中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 杭州 311122
摘要：海上风电多桩基础受上部风机荷载和海洋环境影响，在长期循环荷载作用下，桩基竖向承载能力呈现一定的弱化趋势。为此，本文对海上风电多桩基础桩基竖向承载力循环弱化进行相关概述，旨在提升海上风电多桩基础的结构和安全稳定性，降低工程风险，以期为设计人员提供帮助。
关键词：海上风电；桩基竖向承载力；循环弱化
前言：随着社会经济与科技水平的稳定增长，海上风电项目得到了国家的高度重视。目前，我国在建或已建的海上风电项目均位于近海海域，风机基础在风机荷载和海洋环境等长期循环荷载作用下，多桩基础桩基竖向承载能力呈现一定的弱化趋势。为切实保障海上风电项目的安全性及经济性，相关技术人员也应从海上风电多桩基础桩基竖向承载力循环弱化入手，通过一系列诸如水平静荷、循环静荷等试验，切实提升海上风电多桩基础桩基竖向承载力，将承载力循环弱化的风险性降低到可控范围之内。
1、海上风电多桩基础竖向承载力循环弱化研究的重要性
社会发展与资源保护之间的矛盾日益激化，使得应用海上风电发电等可再生资源的开发项目得到了快速发展。我国沿海的海岸线长，且海域面积广阔，风能资源较优，具有较好的开发和利用价值，相较于其他国家而言，海上风电具有更好的开发潜力和发展前景。由于近海区域海况条件和地质结构复杂，海上风电桩基础竖向承载力受到风、海浪及其他动力设备的荷载力，出现循环弱化的特征[1]。为从根本上提升海上风电项目的经济效益、安全效益及服务效益，设计人员应在现有的技术水平之上，从海上风电桩基础竖向承载力循环弱化的机理入手，基于海上风电项目自身特征及需求，构建起更加完善的海上风电桩基础建设及维护方案，延长海上风电项目的全生命周期。
2、海上风电多桩基础竖向承载力中的饱和粘土强度循环弱化分析
2.1构建竖向承载力饱和粘土强度循环弱化模型
为更好的还原和模拟循环荷载过程，可在桩基础周边饱和粘土不排水的条件下，构建海上风电多桩基础竖向承载力饱和粘土强度循环弱化模型，应用积累塑性应变理论，对粘土结构中的强度变化及损失进行全面的模拟和分析，计算软土结构不排水强度与未发生软化现象不排水土体强度的比值，为海上风电多桩基础竖向承载力循环弱化研究提供重要的参考依据。
2.2明确竖向承载力饱和粘土强度的非均质性
现阶段海上风电桩基础设计过程中，均将其设定为软粘土地基不排水强度不会随着基坑深度的变化而发生改变的均质土[2]。但由于海上风电项目场区涉海面积较大，且风机与风机之间的间距相对较远，不同机位处的土体结构存在一定的差异性和非均质性，对其竖向承载力产生一定的影响。在分析海上风电多桩基础竖向承载力循环弱化时，也应对桩基竖向承载力饱和粘土强度的非均质性进行分析，构建以有限多元计算方式为主的非均质桩基础在循环荷载作用下的模型。通常情况下，非均质粘土不排水强度会随着基坑深度的改变而发生明显变化，需计算出其抗剪力变化总比值，并将其计算结果与海上风电多桩基础竖向承载力循环弱化性进行对比分析，以更好控制基础承载力循环弱化。
3、海上风电多桩基础竖向承载力在拉压双向循环下的循环弱化分析
3.1应用有限元分析方式
在进行海上风电多桩基础竖向承载力拉压双向循环作用弱化分析时，应确保桩基及其周边土体结构所受荷载具有轴对称特征，以更好的利用轴对称模型进行有限元模拟分析。在采用有限元分析方式进行海上风电多桩基础竖向承载力建模过程中，需依据海上风电项目具体情况，选取适合的桩基直径及桩长等，并以二阶四边形单元进行网格划分；同时，在应用有限元分析法对海上风电多桩基础竖向承载力拉压双向循环弱化进行分析时，也需注重以下要点：第一，在海上风电桩土界面中，桩土结构节点可不考虑其滑移作用[3]；第二，桩基础土体结构的水平方向应在其中心轴处增加水平约束力，在所构建的模型底部增加水平及竖直两方向约束力。
3.2海上风电多桩基础基桩高强度承载力循环弱化性
由于海上风电多桩基础土体结构多为非均质地基，在分析其承载循环力弱化的过程中，设计人员还应从海上风电多桩基础基桩高强度承载力循环弱化性的分析入手，明确其平均不排水强度以及其在未经过循环强度作用及不同循环位移水平作用期间的荷载位移情况。
其中，海上风电多桩基础在循环位移水平较小的情况下，对桩基础极限承载力不会发生较大的影响，究其原因，主要是循环位移水平较小，被影响桩基础土体仅限于较小区域内，在竖向位移作用力下，桩基础周边土体内限抗力可使土体结构影响范围远大于循环位移水平作用。
4、海上风电多桩基础竖向承载力中不排水弹性循环弱化分析
4.1构建海上风电多桩基础软粘土不排水模型
依据桩基础不排水条件可构建海上风电多桩基础软粘土不排水模型，并就其累积塑性应变情况对桩基周边土体结构抗剪力强弱的变化进行计算[4]。在构建有限元数量模拟期间，需对计算静力加载与循环加载的土体强度弱化现象进行分析；循环加载土体预应力，不断修正不排水土体强度弱化参数。随着海上风电多桩基础竖向承载力循环荷载作用的不断叠加，进一步修正土体结构内塑性应变力，以找寻出海上风电多桩基础竖向承载力不排水弹性循环弱化规律。
4.2海上风电多桩基础软粘土不排水模型的分析
依据海上风电多桩基础软粘土不排水模型的具体参数数值，对其水平循环受荷桩进行计算。一方面，在水平荷载力加载前可不考虑弹性模量以及不排水抗剪强度的弱化，并在积累加载期间对所产生的塑性应变进行统计；另一方面，在加载水平荷载之后，可依据原积累的塑性应变量对土体弹性模量及其不排水抗剪性进行弱化修正，并在弹性卸载弱化后及时调整变量参数，反复计算。除此之外，也可用循环荷载分析法，先对基桩施加静力荷载，再得到循环后的桩侧极限抗力，最后对循环荷载静载条件下的桩侧抗力进行弱化预测，得出水平循环荷载值增加，而桩基础所承受循环荷载逐渐减少的结果。
5、海上风电多桩基础竖向承载力二维简化分析方式的具体应用
在海上风电多桩基础竖向承载力循环弱化研究期间应用二维简化分析法，可通过循环次数，对循环荷载后静载条件的桩基础侧极限抗力的弱化进行预测。荷载数值的不断增加，使得原有土体结构所累积的塑性应变量增大，提升了土体的弱化速度；而在循环荷载量增加后，土体结构弱化情况与桩侧极限抗力比例增加。由于有限数值模拟及模型构建将花费大量的时间周期，可利用二维简化分析的方式，以更好的得出循环荷载与桩极限抗力衰减及循环荷载次数之间的关系。
6、海上风电多桩基础竖向承载力循环弱化的对比分析
6.1有限元模型
为更好的分析海上风电多桩基础竖向承载力循环弱化问题，可利用专业的有限元模型系统，明确系统模型参数，即桩径、桩长、桩的弹性模量；饱和软土地基不排水强度等，对循环荷载期间塑性变形累积进行计算。其中，海上风电多桩基础荷载力加载方式应以荷载控制为主，进行逐步的加载，计算出基桩施加静荷载量及单桩桩侧极限承载能力，而后在经过多次荷载循环，计算出弱化后的基桩桩侧极限承载力。
对于轴对称模型，计算区域的水平宽度为桩径的20倍，竖直方向为桩端以下一倍桩长，并以此种方式对土体水平方向边界及中心轴施加水平方向进行约束。选用 8 节点四边形单元进行网格划分，在桩的附近土体网格加密，在桩- 土界面上，桩、土共节点，没有考虑桩-土界面的相互滑移。土体水平方向边界和中心轴处施加水平方向约束，模型底部为固定约束（见图 3）。
图3 单桩有限元计算模型
6.2有限元计算
在海上风电多桩基础竖向承载力循环弱化有限元计算结果的分析过程中，当循环荷载等级维持在0.20时，桩基础顶部循环位移不随循环次数的增长而发生变化，且循环位移的位移曲线为一条直线；当循环荷载水平力大于一定程度后，循环荷载力的位移曲线呈现出滞回圈。随着海上风电桩基础循环次数的增加，滞回圈也出呈现出快速增长并向右移动的方式，最后导致桩基础结构到达承载能力极限值。有限元计算过程分别见图4 （a）、（b)、（c）。
图4 单桩循环荷载-位移曲线（循环次数 N =100 次）
7、海上风电多桩基础竖向承载力循环弱化性的建议
在依据多桩基础土体结构循环弱化特征及饱和软粘土不排水塑性模型的构建情况下，可得到以下结构：在海上风电多桩基础承受循环荷载力的情况下，位移水平较小，受到基桩极限承载力没有发生明显变化。当海上风电多桩基础循环位移水平较大时，所承受循环的基桩极限承载力较大。当海上风电多桩基础承受循环位移水平达到最大值时，桩基周边土体结构完全重塑，基桩极限承载力降低且趋于稳定。同时，为提升海上风电多桩基础稳定性，可采用循环荷载作用下的基桩的特性进行计算，确保工程安全。
总结：总而言之，通过对海上风电多桩基础桩基竖向承载力循环弱化机理进行深入研究，不难发现，海上风电多桩基础承载力的弱化对海上风电项目建设及后期应用的安全性产生一定影响。因此，在现阶段海上风电多桩基础施工方案的规划过程中，设计人员就应从选址区域风电场的荷载等级及土体结构等特征的分析入手，提升海上风电多桩基础桩基竖向承载力，降低工程风险，确保海上风电项目运行的长效可靠性。
参考文献：
[1]马宏旺,杨峻,陈龙珠. 长期反复荷载作用对海上风电桩基础受力性能影响[A]. 中国力学学会、上海交通大学（SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY）.中国力学大会-2015论文摘要集[C].中国力学学会、上海交通大学（SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY）:,2015:1.
[2]胡浩,殷德顺. 水平循环荷载下海上风机桩基础抗拔力的模拟试验研究[A]. 中国力学学会环境力学专业委员会、江苏省力学学会.2016年全国环境力学学术研讨会摘要集[C].中国力学学会环境力学专业委员会、江苏省力学学会:,2016:1.
[3]仲伟秋,麻晔,杨礼东,李炜. 海上风电桩基础与导管架灌浆连接段的ANSYS分析[J]. 沈阳建筑大学学报(自然科学版),2017,28(04):663-669.
[4]夏华盛,张陈蓉,俞剑,黄茂松. 海上风电桩基水平承载力循环衰减二维简化分析[J]. 岩土力学,2016,33(S1):303-308.
论文作者:王新峰
论文发表刊物:《防护工程》2018年第31期
论文发表时间:2019/1/21
标签：承载力论文; 海上论文; 风电论文; 荷载论文; 桩基础论文; 桩基论文; 水平论文; 《防护工程》2018年第31期论文;