桶长对吸力桶基础承载特性影响的数值模拟研究

胡大石，王欣怡，周菊敏，阮 建，李宗泽

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311100；2.浙江华东工程咨询有限公司，浙江 杭州 311100；3.浙江大学海洋学院，浙江 舟山 316021)

0 引 言

我国海上风电产业正处于飞速发展的黄金时期，吸力桶基础作为一种新型海上风电基础类型，相对于大直径单桩基础和重力式基础等传统海上风电基础，具有成本低、施工方便等优点[1]，近年来已被应用于全球多个大型海上风电项目[2]。

吸力桶基础的主要组成部分为无底的桶形结构，通过抽水抽气形成桶内外负压，从而控制吸力桶基础的高程，在需要移动基础时，也可以通过充气将桶基础提起。吸力桶基础作为海洋平台基础，一般需要承受较大的平台荷载，其承载特性也直接影响了基础的稳定性，国内外许多学者对吸力桶基础的承载特性开展了相关研究[3-8]。王庚荪等[3]根据土体的简化弹簧模型，提出了估算不同荷载作用下桶顶位移的方法。武科等[4]利用数值模拟的方法分析了吸力桶基础在滩涂上的承载特性。刘晟等[5]通过静载单桶模型试验得到了吸力桶基础在竖向与横向荷载下的载荷-位移曲线。

针对不同的工况环境，吸力桶基础发展出了不同的类型与多种尺寸，但目前仍缺乏针对不同吸力桶承载特性的差别与土体破坏情况的系统研究。为此，本文以某海域海上风电工程导管架吸力桶基础为研究对象，采用ABAQUS有限元数值模拟软件，开展不同桶长的吸力桶基础承载特性研究。

1 吸力桶模型

本项目吸力桶导管架基础结构安全等级为一级，参照国内外海上风电机组基础设计经验进行设计，基础设计使用年限为27 a。吸力桶导管架基础组成部分包括导管架主体和4个吸力桶，导管架主体部分高约35 m，顶部四支撑柱中心间距12 m×12 m，底部四筒心间距为20 m×20 m。筒体部分高为8.5 m，直径9.5 m。吸力桶导管架基础见图1。

图1 导管架吸力桶基础

2 吸力桶有限元数值模型

通过ABAQUS软件，建立吸力桶基础单桶结构有限元数值计算模型。考虑到基础与土体结构和荷载作用均存在对称性，为便于计算，选取整体的1/2进行研究。吸力桶基础ABAQUS数值模型见图2。

图2 吸力桶基础ABAQUS数值模型

整个模型采用C3D8R单元进行网格划分，吸力桶桶径D取9.5 m，厚度取0.2 m。为避免土体边界效应的影响，取土体的直径为10D，高度为6D。土体采用摩尔-库伦弹塑性本构模型，吸力桶基础采用弹性模型。为模拟吸力桶的负压，使用内置区域进行约束，将吸力桶区域设置为嵌入区域，土体设置为主结构[9]。在赋予水平与竖直集中力之前，通过对初始模型赋予重力进行计算得到地应力。导入获得的地应力作为该模型初始应力场，再反复计算直至模型整体竖向沉降小于10-4m，得到该模型在地应力平衡下的初始状态。依据地质勘测资料，吸力桶基础及土体物理力学参数见表1。

表1 吸力桶基础及土体物理力学参数

3 吸力桶基础承载特性影响研究

3.1 水平承载

在吸力桶基础顶面中心施加水平位移荷载，得到桶顶水平位移-荷载曲线，见图3。从图3可知，吸力桶长为8.5 m时，桶顶水平位移在0～0.03 m范围内吸力桶基础承受的水平荷载由0增加至5 980 kN。当桶顶水平荷载大于0.03 m时，基础承受水平荷载随水平位移增加幅度极小，因此取该点对应的荷载5 980 kN为水平极限荷载。用相同方式得到桶长17 m与桶长25.5 m吸力桶基础的水平极限承载力分别为11 570 kN与29 278 kN。

图3 吸力桶水平位移-荷载关系

绘制水平极限承载力随桶长变化曲线，见图4。从图4可知，当桶长从8.5 m增加至17 m时，水平极限承载力增幅为93.5%；而桶长从17 m增加至25.5 m时，水平极限承载力增幅为153.1%。因此，吸力桶基础的水平承载力随桶长增加而增加，且当桶长较大时，水平承载力增幅也较大。这是由于吸力桶基础的水平承载力主要由吸力桶周土体提供，当吸力桶桶长较大时，能够有更大体积的土体为基础提供支撑，且地基中下层土体相对上层土体强度更大，因此较长桶长的吸力桶基础水平承载特性更好。

图4 吸力桶基础水平承载力-桶长关系

图5为1 050 kN水平荷载下3种桶长吸力桶基础位移云图。从图5可知，水平荷载下，不同桶长吸力桶基础上端土体产生与荷载同向位移，底部土体则出现相反的位移，即吸力桶桶体发生了转动，且转动中心位于吸力桶底以上。

图5 不同桶长吸力桶基础位移云图

3.2 竖向承载

由于本项目的海上升压站上部组块质量约为8 000 t，因此在吸力桶基础顶面施加80 000 kN竖直荷载进行数值模拟分析。不同桶长的吸力筒基础竖直荷载-沉降量曲线见图6。从图6可知，不同桶长吸力桶基础在竖直荷载作用下，沉降量均随荷载的增大均匀增加。当荷载为 40 000 kN时，桶长8.5 m的吸力桶基础沉降量为0.04 m；当桶长分别为17 m与25.5 m时，基础沉降量为0.12 m与0.19 m。当荷载达到 80 000 kN时，桶长8.5 m基础沉降量为0.26 m，而桶长为17 m与25.5 m时的基础沉降量分别为0.43 m与0.63 m。

图6 吸力桶竖直荷载-沉降量关系

图7为不同竖直荷载作用下吸力桶基础沉降量随桶长变化规律。从图7可以看出，不同竖直荷载下，吸力桶基础沉降量与桶长均近似成线性关系。这是由于吸力桶基础的竖直承载力一般取决于桶底地基强度与桶侧壁与土体的侧摩阻力，当桶长增加，桶周侧摩阻力的增加导致基础竖直承载力的线性增大。

图7 竖直荷载下吸力桶基础沉降量-桶长关系

在竖直荷载80 000 kN下，不同桶长吸力桶基础位移云图见图8。从图8可知，不同桶长吸力桶基础土体位移情况相似，桶底存在勺形区域土体发生了较大位移，桶周土体在桶内外压力差与桶周侧摩阻力的作用下跟随桶体向下位移。由此分析，吸力桶基础的破坏方式为桶底土体形成勺形破坏区，桶周土体发生剪切破坏。

图8 不同桶长吸力桶基础位移云图

吸力桶边缘与吸力桶中心区域的土体应力随埋深变化见图9。从图9可知，竖直荷载作用下，吸力桶基础周围各处土体应力均随深度的增加先增大后减小，在桶长分别为8.5、17、25.5 m时，吸力桶边缘土体峰值应力为2 086、2 557、2 691 kPa。吸力桶中心土体土体峰值应力分别为1 677、1 820、1 838 kPa。随着桶长的增加，吸力桶基础不同区域土体峰值应力均增加，且吸力桶边缘土体应力峰值位置在桶底附近，而中心土体应力峰值位置高度略低于桶底。

图9 竖直荷载下土体应力变化

桶长对不同区域土体峰值应力的影响规律见图10。从图10可知，吸力桶边缘土体峰值应力显著高于中心，且当桶长从8.5 m增加至17 m与25.5 m时，吸力桶边缘土体应力峰值增幅分别为79%与68.3%，中心土体增幅仅有29.3%与5.24%，说明桶长对吸力桶边缘峰值应力影响较大，但对中心影响较小。

图10 土体峰值应力

4 结 语

本文以某海域海上风电工程导管架吸力桶基础为研究对象，采用ABAQUS有限元数值模拟软件，对不同桶长吸力桶基础的承载特性进行研究，得到以下结论：

(1)水平荷载下，桶长为8.5、17、25.5 m吸力桶基础极限水平承载力分别为5 980、11 570、29 278 kN，水平承载力随桶长增加而增加，且增幅越来越大。

(2)水平荷载下，吸力桶基础上端土体产生与荷载同向位移，底部土体则出现相反的位移。

(3)相同竖直荷载80 000 kN下，桶长8.5、17、25.5 m吸力桶基础的沉降量分别为0.26、0.43、0.63 m，沉降量与桶长近似呈线性正相关。

(4)竖直荷载下，吸力桶底土体形成勺形破坏区，桶周土体发生剪切破坏。土体应力峰值随桶长的增加而增加，且边缘土体应力峰值显著大于中心土体。