考虑冲刷的单桩水平极限承载力预测模型研究_詹懿德.pdf

第 18 卷增刊 2地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol.182022 年 12 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringDec.2022考虑冲刷的单桩水平极限承载力预测模型研究詹懿德1,沈佳轶1,2,陈家旺1,3,张强4,5(1.浙江大学 海洋学院,浙江 舟山 316000;2.浙江大学 浙江省海洋岩土工程与材料重点实验室,杭州 310058;3.浙江大学 海南研究院,海南 三亚 572025;4.中国电建集团 华东勘测设计研究院有限公司,杭州 311122;5.浙江华东工程咨询有限公司,杭州 311122)摘要:冲刷对海上风电单桩基础的水平承载力影响显著,目前缺乏长径比对冲刷下单桩水平承载力的影响规律研究。开展冲刷下单桩水平受荷数值模拟,研究长径比对冲刷下单桩水平极限承载力的影响规律,结果表明:(1)冲刷深度为 0.5D,1D 和 1.5D 时,相较于无冲刷情况,单桩水平极限承载力分别下降至少 16%,29%和 40%;(2)提出单桩水平极限承载力弱化因子 量化长径比对冲刷下单桩水平极限承载力的影响规律,当长径比 L/D10 时,弱化因子 随长径比 L/D 的增加而增大,在长径比 L/D10 时,弱化因子 趋于稳定;(3)基于弱化因子 构建考虑冲刷的单桩水平极限承载力预测模型,预测结果的相对误差小于 8%。该模型能为海上风电项目中单桩基础设计提供理论参考。关键词:全局冲刷;单桩基础;水平极限承载力;长径比;数值模拟中图分类号:TU473.1文献标识码:A文章编号:1673-0836(2022)增 2-0596-07Study on Prediction Model of Ultimate Lateral Bearing Capacity of Monopile Considering ScourZhan Yide1,Shen Jiayi1,2,Chen Jiawang1,3,Zhang Qiang4,5(1.Ocean College,Zhejiang University,Zhoushan,Zhejiang 316000,P.R.China;2.Key Laboratory of Offshore Geotechnics and Material of Zhejiang Province,Zhejiang University,Hangzhou 310058,P.R.China;3.Hainan Institute,Zhejiang University,Sanya,Hainan 572025,P.R.China;4.Hydro-china Huadong Engineering Co.,Ltd.,Hangzhou 311122,P.R.China;5.Zhejiang East China Engineering Consulting Co.,Ltd.,Hangzhou 311122,P.R.China)Abstract:Scour has a significant effect on the lateral bearing capacity of offshore wind power monopile foundations.At present,there is lacking of research on the effect of the slenderness ratio on the lateral bearing capacity of monopile.Numerical simulations were carried out to study the effect of the slenderness ratio on the ultimate lateral bearing capacity of monopile considering scour.The results indicated that:(1)When the scour depth was 0.5D,1D,and 1.5D,the ultimate lateral bearing capacity of monopile decreased by at least 16%,29%,and 40%,respectively,compared with that without scour.(2)The effect of the slenderness ratio on the ultimate lateral bearing capacity of monopile considering scour was quantified by the proposed weakening factor.When the slenderness ratio L/D was less than 10,the weakening factor increased with the increase of the slenderness ratio L/D.When the slenderness ratio L/D was equal to or greater than 10,the weakening factor tended to be stable.(3)The prediction model of the ultimate lateral bearing capacity of monopile considering the scour effect was built based on the weakening factor.The relative error of prediction results was less than 8%.This prediction model can provide a theoretical reference for the design of monopile foundations in offshore wind power projects.收稿日期:2022-05-11(修改稿)作者简介:詹懿德(1998),男,湖北大冶人,硕士生,主要从事海洋岩土工程研究。E-mail:21934119 通讯作者:沈佳轶(1983),男,浙江杭州人,博士,副教授,主要从事岩土工程研究。E-mail:jiayi 基金项目:浙江省联合重点基金项目(LHZ22E090002);浙江省重点研发项目(2021C03183);崖州湾科学城项目(SKYC-2020-01-001);海南省重大项目(ZDKJ202019)Keywords:global scour;monopile foundation;lateral ultimate bearing capacity;slenderness ratio;numerical simulation0引言海上风电项目建设在我国能源绿色转型发展中占据重要地位1。作为海上风电项目中最为常用的桩基础2-4,在风、浪、流等环境荷载作用下,单桩 基 础 所 受 水 平 荷 载 能 达 到 重 力 荷 载 的60%5,桩 周 的 冲 刷 深 度 能 达 到 1.5D(D 为 桩径)6,而严重的桩周冲刷会影响单桩的水平承载能力,进而造成基础失效7。因此,研究冲刷对单桩水平承载特性的影响规律具有重要的工程意义。目前,许多学者就考虑冲刷影响的单桩水平承载力展开了深入研究。在冲刷坑形态方面,Kong等8,何泓男等9和 Mostafa 等10研究了全局冲刷和局部冲刷对单桩水平极限承载力的影响规律,指出全局冲刷下的单桩水平极限承载力约为局部冲刷下的 50%70%。由此说明全局冲刷下所得单桩水平极限承载力最为保守。在实际工程中,桩周冲刷坑形态并不规则11,采用特定的局部冲刷形态可能会高估桩基的承载能力,因而工程设计中多采用以桩周最大冲刷深度为参考的全局冲刷12。此外,众多学者研究了桩参数13、土体参数10和环境因素14等对冲刷下单桩水平承载力的影响规律,发现桩径、长径比(埋深比桩径)和冲刷深度对单桩水平承载力的影响非常显著。Lin 等15基于数值模拟研究,指出当桩径扩大两倍,冲刷下单桩水平承载力会下降 15%25%。田佩三13结合试验和数模,指出冲刷会使得单桩水平承载力下降约50%。但是,目前还没有关于长径比对冲刷下单桩水平承载力的影响规律研究。在无冲刷情况下,孙永鑫16发现当长径比小于 8 时,相同荷载下的桩顶水平位移随着长径比的减小而显著增大。由此可见,长径比对单桩水平承载力具有显著影响。上述研究表明,当前缺乏长径比对冲刷下单桩水平承载力的影响规律研究。因此,基于 ABAQUS软件,构建全局冲刷下单桩水平承载力分析数值模型,开展不同长径比下单桩水平受荷数值模拟,提出单桩水平极限承载力弱化因子 用于量化长径比对冲刷下单桩水平极限承载力的影响规律,构建考虑冲刷影响的单桩水平极限承载力预测模型,并基于试验数据验证该预测模型的可靠性。1ABAQUS 桩土数值模型基于三维有限元软件 ABAQUS,以现场单桩水平静载试验数据为依据,构建三维桩土模型,开展单桩水平受荷数值模拟,验证模型参数的合理性及模型用于单桩水平受荷分析的可靠性。1.1构建单桩水平受荷数值模型Cox 等17在 Mustang Island 开展了一系列单桩水平静力载荷现场试验,该试验选用外径 D 为0.61 m 的钢管桩,壁厚 t 为 9.525 mm,桩入土深度 L 为 21 m,长径比 L/D 约为 34.4,水平力受力点位于泥面以上 0.3 m 处。该试验被众多学者用于验证单桩水平受荷数值模型的可靠性7,18。以该现场试验数据为依据,基于 ABAQUS 软件构建三维桩土模型,如图 1 所示。在构建数值模型时,桩的本构模型采用线弹性模型,桩的弹性模量会根据截面抗弯刚度进行相应的修正16,见式(1)。土的本构模型采用线弹性模型7和摩尔库仑塑性模型18,相关参数见表 1。桩土相互作用采用法向“硬接触”,切向“罚函数”进行设置。罚摩擦系数设置为 tan(0.5)7,桩土之间的相对位移容差设置为 2 mm18。Ep=EpIpIp(1)式中:Ep,Ip为管桩的弹性模量与截面惯性矩;Ep,Ip为等效后实心桩的弹性模量与截面惯性矩。图 1基于 ABAQUS 的三维桩土模型Fig.1Three-dimensional pile-soil model based on ABAQUS7952022 年增刊 2詹懿德,等:考虑冲刷的单桩水平极限承载力预测模型研究表 1ABAQUS 模拟的现场试桩模型参数Table 1Parameters for field test pile model in ABAQUS桩参数数值土参数数值桩径 D/m0.61 有效重度/(kNm-3)10.4壁厚 t/m0.01有效内摩擦角/()39埋深 L/m21膨胀角/()9受力点距泥面高度 h/m0.3泊松比 v0.3等效弹性模量Ep/GPa26.2黏聚力 c/kPa0.1密度/(kgm-3)7 850静止土压力 K00.4泊松比 0.3参考模量 E0/MPa120指数参数 n0.51.2校准单桩水平受荷数值模型对已建好的现场试桩模型,开展单桩水平受荷数值模拟,所得各水平力作用下桩土模型的水平荷载位移曲线,如图 2 所示。可以看到,数值模拟结果与现场试验结果相符得很好,由此也说明了基于 ABAQUS 软件所构建的单桩水平受荷分析数值模型的可靠性及所选用模型参数的合理性。2考虑冲刷的单桩水平承载特性考虑冲刷的影响为全局冲刷,构建不同长径比和冲刷深度下的桩土冲刷模型,开展单桩水平受荷数值模拟,研究长径比对冲刷下单桩水平极限承载力的影响规律。图 2Mustang Island 现场试验数据与数值模型结果对比Fig.2Comparison of field test dataat