基于FLAC3D的海上風(fēng)電大直徑鋼管樁基礎(chǔ)豎向承載力數(shù)值模擬研究

駱光杰，周茂強，張 強，沈曉雷，詹懿德，沈佳軼

(1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州311122;2.浙江華東工程咨詢有限公司，浙江杭州311122；3.浙江大學(xué)，浙江杭州310015)

0 引 言

我國《風(fēng)電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中對海上風(fēng)電項目的發(fā)展規(guī)模給予了重點關(guān)注，預(yù)計在2020年能實現(xiàn)1 000萬kW的目標(biāo)。其中，江蘇省規(guī)劃開工建設(shè)規(guī)模為450萬kW，占到45%。近年來，江蘇省不斷提高對海上風(fēng)電相關(guān)領(lǐng)域的重視程度，2018年底江蘇省海上風(fēng)電總建設(shè)規(guī)模突破300萬kW，占全國海上風(fēng)電項目總裝機容量的70.4%[1]。江蘇省主要風(fēng)電工程位于岸外輻射沙洲海域，有關(guān)輻射沙洲的海域地形、水動力、成因及演變機理和沖刷機制等的研究已取得相當(dāng)大的進(jìn)展[2]。但是揭示該海域的地層資料較少，該海域的試樁資料尤為缺乏，因此對輻射沙洲地層中鋼管樁的承載性能進(jìn)行研究具有重要意義，可為該海域后續(xù)風(fēng)電場的建設(shè)及后期穩(wěn)定運作提供參考。

海上風(fēng)電建設(shè)中廣泛采用大直徑鋼管樁基礎(chǔ)，目前不少學(xué)者針對大直徑鋼管樁的承載性能、側(cè)摩阻力和土塞效應(yīng)展開了大量的研究[3- 6]。現(xiàn)場靜載試驗是確定大直徑鋼管承載特性的一種方法，但該方法成本昂貴且海上開展試樁試驗較為困難，特別是超大直徑鋼管樁基礎(chǔ)，對其開展試驗會非常困難[7]。此外，海上風(fēng)電樁基礎(chǔ)的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)相當(dāng)匱乏，而基于數(shù)值軟件的仿真模擬能更快速便捷地獲取更多工程所需數(shù)據(jù)，為確定大直徑鋼管樁的承載性能提供了一種行之有效的方法[8-13]。因此，開展豎向荷載作用下大直徑鋼管樁承載性能的數(shù)值模擬研究，對確定地層中鋼管樁的承載性能具有重要意義。

本文采用三維連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日法(FLAC3D)，以輻射沙洲風(fēng)電工程中的大直徑鋼管測試樁為研究對象，計算得到豎向荷載作用下大直徑鋼管樁在不同埋深下的豎向極限承載力，對不同土層的鋼管樁豎向極限承載力進(jìn)行模擬，并對試驗結(jié)果進(jìn)行分析，旨在揭示豎向荷載作用下輻射沙洲大直徑鋼管樁的承載特性，研究結(jié)果可為類似工程的設(shè)計與施工提供參考。

1 工程概況

江蘇竹根沙(H2號)300 MW海上風(fēng)電場位于江蘇省竹根沙及北條子泥附近海域，東臺H2號海上風(fēng)電場西南側(cè)，竹根沙H1號海上風(fēng)電場西北側(cè)。場區(qū)地形整體呈現(xiàn)不規(guī)則多邊形，東西長約21 km，南北寬約6 km，風(fēng)電場面積37 km2，規(guī)劃容量300 MW。海上升壓站位于39號風(fēng)機西側(cè)，距離約0.8 km。

本文研究基于某次海上風(fēng)電樁試樁試驗。該次試樁場地位于江蘇省竹根沙，北條子泥附近海域，見圖1。試樁點離岸距離39 km，該處地勢變化平緩，場區(qū)高程-13.0～-2.8 m。試樁采用1根試驗樁(S1)，4根錨定樁(M1～M4)和2根基準(zhǔn)樁的布置形式。其中，試驗樁S1的樁長51 m，樁徑1.8 m，壁厚25 mm，樁體埋深29 m。該試驗樁以土層⑤-粉土夾粉質(zhì)粘土層作為持力層。

圖1 江蘇岸外輻射沙洲現(xiàn)場試驗位置

圖2 軸向抗壓試驗反力系統(tǒng)原理

該次試樁試驗中軸向抗壓試驗的反力系統(tǒng)如圖2所示。該測試采用快速維持荷載法，分七級加載，除第一次加載2 900 kN和最后一次加載725 kN外，其余均等量加載，每次1 450 kN。每級加載均維持1 h。在每級加載至5、15、30 min和60 min時，測量試樁的樁頂沉降量。同時，在60 min時測量樁身應(yīng)變值，通過換算得到并記錄樁身軸力分布。

2 鋼管樁豎向承載力計算數(shù)值模型

2.1 數(shù)值模型

本文采用FLAC3D數(shù)值軟件開展不同深度地層的大直徑鋼管樁基礎(chǔ)承載性能數(shù)值模擬研究。由于模擬的鋼管樁與土層結(jié)構(gòu)具有對稱性，為了節(jié)約計算時間，選取整體的1/2進(jìn)行建模?？紤]到邊界效應(yīng)的影響，在構(gòu)建數(shù)值模型時，模擬土體長度方向取60 m，寬度方向取30 m，深度方向取65 m。具體的模型示意如圖3所示。

圖3 FLAC3D數(shù)值模型示意

表1 試樁場地的地層分布及數(shù)值模擬參數(shù)

該模型的外部邊界條件按以下設(shè)定：樁截面一側(cè)由于對稱選取，對垂直于該面的方向進(jìn)行約束，其余3個側(cè)面以及底面都設(shè)定為完全約束，土體頂面則設(shè)定為自由約束。在FLAC3D建模時，樁土接觸面的構(gòu)建方法采用“移來移去法”，即先在原本土層中的樁土相接面處構(gòu)建接觸面，再把已構(gòu)建的樁移動到該位置。通過此方法的運用，樁土相接處的相同坐標(biāo)點能被賦予不同的節(jié)點號，從而實現(xiàn)模擬鋼管樁的滑移、分離等不同情況。

2.2 計算參數(shù)選取

準(zhǔn)確地選取數(shù)值模型中土體的物理力學(xué)參數(shù)是數(shù)值模擬計算效率和精度的保障。本試驗中土體的本構(gòu)模型選為軟件內(nèi)置的Mohr-Coulomb模型，鋼管樁則視作彈性體，采用彈性模型。試驗采用已有現(xiàn)場試樁試驗時所測量的地層分布及部分土體數(shù)據(jù)，結(jié)合附近海域的相關(guān)工程地質(zhì)資料和對應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果，綜合相關(guān)數(shù)值模擬經(jīng)驗，對數(shù)值模擬參數(shù)的給定進(jìn)行優(yōu)化處理，選取的試驗參數(shù)如表1所示。

3 數(shù)值模型的驗證

本文采用FLAC3D模擬大直徑鋼管樁在不同情況下的豎向極限承載力。將獲得的荷載-沉降量(Q-s)曲線，樁身軸力分布與現(xiàn)場實際抗壓試驗進(jìn)行對比分析，以此來校準(zhǔn)數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。進(jìn)一步，對不同土層的鋼管樁豎向極限承載力進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

3.1 樁頂沉降量分析

為了更真實地反映實際各土層的鋼管樁豎向極限承載力，本文對現(xiàn)場試樁開展了數(shù)值模擬試驗。通過比對各級荷載下現(xiàn)場實測鋼管樁樁頂沉降量和數(shù)值模擬的樁頂沉降量，確定FLAC3D中的部分未知參數(shù)，包括樁參數(shù)及地質(zhì)資料中未給出的土體剪切模量以及部分土體的壓縮模量，內(nèi)摩擦角等參數(shù)。FLAC3D在軸向荷載為10 875 kN時模擬所得的沉降量云圖如圖4所示。

圖4 荷載為10 875 kN時對應(yīng)的沉降量云圖

現(xiàn)場試樁試驗和數(shù)值模擬下的樁頂Q-s曲線對比如圖5所示。從圖5可以看出，兩條曲線的趨勢較為一致，相符得較好。在加載初期，模擬值較實測值略大，而后期，實測值略大?，F(xiàn)場試樁試驗和數(shù)值模擬結(jié)果顯示，該試樁的Q-s曲線都具有明顯的拐點和陡降段，只是數(shù)值模擬的陡降段較為平緩。參照J(rèn)TS 237—2017《水運工程地基基礎(chǔ)試驗檢測技術(shù)規(guī)程》，由數(shù)值模擬得出的該試樁的極限抗壓承載力Qu為10 450 kN，與現(xiàn)場試樁結(jié)果10 150 kN相近，由此也證明了本試驗數(shù)值模型的可靠性。

圖5 實測和數(shù)值模擬S1樁頂荷載-沉降曲線

3.2 樁身軸力分析

圖6給出了軸向荷載為2 900 kN時，數(shù)值模擬與現(xiàn)場軸向抗壓試驗的試樁軸向荷載分布曲線。從圖6可以看出，樁身軸力分布的數(shù)值模擬值和實測值整體符合得較好。隨著樁身距泥面深度的增加，樁身軸力不斷減小，樁底軸力趨近于0，這說明該樁的軸向承載力絕大部分由樁側(cè)摩阻力提供，樁端阻力對軸向承載力的貢獻(xiàn)相對較小?，F(xiàn)場試樁結(jié)果顯示，江蘇岸外輻射沙洲地層中鋼管樁實際的總側(cè)摩擦阻力占總承載力的95.61%，而樁端阻力只占總承載力的4.39%。樁內(nèi)土對管壁的側(cè)摩阻力作用很小，主要是樁外土在發(fā)揮作用。輻射沙洲地層⑤粉土夾粉質(zhì)黏土的承載性能一般，不適合作為鋼管樁的持力層。數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場試樁試驗結(jié)論較為符合。

進(jìn)一步分析可得，整個試樁入土部分樁身軸力隨深度變化并不均勻，軸力減小的速率呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢。這和摩擦型樁的荷載傳遞過程相符，大部分荷載以側(cè)摩阻力的方式傳遞至樁周土體，而樁周土體與試樁之間的摩擦系數(shù)的大小決定了樁身軸力沿深度方向的變化。由此可知，試樁入土范圍中部土體側(cè)摩阻力較大，兩端較小，這也與現(xiàn)場試樁所得較為相符。

圖6 軸力分布對比(Q=2 900 kN)

4 不同土層單樁極限承載力分析

由于現(xiàn)場試樁和數(shù)值模擬都揭示了粉土夾粉質(zhì)粘土層⑤的承載性能較為一般，不適合用作鋼管樁的持力層。因而，選取合適土層對該風(fēng)電場的建設(shè)及后期穩(wěn)定性保障至關(guān)重要。考慮到現(xiàn)場試樁會耗費相當(dāng)多的人力、物力和財力，本文將采用已校準(zhǔn)的數(shù)值模擬模型，分析土層⑤上下兩相鄰?fù)翆?，即土層?2和土層⑥-1的鋼管樁豎向極限承載力，以期為該風(fēng)電場的后期施工建設(shè)及運行穩(wěn)定性提供理論參考依據(jù)。

數(shù)值模擬試樁在土層④-2和土層⑥-1中不同深度處的單樁極限軸向承載力，如圖7所示。極限承載力的選取參照J(rèn)TS 237—2017《水運工程地基基礎(chǔ)試驗檢測技術(shù)規(guī)程》。從圖7可以看出，隨著樁入土深度地增加，單樁極限軸向承載力保持不斷增長的趨勢。當(dāng)樁入土深度小于30 m時，樁極限承載力增長緩慢，入土深度大于30 m時，樁極限承載力提升較快，說明土層⑥-1可作為良好的持力層。現(xiàn)場試樁及地質(zhì)資料分析中也對各土層作為樁基持力層給出了初步判斷，土層④-2性質(zhì)軟塑，工程性能較差，埋藏不深且分布不均，不能作為風(fēng)機基礎(chǔ)的樁基持力層，而土層⑥-1工程性能好，埋藏較深，土壤密實度為中密～密實，是良好的持力層。數(shù)值模擬結(jié)果也與現(xiàn)場初步判斷相符。

圖7 不同埋深單樁極限承載力對比

5 結(jié) 論

本文通過比對江蘇岸外輻射沙洲地層中某大直徑鋼管樁基礎(chǔ)現(xiàn)場試樁試驗，采用FLAC3D對不同深度土層的單樁極限承載力進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到了以下主要結(jié)論：

(1)數(shù)值模擬所得大直徑鋼管樁的Q-s曲線具有較平緩的陡降段，鋼管樁豎向極限承載力為10 450 kN，與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)相近，故該數(shù)值模型可靠。

(2)在豎向荷載的作用下，大直徑鋼管樁的樁身軸力隨著入土深度的增加而不斷減小，其減小的幅度和樁周土體與樁的側(cè)摩阻力有關(guān)，側(cè)摩阻力越大，樁身軸力下降得越快。該試樁樁底軸力趨近于0，這說明該樁的軸向承載力絕大部分由樁側(cè)摩阻力提供，樁端阻力對軸向承載力的貢獻(xiàn)相對較小。

(3)采用FLAC3D對不同深度土層的單樁承載性能進(jìn)行模擬。研究顯示：當(dāng)樁入土深度小于30 m時，樁極限承載力增長緩慢，入土深度大于30 m時，樁極限承載力提升較快，說明土層⑥-1可作為良好的持力層。