砂土中樁靴插樁對(duì)臨近筒型基礎(chǔ)的影響研究

收稿日期：2022-10-25

通信作者：樂叢歡（1983—），女，博士、副研究員，主要從事海上新能源支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的研究。leconghuan@163.com

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1624 文章編號(hào)：0254-0096（2024）02-0095-07

摘 要：通過物理模型試驗(yàn)和有限元法研究砂土中風(fēng)電安裝船樁靴插樁對(duì)臨近筒型基礎(chǔ)的影響。首先通過物理模型試驗(yàn)，驗(yàn)證有限元模型的合理性，初步確定樁靴在砂土中貫入的影響范圍大致在2.5倍樁靴直徑?；谟邢拊狢EL方法進(jìn)一步研究樁靴和筒型基礎(chǔ)的凈距與樁靴直徑之比（S/D）對(duì)筒型基礎(chǔ)在位穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：筒型基礎(chǔ)的傾斜率、最大豎向位移以及筒壁應(yīng)力隨著[S/D]的增大而逐漸減小，插樁過程中，靠近樁靴一側(cè)的筒裙和分艙板應(yīng)力遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)離樁靴一側(cè)的筒型基礎(chǔ)應(yīng)力，且筒頂?shù)耐翂毫h(yuǎn)小于筒底土壓力。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電；自升式安裝船；數(shù)值模擬；插樁；筒型基礎(chǔ)

中圖分類號(hào)：TU470""""""""""""""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

海上風(fēng)電自升式安裝船是目前海上風(fēng)電開發(fā)中重要的施工設(shè)備，主要適用于近岸的淺海海域，具有可移動(dòng)、可重復(fù)利用、水深適應(yīng)能力強(qiáng)、受環(huán)境影響小、定位性強(qiáng)、可全天候穩(wěn)定作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)［1-2］。自升式安裝船在進(jìn)行插樁作業(yè)時(shí)升降系統(tǒng)通過預(yù)壓載將樁靴插入一定深度的地基土中以保證自升式安裝船能在惡劣的海洋環(huán)境安全作業(yè)。樁靴貫入地基的過程中會(huì)對(duì)周圍土體產(chǎn)生一定影響，進(jìn)而影響海上風(fēng)電基礎(chǔ)的穩(wěn)定性及承載能力。目前已有部分學(xué)者針對(duì)樁靴貫入對(duì)臨近基礎(chǔ)的影響進(jìn)行了系列研究［3-5］，Chow等［6］就樁靴插樁對(duì)臨近樁基礎(chǔ)的變形影響進(jìn)行數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明插樁引發(fā)的臨近樁基的變形可忽略不計(jì)，但對(duì)樁基礎(chǔ)的水平位移影響較顯著，可能會(huì)引發(fā)樁基礎(chǔ)傾斜；張海洋等［7］通過離心機(jī)試驗(yàn)研究了樁靴插拔樁對(duì)臨近樁基水平承載力的影響；Tho等［8］采用耦合歐拉-拉格朗日（conple Enlerian-Lagrangian，CEL）算法模擬離心機(jī)模型樁靴插樁對(duì)臨近樁基礎(chǔ)的影響，結(jié)果表明臨近樁基礎(chǔ)的附加荷載受樁本身剛度及土體彈性模量影響較大；蘭斐［9］采用CEL方法模擬鉆井平臺(tái)樁靴貫入對(duì)導(dǎo)管架基礎(chǔ)位移的影響，分別研究以拉格朗日法和歐拉法建立的土體模型，結(jié)果顯示以歐拉法建立的土體厚度以及摩擦系數(shù)取值對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較小；戴笑如［10］用CEL方法模擬不同土質(zhì)條件下鉆井平臺(tái)插樁對(duì)臨近樁基礎(chǔ)的影響，并且給出合適的土體模型網(wǎng)格加密區(qū)的取值范圍、網(wǎng)格尺寸以及樁靴貫入深度；張浦陽等［11］利用數(shù)值模擬，通過Swipe以及固定位移法繪制了筒型樁靴在靜荷載作用下的[V-H、][V-M]以及[V-H-M]（V、H、M分別為豎向、水平、彎矩荷載）受力空間的破壞包絡(luò)面；劉潤等［12］通過模型試驗(yàn)研究樁靴插拔對(duì)臨近樁靴的影響，結(jié)果表明當(dāng)樁靴外邊緣與筒型基礎(chǔ)間距小于[1.0D]（[D]為樁靴直徑）時(shí)，樁靴插拔對(duì)周圍土體擾動(dòng)劇烈，且會(huì)導(dǎo)致臨近樁靴承載力降低；王慶功等［13］通過數(shù)值模擬分析認(rèn)為當(dāng)插樁完成時(shí)，與樁靴凈距為[0.75D]的樁基礎(chǔ)樁頭位移比凈距為[0.50D、0.25D]相比分別減少了15%、45%；潘啟洋［14］對(duì)多層土進(jìn)行插樁數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)樁靴貫入深度較淺時(shí)，土體的塑性應(yīng)變集中在硬土層，隨著樁靴貫入深度增大，貫入阻力達(dá)到峰值阻力時(shí)，底層軟土開始產(chǎn)生較大的塑性應(yīng)變。

目前，關(guān)于海上風(fēng)電自升式安裝船插樁對(duì)臨近基礎(chǔ)的影響研究主要集中在臨近的樁式基礎(chǔ)，而且主要研究方向圍繞樁身水平位移以及附加彎矩展開。相比于樁式基礎(chǔ)，筒型基礎(chǔ)具有直徑大、埋深淺的特點(diǎn)［15］，在插樁過程中基礎(chǔ)受到的應(yīng)力大小以及分布有所不同。因此有必要進(jìn)一步研究樁靴貫入過程中對(duì)臨近筒型基礎(chǔ)的影響。本文首先通過物理模型試驗(yàn)的方法對(duì)樁靴在砂土中貫入的影響范圍進(jìn)行分析，驗(yàn)證CEL數(shù)值模擬的可行性?；贑EL法進(jìn)一步研究砂土中樁靴和筒型基礎(chǔ)的凈距對(duì)臨近筒型基礎(chǔ)在位穩(wěn)定性的影響。

1 有限元模型

1.1 計(jì)算模型

模型采用ABAQUS有限元軟件CEL法建立筒型基礎(chǔ)以及樁靴的三維有限元模型，如圖1所示，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)采用線彈性本構(gòu)模型，鋼材材質(zhì)，密度7850 kg/m3，彈性模量210 GPa，屈服強(qiáng)度355 MPa。其中[D]為樁靴直徑，[D=11.8]m，[S]為筒型基礎(chǔ)和樁靴外邊緣最小凈距，[d]為筒型基礎(chǔ)直徑，[H]為筒型基礎(chǔ)筒體的高度，[h]為筒型基礎(chǔ)過渡段高度。由于本文僅探究[S/D]的大小對(duì)插樁的影響，因此[d、H、h]在數(shù)值模擬中取定值，[d=24]m，[H=11.2]m，[h=28.3]m。土體采用歐拉單元，樁靴以及筒型基礎(chǔ)采用拉格朗日單元建立，土體采用歐拉單元，表面預(yù)留10 m Void層，整體有限元模型如圖2所示。土體為砂土，采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，具體參數(shù)如下：密度[ρ=1400]kg/m3，內(nèi)摩擦角[ψ=32.5°]，壓縮模量[Es=18]MPa，泊松比[μ=0.3]。

1.2 加載方向規(guī)定

為方便研究基礎(chǔ)的應(yīng)力分布，規(guī)定筒型基礎(chǔ)0°角方向且以順時(shí)針為旋轉(zhuǎn)正方向，規(guī)定以90°直線為軸，距離樁靴較近的1/2筒型基礎(chǔ)為靠近樁靴一側(cè)，另外1/2的筒型基礎(chǔ)視為遠(yuǎn)離樁靴一側(cè)，如圖3所示。由于基礎(chǔ)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，應(yīng)力分布

基本呈軸對(duì)稱分布本文只給出0°～180°范圍內(nèi)的筒型基礎(chǔ)的應(yīng)力分布，如圖4所示，路徑1#～3#分別對(duì)應(yīng)的角度為0°、90°、180°。4#路徑為筒型基礎(chǔ)頂面沿[Y]軸方向。

1.3 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證有限元計(jì)算插樁的合理性以及初步確定樁靴貫入砂土對(duì)土體的影響范圍，開展物理模型試驗(yàn)。模型試驗(yàn)在長×寬×高=2 m×2 m×1.5 m的砂土土槽中展開，模型比尺為1∶100。土體參數(shù)與數(shù)值模擬中的土體參數(shù)一致。試驗(yàn)主要測(cè)量樁靴插樁過程中的貫入深度-貫入阻力的曲線以及插樁對(duì)砂土的影響范圍，樁靴勻速貫入砂土通過渦輪壓桿實(shí)現(xiàn)（圖5），測(cè)量土體的影響范圍主要依靠在插樁位置附近布置土壓力傳感器，讀取土壓力傳感器的數(shù)值變化來確定插樁對(duì)砂土的影響范圍，土壓力傳感器布置在土面以下1 cm埋深的位置（圖6），試驗(yàn)插樁過程如圖7所示。

采用模型試驗(yàn)相同的模型尺寸和土體參數(shù)建立有限元模型。有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖8所示，有限元計(jì)算結(jié)果于試驗(yàn)結(jié)果的總體趨勢(shì)大體相似，比較二者在貫入深度為60 mm時(shí)的貫入阻力，二者貫入阻力結(jié)果相差了10.23%。有限元計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了CEL方法模擬插樁過程的合理性。

圖9為樁靴附近土體土壓變化隨插樁深度變化的曲線，距離插樁位置[0.5D]處由于插樁時(shí)土體發(fā)生塌落導(dǎo)致土壓變化太小，因此變化并不明顯；而[1.0D、1.5D、2.0D]處土壓變化非常明顯，[1.0D]的土壓變化值最大，說明在插樁作業(yè)時(shí)，[S/D≤2.0]位置的土體受到插樁作業(yè)的擾動(dòng)較大，[2.5D]位置處

的土壓基本無變化，說明當(dāng)[S/D≥2.5]時(shí)，插樁作業(yè)對(duì)土體基本不產(chǎn)生影響。

2 插樁對(duì)臨近筒型基礎(chǔ)的影響

為研究樁靴插樁對(duì)臨近筒型基礎(chǔ)的影響，保持樁靴貫入深度為10 m，設(shè)置[S/D=0.5]、1.0、1.5、2.0、2.5的5組工況，其余參數(shù)均不改變。

圖10為不同[S/D]下樁靴貫入至10 m后土體等效塑性應(yīng)變?cè)茍D。樁靴貫入土層的過程中均產(chǎn)生了不同程度的回流，同時(shí)周圍土體出現(xiàn)隆起，從模型試驗(yàn)中也可清晰看出在樁靴貫入過程中土體表面發(fā)生了一定程度的隆起。圖中顯示，當(dāng)[S/D]較小時(shí)，即樁靴距離筒型基礎(chǔ)較近的情況下貫入時(shí)，靠近筒型基礎(chǔ)一側(cè)的土體流動(dòng)受到了筒型基礎(chǔ)的阻擋，這一部分的土體流動(dòng)到樁靴的另一側(cè)，具體表現(xiàn)為在靠近筒型基礎(chǔ)一側(cè)的土體受筒型基礎(chǔ)的阻擋逐漸向下塌落，而另一側(cè)的土體隆起較高的高度。這一現(xiàn)象主要出現(xiàn)在[S/D≤1.0]，此時(shí)土體的等效塑性應(yīng)變明顯增大，土體破壞嚴(yán)重，隨著[S/D]的增大，遠(yuǎn)離筒型基礎(chǔ)一側(cè)的土體隆起高度逐漸減小，土體的等效塑性應(yīng)變相對(duì)較?。划?dāng)[S/Dgt;1.5]時(shí)，樁靴貫入時(shí)的兩側(cè)土體隆起逐漸趨于對(duì)稱分布，此時(shí)筒型基礎(chǔ)對(duì)樁靴貫入時(shí)的土體流動(dòng)影響逐漸減小。

2.1 插樁對(duì)筒型基礎(chǔ)位移的影響

圖11為插樁過程中不同[S/D]工況下筒型基礎(chǔ)的頂面沿路徑4#各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的豎向位移。圖12為不同[S/D]工況下筒型基礎(chǔ)最大豎向位移的曲線圖。由圖11、圖2可知，筒型基礎(chǔ)的最大豎向位移隨著[S/D]的增大而減小，在[0.5≤S/D≤1.5]的范圍內(nèi)，樁靴貫入會(huì)引起筒周土體的擾動(dòng)，導(dǎo)致筒型基礎(chǔ)產(chǎn)生較大的豎向位移，隨著[S/D]的增大，筒型基礎(chǔ)最大豎向位移的減小趨勢(shì)也比較緩慢，其中S/D=1.0與[S/D=1.5]的工況差距不大；當(dāng)[S/Dgt;1.5]時(shí)，此時(shí)筒型基礎(chǔ)與樁靴的距離較遠(yuǎn)，筒周土體受擾動(dòng)相對(duì)較小，筒型基礎(chǔ)豎向最大位移隨著[S/D]的增大而急劇減小。圖13為不同[S/D]工況下筒型基礎(chǔ)傾斜率。筒型基礎(chǔ)的傾斜率隨著[S/D]的增大而減小，當(dāng)[S/D=0.5]的情況下筒型基礎(chǔ)的傾斜率為6.25‰，隨著[S/D]的增大，筒型基礎(chǔ)傾斜率迅速下降；樁靴插樁所引起筒型基礎(chǔ)的位移也逐漸變小。

2.2 插樁對(duì)筒型基礎(chǔ)筒體應(yīng)力的影響

在樁靴插樁過程中會(huì)造成周圍土體的擠壓，臨近筒型基礎(chǔ)受到土體擠壓作用會(huì)產(chǎn)生較大應(yīng)力。圖14給出了不同[S/D]的工況下筒體接觸應(yīng)力分布情況。在不同[S/D]的工況下，筒體在靠近樁靴一側(cè)的筒裙接觸應(yīng)力最大，遠(yuǎn)離樁靴一側(cè)的筒裙應(yīng)力較小，且應(yīng)力以0°直線為軸基本呈對(duì)稱分布。

圖15為樁靴貫入至10 m后不同[S/D]工況下筒型基礎(chǔ)底部筒-土接觸應(yīng)力分布，由圖可知，筒型基礎(chǔ)底部接觸應(yīng)力呈軸對(duì)稱分布，其中靠近樁靴一側(cè)的應(yīng)力明顯大于遠(yuǎn)離樁靴一側(cè)的應(yīng)力。其中30°、90°、150°、210°、270°、330°處為分艙板與筒裙連接的位置，如圖15所示，與分艙板連接的筒裙底部的接觸應(yīng)力明顯大于其他部位，其原因是分艙板與筒裙連接處土體擠壓更明顯。此外，不同[S/D]工況下，筒底接觸應(yīng)力分布規(guī)律相似，但應(yīng)力大小隨[S/D]的增大逐漸減小。

圖16為樁靴貫入至10 m后不同[S/D]下筒型基礎(chǔ)頂部應(yīng)力分布，可看出[S/D=0.5]的工況土壓力分布規(guī)律明顯與其他4組工況有明顯不同，由圖10可看出，[S/D=0.5]的工況下，樁靴周圍土體的坍塌嚴(yán)重，導(dǎo)致土體與筒型基礎(chǔ)頂部接觸不充分，因此在330°～30°的范圍內(nèi)筒型基礎(chǔ)的應(yīng)力很小。其他4個(gè)工況筒型基礎(chǔ)頂部的土體并未產(chǎn)生明顯的坍塌現(xiàn)象，因此分布規(guī)律差異不大。在遠(yuǎn)離樁靴一側(cè)筒壁應(yīng)力[S/D=0.5]的工況明顯大于其他4組工況，當(dāng)[S/Dgt;0.5]時(shí)，筒型基礎(chǔ)頂部應(yīng)力，靠近樁靴一側(cè)的應(yīng)力值隨[S/D]的增大而減小，遠(yuǎn)離樁靴一側(cè)的應(yīng)力基本不隨[S/D]的增大而改變。筒頂部的應(yīng)力分布與底部分布規(guī)律不同的是，筒頂應(yīng)力分布的極大值點(diǎn)在0°、60°、120°、180°、240°、300°，即兩分艙板中間位置，分艙板與筒裙連接位置反而是極小值點(diǎn)。另一方面，在[S/D=1.0～2.5]的范圍內(nèi)，隨著[S/D]的增大，筒壁應(yīng)力在不斷減小，但應(yīng)力分布規(guī)律基本相似。

圖17為1#～3#路徑筒-土接觸應(yīng)力分布圖。一般情況下埋深為0 m位置即筒頂與筒壁相交處，筒-土接觸應(yīng)力會(huì)略大于臨近位置的筒壁的筒-土接觸應(yīng)力。但對(duì)于[S/D=0.5]的工況，由于基礎(chǔ)距離樁靴位置較近，筒頂周圍土土體發(fā)生回流而導(dǎo)致沿1#路徑的筒-土接觸應(yīng)力在埋深為0 m的位置處較小，其余4組工況，距離樁靴相對(duì)較遠(yuǎn)，筒頂周圍土體未發(fā)生回流，且由于埋深為0 m位置為筒頂與筒壁相交處，該處的筒-土接觸應(yīng)力會(huì)略大于臨近位置的筒壁的筒-土接觸應(yīng)力。沿1#路徑的筒-土接觸應(yīng)力僅在從筒頂至-1 m埋深的范圍內(nèi)有下降的趨勢(shì)，從埋深-1 m至筒底的范圍內(nèi)，由于土壓力隨著埋深的增大而增大，因此筒-土接觸應(yīng)力也隨著埋深的增大而增大。且筒-土接觸應(yīng)力隨著[S/D]的增大而減小。沿2#路徑的筒-土接觸應(yīng)力分布中，整體呈現(xiàn)出先降后增的趨勢(shì)，且隨著[S/D]的增大，筒-土接觸應(yīng)力也在減小。但其中[S/D=0.5]和[S/D=1.0]兩種工況筒-土接觸應(yīng)力變化規(guī)律更為復(fù)雜。沿3#路徑的不同[S/D]工況下的應(yīng)力分布規(guī)律相似，筒-土接觸應(yīng)力都是先從筒頂至-1 m埋深的區(qū)間先隨著埋深的增大而減小。且筒-土接觸應(yīng)力隨著[S/D]的增大而減小。此外通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)[S/D]相同的情況下，筒-土接觸應(yīng)力1#路徑＞3#路徑＞2#路徑。

3 結(jié) 論

本文基于物理模型試驗(yàn)和有限元法研究砂土中風(fēng)電安裝船樁靴插樁對(duì)臨近筒型基礎(chǔ)的影響，通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析，主要得出以下結(jié)論：

1）樁靴貫入砂土的過程中會(huì)對(duì)周圍土體產(chǎn)生擠壓，土體發(fā)生回流的同時(shí)也會(huì)引起泥面產(chǎn)生一定程度隆起，進(jìn)而影響到臨近筒型基礎(chǔ)產(chǎn)生一定位移。當(dāng)[S/D=0.5]的情況下筒型基礎(chǔ)的傾斜率達(dá)到6.25‰，隨著[S/D]的增大，樁靴貫入引起的臨近筒型基礎(chǔ)位移也逐漸變小。

2）樁靴插樁過程中會(huì)引起臨近筒型基礎(chǔ)筒體與土的接觸應(yīng)力，隨著[S/D]的增大筒-土接觸應(yīng)力逐漸減小。筒底筒-土接觸應(yīng)力值遠(yuǎn)大于筒頂?shù)膽?yīng)力值，其中30°、330°位置處的接觸應(yīng)力值最大，90°、270°位置處應(yīng)力值最小。

3）樁靴插樁過程中引起筒型基礎(chǔ)筒-土接觸應(yīng)力分布基本呈軸對(duì)稱分布，分析得到不同[S/D]工況下不同位置處（1#、2#、3#路徑）筒-土接觸應(yīng)力沿深度的變化規(guī)律。除[S/D=0.5]的工況外，其余工況在埋深為0 m（筒頂筒壁連接處）的筒-土接觸應(yīng)力會(huì)略大于臨近位置的筒壁接觸應(yīng)力。筒-土接觸應(yīng)力基本隨著埋深的增大而增大，且隨著[S/D]的增大而減小?？拷鼧堆?cè)的1#路徑筒-土接觸應(yīng)力明顯大于3#路徑、2#路徑。

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STUDY ON INFLUENCE OF SPUDCAN PENETRATION PILE ON

ADJACENT BUCKET FOUNDATION IN SANDY SOIL

Le Conghuan1，2，Hu Hao2，Wang Xin2，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）

Abstract：The influence of spudcan penetration of wind turbine installation vessel in sandy soil on adjacent bucket foundation was investigated by physical model tests and finite element method. Firstly， the physical model tests were conducted to verify the rationality of the finite element model， and it was preliminarily determined that the influence area of spudcan penetration in sandy soil was roughly 2.5 times the diameter of the spudcan. Based on the finite element CEL method， the influence of the ratio of the distance between the spudcan and the bucket foundation to the diameter of the spudcan （S/D） on the in-situ stability of the bucket foundation is further studied. The results show that the inclination rate， the maximum vertical displacement and the stress on the bucket wall of the bucket foundation gradually decrease with the increase of [S/D]. During the spudcan penetration process， the stress on the bucket skirt and the compartment plate at the side near the spudcan is much greater than that at the side away from the spudcan， and the earth pressure at the top of the bucket foundation is much smaller than that at the bottom of the bucket foundation.

Keywords：offshore wind power； jack-up installation vessel； numerical simulation； spudcan penetration； bucket foundation