平位移最小。12．0 MN水平荷載作用下翼板埋深1．0 m（0．2D）時比埋深為0．0 m的加翼樁泥面處水平位移降低5．6%，比翼板埋深 2．5 m（0．5D）和 4．0 m（0．8D）的加翼樁泥面處水平位移降低9．7%和12．5%。

樁身水平位移初始零點(diǎn)位置隨翼板埋深 Z增大先升高后降低，水平荷載1．5 MN～12．0 MN作用時水平位移的初始零點(diǎn)位置在泥面下3．98D～4．85D 范圍。

3．2 樁身彎矩

根據(jù)計算，得到翼板埋深Z與樁身最大彎矩值關(guān)系曲線見圖8。由圖8可看出，加翼樁在水平荷載作用下最大彎矩值位置隨著翼板埋深 Z的增大而先升高后降低，極限荷載作用時最大彎矩位置在泥面下（1．52～ 1．54）D。

樁身最大彎矩隨翼板埋深 Z增大先減小而后增大，翼板埋深1．0 m時最小。12．0 MN水平荷載作用下翼板埋深為1．0 m時分別比翼板埋深為0．0 m、2．5 m和4．0 m的加翼樁樁身最大彎矩值降低1．5%、2．0%和3．5%。翼板埋深對樁身最大彎矩值的影響相對較小。

圖8 翼板埋深與樁身最大彎矩值關(guān)系曲線

3．3 樁身應(yīng)力與水平極限承載力

根據(jù)計算，得到翼板不同埋深加翼樁在12．0 MN荷載作用下樁身應(yīng)力云圖見圖9，水平荷載作用下樁身最大應(yīng)力和泥面處傾斜率計算結(jié)果見表3，不同翼板埋深加翼樁水平極限承載力及相應(yīng)應(yīng)力見表4。

由表3、表4及圖9可知隨著翼板埋深 Z的增大，樁身最大應(yīng)力逐漸由樁前受壓區(qū)轉(zhuǎn)移至樁后受拉區(qū)，樁前受壓區(qū)最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在樁前下緣與基樁連接處，樁后受拉區(qū)最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在樁后上緣與基樁連接處。

表3 不同翼板埋深加翼樁樁身最大應(yīng)力與泥面處傾斜率

表4 不同翼板埋深加翼樁水平極限承載力與相應(yīng)應(yīng)力

圖9 不同翼板埋深加翼樁樁身應(yīng)力云圖（H＝12．0 MN）

翼板埋深對加翼樁樁身最大應(yīng)力的影響規(guī)律不甚明顯，但埋深為0．0 m時樁身最大應(yīng)力最小，12．0 MN 作用下，埋深為 0．2D、0．5D、0．8D 比埋深為 0．0 D時的最大樁身應(yīng)力分別增加 10．1%、8．7%和15．5%。

加翼樁樁身傾斜率隨翼板埋深 Z的增大先減小后增大，翼板埋深0．2D時加翼樁樁身泥面處傾斜率最小。12．0 MN水平荷載作用下，翼板埋深0．2 D時比翼板埋深為0．0 D和0．8D的加翼樁樁基泥面處傾斜率分別降低了5．3%和9．6%。

加翼樁水平極限承載力隨著翼板埋深 Z的增大先增大而后減小，翼板埋深0．2D時加翼樁水平極限承載力最大，為13．12 MN。

4 結(jié) 語

以海上風(fēng)電場大直徑加翼樁為模型，基于ABAQUS有限元構(gòu)建了加翼樁的三維數(shù)值仿真模型，選擇5種翼板剛度、4種翼板埋深，研究了其對加翼樁樁身位移、樁身彎矩、樁身應(yīng)力及水平極限承載力的影響。

（1）隨著翼板剛度的增加，加翼樁泥面處水平位移隨之減小，而樁身彎矩先減小后增大，但影響程度不大。12．0 MN荷載作用時，翼板相對剛度4．0時比相對剛度0．6時加翼樁水平位移減小2．3%，樁身彎矩僅降低1．6%。

（2）翼板剛度對樁身最大應(yīng)力、樁身與翼板連接處應(yīng)力影響較大，12．0 MN荷載作用下翼板相對剛度4．0時比相對剛度0．6加翼樁樁身最大應(yīng)力增大了 14．9%，樁身與翼板連接處的應(yīng)力增大了221．8%。

（3）加翼樁水平極限承載力隨著翼板剛度增大先增大而后減小，當(dāng)翼板剛度與樁身剛度接近時，極限承載力受泥面處傾斜率或樁身最大應(yīng)力控制，而當(dāng)翼板剛度明顯大于樁身剛度時，極限承載力受翼板與基樁連接處最大應(yīng)力控制，相對剛度1．0～2．0為合理翼板與樁身剛度比。

（4）加翼樁泥面處水平位移隨著翼板埋深增大先減小而后增大，而最大彎矩值位置隨著翼板埋深Z的增大而先升高后降低。翼板埋深對水平位移的影響大于對彎矩的影響，翼板埋深1．0 m（0．2D）時比埋深4．0 m（0．8D）加翼樁泥面處水平位移降低12．5%，樁身最大彎矩降低 3．5%（12．0 MN）。

（5）翼板埋深為0．0 m時加翼樁樁身最大應(yīng)力最小，埋深 Z對樁身最大應(yīng)力的影響規(guī)律不明顯。翼板埋深 1．0 m（0．2D）時比埋深 0．0 m、4．0 m（0．8D）樁身泥面處傾斜率分別降低了5．3%和9．6%。

（6）加翼樁水平極限承載力隨著翼板埋深Z的增大先增大而后減小，翼板埋深0．2D時加翼樁水平極限承載力最大。

［1］ 黃維平，劉建軍，趙戰(zhàn)華．海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］．海洋工程，2009，27（2）：130-134．

［2］ 王 偉，楊 敏．海上風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計理論與工程應(yīng)用［M］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014．

［3］ 王曦鵬，陳燦明，蘇曉棟，等．水平靜荷載作用下翼板對基樁工作性狀影響的有限元研究［J］．水道港口，2016，37（6）：609-614．

［4］ 王曦鵬．加翼樁水平承載力影響因素及計算方法研究［D］．南京：河海大學(xué)，2017．

［5］ 于仁斌，范慶來，鄭 靜．海上風(fēng)機(jī)加翼樁水平受荷簡化分析模型研究［J］．地下空間與工程學(xué)報，2016，12（S1）：113-119．

［6］ 費(fèi) 康，張建偉．ABAQUS在巖土工程中的應(yīng)用［M］．北京：中國水利水電出版社，2010．

［7］ 王繼成，潘曉東，丁翠紅．翼板、承臺埋深對樁水平承載力的影響研究［J］．人民長江，2007，38（8）：162-164．

［8］ 于麗鵬．基于FLAC3D模擬的土體彈性模量取值分析［J］．水利與建筑工程學(xué)報，2014，12（2）：162-166．

［9］ 張江濤，豆紅強(qiáng)，王 浩．濱海軟土地區(qū)綜合管廊基坑開挖鋼板樁支護(hù)性狀分析［J］．水利與建筑工程學(xué)報，2016，14（6）：120-125．

［10］ 中海石油研究中心．海上固定平臺規(guī)劃、設(shè)計和推薦作法——工作應(yīng)力設(shè)計法：SY／T 10030—2004［S］．北京：石油工業(yè)出版社，2004．

［11］ 水電水利規(guī)劃設(shè)計總院．風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)定：FD 003—2007［S］．北京：中國水利水電出版社，2007．

［12］ 朱 斌，朱瑞燕，羅 軍，等．海洋高樁基礎(chǔ)水平大變位性狀模型試驗(yàn)研究［J］．巖土工程學(xué)報，2010，32（4）：521-530．

［14］ 蘇航州，段 偉，段曉偉，等．水平荷載作用下 GRF樁基礎(chǔ)受力特性的數(shù)值分析［J］．水利與建筑工程學(xué)報，2015，13（3）：200-204．

［15］ 孫 希，黃維平．基于數(shù)值模擬的海上風(fēng)電大直徑樁樁土相互作用研究［J］．水力發(fā)電，2015，41（3）：72 －75．