基于ABAQUS的某滩涂风...低承台群桩基础承载特性研究_徐盼龙.pdf

岩土工程77第1 期（总第261 期）基于 ABAQUS 的某滩涂风电低承台群桩基础承载特性研究徐盼龙 （中铁四院集团南宁勘察设计院有限公司，广西 南宁 530003）摘 要 以江苏某滩涂风电场项目为研究背景，采用ABAQUS有限元软件对低承台群桩基础进行了三维有限元模拟，开展了低承台群桩基础在竖向荷载作用下的承载特性研究。结果表明，风机基础的竖向极限承载力约为18.5MN；竖向荷载下外圈桩的桩身轴力随埋置深度的衰减速率快于内圈桩，同级荷载下外圈桩的桩顶轴力大于内圈桩，桩端轴力则差别很小；荷载较小时，内圈桩桩身轴力在距桩顶一定深度内几乎没有变化，承台的存在削弱了桩侧摩阻力的发挥。研究结果可为低承台风电群桩基础的设计和施工提供参考依据。关键词 低承台群桩基础；软土；数值模拟；竖向承载力 0 引言伴随着全球经济的快速发展，能源和环境问题日渐严峻，作为绿色可再生能源的海洋和滩涂风电开发已经成为我国新能源发展的主要趋势之一。全国范围内，大型风电场建立在典型的软土地基上的比例很大，建在这种地基上的群桩基础如果处理不当，将会逐渐引起风电机组不均匀沉降的累积，降低风电机组安全服役性能和使用寿命，甚至导致整个风电机组失效破坏，威胁生命财产安全，理应得到工程施工设计人员的高度重视。当前，国内外关注的重点主要是海上高承台群桩承受水平荷载的情况，而软土中低承台群桩承受竖向荷载的研究论文却较为少见。基于此，以江苏某滩涂风电群桩基础为例，采用ABAQUS有限元软件对低承台群桩基础进行三维有限元模拟，建立低承台群桩有限元模型，分析低承台群桩在竖向荷载作用下的承载力和桩身轴力特性，为设计施工提供参考建议。1 工程概况 该风电场位于江苏沿海滩涂地区，工程南北方向长度约21km，东西长度35km，总装机容量为200MW，安装134台单机1.5MW的风力发电机。该地区地貌为黄海潮间带滩涂地貌单元，整个场区的分布大体呈现T字型，场区内的沟渠为根状型分布，地势平坦开阔，海拔高度一般为25m。土海堤路位于场区西侧，外靠一条宽38m的咸水河。根据钻孔勘察的资料，场区勘探的深度范围上部层为第四系全新统（Q4）冲海相粉土及海相淤泥质软土，下部为晚更新世（Q32）陆相、滨海相沉积物。依据岩土勘察土的分类，自上而下可分为7层：素填土、淤泥质粉质黏土、粉砂夹砂质粉土、粉砂、粉质黏土、淤泥质粉质黏土夹砂质粉土、粉砂。地下水位位于地表以下约1.5m。由上述土层信息可知场区内的地基土主要为淤泥质粉质黏土、粉砂和粉质黏土类型，且地下水位很浅，土层含水量大，压缩性高，抗剪强度低，承载力低，为典型的软土地区。而风电基础对承载力及沉降变形要求较高，该地区难以选做风机的天然基础。与其他基础形式相比，桩基础凭借承载能力高、变形小、抗震性能好等特点，能够较好地承担风机运行时各种荷载组合的作用，因此，该工程优先采用桩基础作为风机基础。根据设计要求，风机基础采用圆盘形状，直径为18m，圆盘埋深为2.5m，厚度为2m，圆盘上圆墩直径为8m，高为0.5m。圆盘下群桩采用30根外径600mm预制PHC桩，分为内外两圈布置，其中外圈沿圆盘承台均匀布置24根，内圈6根。桩长依据风机建设位置上所承载的土性的不同，可分为1118m不等，具体基础布置如图1所示。作者简介：徐盼龙（1994），男，硕士，助理工程师，研究方向为岩土工程、桩基础。岩土工程2023 年78（a）俯视图（b）剖面图图1 某滩涂风机群桩基础布置示意图2 有限元计算参数确定与模型的建立2.1 模型尺寸及计算参数由于该风机基础主要穿越粉质黏土等深厚软弱地层，为了安全起见和简化计算，有限元建模时，将第层粉质黏土层作为地基土的主要组成。土体本构模型采用摩尔-库伦模型，根据现场钻孔提供的勘测报告，该风机点位下的粉质黏土重度为19.65kN/m3，孔隙比为0.77，黏聚力为28kPa，内摩擦角为25.7，泊松比为0.38，弹性模量约为66.3MPa。承台、桩体和塔筒材料采用弹性本构模型，承台和桩身混凝土强度为C80，密度2400kg/m3，弹性模量取38GPa，泊松比取0.22，桩长取为18m。为方便荷载的施加，承台顶面固接2m高的塔筒，塔筒为高强度钢材，弹性模量取210GPa，泊松比取0.3。由于地基土体是半无限性空间体，实际建模确是有限的，为了平衡计算精度和效率，根据已有文献和工程设计经验1-2，土体水平方向可取承台尺寸的2.55.0倍，按90m计算，土体竖直方向计算范围一般为桩长的1.52.0倍，可取31m，则整个土体尺寸为90m90m31m。2.2 单元类型及有限元网格划分整个模型均采用三维六面体八节点减缩单元（C3D8R），采用扫掠、中性轴算法划分网格。划分网格时，为了平衡计算精度和效率，本着疏密的原则，承台、基桩和周围土体是有限元计算分析的关键位置，这部分区域网格划分得较为精密，在远离基础的外部区域，对研究结果影响较小，网格就划分得相对粗糙。经过多次尝试划分，模型的有限元网格如图2所示，共建立71592个单元和85396个节点。由于基桩桩顶和承台底部为混凝土整体灌注，刚度较大，变形协调，采用绑定连接，基桩桩端与土体也采用绑定连接，而承台侧面与土体、桩侧与土体之间存在相互滑移错动，变形较大，故设置接触面单元，法向接触均采用硬接触，切向采用摩擦接触，摩擦系数取0.313。（a）桩体模型 （b）桩体和土体模型图2 群桩基础有限元模型图2.3 边界条件和地应力平衡有限元模型为轴对称模型，在与X轴垂直的平面水平位移为0，边界条件为ux=0；与Y轴垂直的平面水平位移为0，边界条件为uy=0；土体底面为固支边界条件，与之垂直的3个方向位移都为0，即ux=uy=uz=0。土体上表面为自由边界，不设约束。由于土体和群桩在自重作用下会有很大的竖向位移及内部应力，竖向应力最大量值甚至可达兆帕级别，并且随着埋置深度的增加应力作用更加显著。在实际工程中，土体的固结在其自重作用下早已完成，在施工结束一段时间之后，可认为群桩与土体之间的相对位移很小，甚至不存在，桩土系统整体的初始位移为零。然而岩土体内的应力依然存在，直接建立模型计算并不能很好地模拟实际的桩土应力情况，因此进行桩土地应力平衡就很有必要。为了模拟风机基础实际工况，需要在对土体施加重力荷载前，先让土体拥有一个初始应力场，使初始应力场与将要加载的重力相平衡，且土体位移量趋近于0。通过尝试多种地应力平衡方法，决定采用OBD连续导入来进行平衡。2.4 荷载的简化与施加该次建立的有限元模型主要研究竖向荷载对风机基础承载特性的影响，不考虑所受到的水平荷载，岩土工程79第1 期（总第261 期）因此风机基础上所作用的荷载由竖向静载和竖向外部荷载2部分组成。建模时，在塔筒顶面中心上方添加一个荷载参考点，参考点与塔筒顶面用Coupling命令进行耦合，竖向力荷载就等效施加在塔筒整个顶面上，方便进行面荷载与点荷载的转换。风机主要由机舱、叶轮和塔筒3部分组成，以场区采用大连重工生产的FL1.5MW风电机组为例，根据厂商提供的参数，其轮毂高度为90m，叶轮直径为70.5m，对风机基础施加的竖向总静荷载约为2.1MN。3 有限元计算结果与分析3.1 竖向荷载下的荷载-位移曲线风机群桩基础竖向总荷载-位移曲线如图3所示，可以看出随着施加荷载的逐渐增大，群桩基础的整体竖向位移也越来越大，位移增长速率呈现出先大后小的特征，但并没有出现非常明显的拐点，表明其承载力是逐渐发挥出来的。图3 竖向荷载下的群桩荷载-位移曲线根据我国在2007年颁布的 风电机组地基基础设计规定（试行）（FD 0032007）中规定4：风机按轮毂高度的不同，塔架整体的倾斜范围应控制在0.17 0.34。则该滩涂风电机组塔架在荷载作用下的累积倾斜度可根据式（1）近似计算得到5：=arctan（S/D）（1）式中：S为风机基础的沉降；D为风机基础的外径；为风机基础的倾斜角度。在该项目设计中，风机轮毂高度为90m，风机基础允许的最大倾斜角度取较小值=0.17，风机群桩基础的外径D=18m，代入式（1）可以得出，该风机群桩基础的最大沉降量约为50mm，此时荷载-位移曲线中所对应的群桩基础极限抗压承载力Pu约为18.5MN。3.2 竖向荷载下的桩身轴力不同基桩桩身轴力沿深度的分布情况反映出各自的荷载传递规律，对于该项目风机基础，基桩主要分为内圈桩和外圈桩2种。在风机桩顶竖向静压荷载作用下，基桩凭借自身的刚度和与土体的摩擦作用将荷载传递到桩周土体之中。图4为竖向静载下风机群桩基础中内圈和外圈基桩桩身轴力随埋置深度变化曲线。（a）内圈桩（b）外圈桩图4 竖向荷载下的群桩桩身轴力分布图由图4可以得出以下结论：（1）无论是内圈桩还是外圈桩，桩身轴力都呈现出随埋置深度的增加而逐渐递减的趋势，在桩端处的轴力虽然较小，但是依旧不能忽视。岩土工程2023 年80（2）当基础顶施加的总荷载较大时，桩身轴力沿深度减小的速率也越大，最后曲线基本呈线性减小。这是因为随着荷载的逐级增大，桩和土之间的相对位移也在慢慢变大，表现出桩侧摩阻力的增强，因此桩身轴力减小速率加大。（3）对于内圈桩，在桩身深度6m范围内，当施加的荷载较小时，轴力几乎没有变化，当荷载为28MN远超过18.5MN的极限承载力时，桩身轴力才开始变化。这是因为基础破坏之前时，由于基础承台的存在，限制了承台下一定范围内桩土之间的相对位移，内圈桩的摩阻力还没有发挥出来，而外圈桩离承台边缘很近，摩阻力发挥得较快，这也说明承台的存在可削弱桩侧摩阻力的发挥。（4）比较图4（a）和图4（b）可知，外圈桩的桩顶轴力大于内圈桩，桩端轴力几乎相等，并且桩身轴力的减小速率也快于内圈桩。这是由于内圈桩处于群桩基础承台中心且桩数较少，外圈桩和桩周土体对内圈桩有种类似包裹牵制的作用，故内圈桩桩侧摩阻力难以发挥出来。（5）当施加在内圈桩和外圈桩的荷载达到一定值时（内圈桩42MN，外圈桩28MN），再增加荷载曲线也基本完全重合，这是因为群桩基础已经达到破坏状态，当外圈桩达到承载力极限时，内圈桩还没破坏，承台下的土体和桩侧摩阻力继续发挥，直到也达到极限状态。当桩顶荷载足够大时（如49MN），群桩基础处于完全破坏状态，承载力几乎不再增加。4 结论以江苏某沿海滩涂风电场低承台群桩基础工程为例进行了研究，采用ABAQUS有限元软件对实际工程中的低承台群桩基础进行了三维有限元模拟，可得到如下结论和建议：（1）竖向荷载作用下外圈桩的桩身轴力随埋置深度的衰减速率快于内圈桩，同级荷载下外圈桩的桩顶轴力大于内圈桩，桩端轴力则差别很小。（2）荷载较小时，内圈桩桩身轴力在距桩顶一定深度内几乎没有变化，承台的存在削弱了桩侧摩阻力的发挥。（3）外圈桩先于内圈桩达到承载力极限状态，破坏首先发生在外圈桩上。当桩顶荷载足够大时，群桩基础完全破坏，承载力不再增加。综上所述，本文模拟的低承台群桩基础主要由外圈桩承载，在符合相关规范的条件下，建议加强外圈桩的强度和刚度，尽量使外圈桩靠近承台的边缘，以充分发挥桩间土的承载能力。在进行群桩基础的建设施工前，建议有关单位开展针对性的数值模拟来对比分析其承载性能，同时采取相应的措施防范可能产生的风险。参考文献1 吴鸣,彭雅洁,颜爽.层状地基中大直径超长群桩的承载特性研究J.汕头大学学报（自然科学版）,2018,33（3）:62-71.2 陈培震,栾茂田,罗强.大直径超长群桩有效桩长问题的有限元参数分析J.中国科学院研究生院学报,2012,29（3）:307-311.3 许宏发,吴华杰,郭少平,等.桩土接触面单元参数分析J.探矿工程（岩土钻掘工程）,2002（5）:10-12.4 风电机组地基基础设计规定（试行）:FD 0032007S.北京:水利水电规划设计总院,2007.5 陈仁朋,任宇,陈云敏.基于沉降控制的竖向下压循环荷载作用下的桩基设计方法J.岩土工程学报,2015,37（4）:622-628.难度较大，且安全系数较低，因此采用自平衡法对其单桩竖向抗压极限承载力进行检测。（2）采用自平衡法对砂土为主地质条件下的基桩进行检测，该桩的端阻力得到了很好的