前言
单桩基础具有标准化制作、海上施工效率高、经济性等优势。因此,它是国内外海上风电市场中最常见的桩型。单桩基础对现场施工质量、垂直度控制要求非常高。在施工期内,由于受到风浪、洋流及潮汐等非稳定环境因素影响,加之复杂海床地质条件制约,沉桩时桩基很容易发生倾斜;在运行期内,由于环境荷载和结构荷载的长期作用以及海水对钢管的侵蚀,单桩基础的整体稳定性受到非常大的挑战。施工期内对单桩基础的变形要求主要通过先进的施工设备和施工技术实现,运行期内对单桩基础的变形要求则通过合理的桩基础设计方案来保证。
一般情况下,要求单桩的平面度不超过50cm,施工期泥面转角不超过0.25°,运行期总泥面转角不超过0.5°。除此之外,根据规范要求,桩基设计应复核正常使用工况下的单桩基础顶部和泥面处变形特征和基础整体刚度以及极端工况下的承载力、桩身结构强度和稳定性。在海上极端环境中,单桩基础主要承受风机荷载、波浪荷载、洋流荷载和冰荷载等多种不利环境荷载。在明确最不利荷载组合时,荷载的分项系数可参照《海上风电场工程风电机组基础设计规范》取值。
工程应用
经过长期的项目经验积累,单桩基础设计已可通过FISH语言实现标准化建模、自动化计算、批量后处理。本文以国内某海上风电项目中的单桩基础来简要说明, FLAC3D软件复核单桩基础承载性能这一标准化的数值分析过程。图 1为FLAC3D中大直径单桩基础的数值模型。单桩直径为6.5米,桩长为50米,桩底高程为-38米,平均壁厚为0.080米。
图 1: FLAC3D中大直径单桩基础的数值模型
海床土体的力学响应可通过预定义的本构模型来描述,本文中采用摩尔-库伦模型。一般情况下,摩尔-库伦模型可用少量的参数较准确的模拟土体的力学响应特征。该模型使用的常规物理力学参数有:线弹性参数(体积模量和剪切模量或者杨氏模量和泊松比)、抗剪强度(有效摩擦角和有效粘聚力)、剪胀角以及极限抗拉强度。图 2描述了FLAC3D中摩尔-库伦模型的强度破坏准则。
图 2: FLAC3D中摩尔-库伦模型强度破坏准则
单桩采用结构单元Liner模拟。它能有效模拟桩-土之间相互作用,实现桩土分离。通过Liner单元表面内置的法向和切向耦合弹簧,可分别考虑单桩桩周水平向抗力和竖直向侧摩阻力。图 3给出了结构单元Liner表面法向弹簧和切向弹簧的应力-应变关系曲线。弹簧参数可依据经验取自桩周土体,并进行相应折减。
图 3: Liner单元表面法向和切向耦合弹簧应力-应变关系
结果分析
通过加载(风机荷载和波浪荷载)后,得到下列部分结果,分别为:沿桩身变形特征(正常使用工况)、沿桩身受力分布(极端承载工况)以及海床土体塑性区(极端承载工况)。根据规范要求,正常使用工况下,单桩基础的泥面转角不能超过0.25°≈0.00436rad;极端工况下,桩端位移小于10mm,且桩端塑性区应在合理范围内。计算结果显示,该单桩设计方案满足规范要求。
图 4:单桩的横向位移、竖向位移和转角分布图(正常使用工况)
图 5:单桩的竖向压力、剪力和弯矩分布图(极端承载工况)
图 6:桩周岩土塑性区分布图(极端承载工况)
相关内容:《海上风电场桩基础分析与FLAC3D(一):背景介绍》
致谢
感谢中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司新能源工程院对我司海上风电领域相关工作的大力支持。