裙式吸力基础竖向承载特性有限元分析

张磊 张文惠

摘 要：裙式吸力基础对于提高风电塔架基础承载特性具有显著的意义。本文通过有限元模拟分析，对传统和裙式两种吸力基础的竖向承载特性进行了比较，结果表明裙的设置，有效提高了吸力基础的竖向承载力，分担了基础顶板所受到的土抗力。

关键词：有限元分析；裙式吸力基础；竖向承载特性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.18.194

0 引言

裙式吸力基础相较于传统海洋桩基础，具有施工快速、简便，可重复利用等优势，更加适用于复杂的海洋环境。针对吸力基础的竖向承载特性，国内外许多专家学者通过理论推导、数值软件分析、离心机试验及模型试验等方法进行了大量的研究。本文就针对采用有限元软件的吸力基础竖向承载特性进行了分析，得出了裙结构对基础竖向承载特性影响的结论。

1 有限元模型

1.1 参数设置

应该参照试验所用基础模型尺寸确定合适的裙式吸力基础尺寸，主要包括主桶直径、主桶高度、裙宽和裙高，同时，要保证模型箱尺寸设置的合理性，以满足边界条件的需求。裙式吸力基础采用泊松比为0.16，弹性模量为16GPa的线弹性模型，而在有限元运算过程中，砂土地基材料参数的确定需要依据实际试验用砂来进行。

1.2 模型建立

在建立模型时，采用主—从面接触的接触类型，主面为吸力基础面，从面为土体面其中主面的刚度较大，而从面的刚度较小，接触面的摩擦系数为0.25。数值模拟分为两个分析步进行，第一个分析步是生成初始自重应力场；第二步是采用位移控制式控制所加载的竖向荷载，设置相应的沉降量。有限元模型的计算范围如下：深度为桶高的5倍，水平为桶径的10倍，底部边界为固定约束，外围边界为水平约束，边界条件选取固支、反对称或对称类型。试验结果主要是对基础竖向荷载与沉降、应力分布及周围土体隆起量之间的关系[1]。

2 吸力基础竖向承载力有限元分析

通过有限元分析吸力基础竖向承载力与长径比之间的关系。试验结果表明，对于传统吸力基础而言，其竖向承载力的极限值随着长径比的增加而增加，且随着长径比的增加，吸力基础破坏时所对应的沉降量越大[2]。试验结果表明，基础顶板下方中心位置的土压力最大，越靠近边缘土压力建越小，且统一位置的土压力随着长径比的增大而增大，主要原因在于长径比的增加，使得吸力基础竖向承载力的极限值和土体的变形量也得到相应的增加，也就意味着土抗力的增加。此外，随着长径比的增加，吸力基础周围土体的竖向隆起量也越大。

其次，对于裙式吸力基础而言，其竖向承载特性主要与裙高和裙宽有关。试验结果表明，随着裙高的增加，吸力基础竖向极限承载力而降低，主要原因在于，裙高的增加使得主桶与基础周围土体相隔离，进而导致基础的承载力会有所下降；裙宽对基础竖向承载力的影响比较明显，基础极限承载力往往会随着裙宽增加而显著增加。在保持裙高和裙宽一定的情况下，研究长径比对筒体各部位承担载荷比变化情况，试验结果表明，随着长径比的逐渐增加，筒体内外壁承担的阻力逐渐增大，而其他部位，如裙尖端部、桶尖端、裙内外壁及顶板等所承受的摩阻力缓慢减小。筒体内外壁承受的载荷的比重约占90%，而其他部位搜承受荷约占10%，相较于传统吸力基础而言，顶板发挥的作用大大降低，这表明“裙”结构的设置发挥到了明显的作用[3]。此外，吸力基础周围土体的隆起量随着裙高的增加而减小，而随着裙宽的增加而增加。总之，为了保证裙式吸力基础竖向承载特性达到最大化的效果，就必须要选择合适裙尺寸。

3 有限元分析结果

通过有限元分析，裙式吸力基础较之于传统吸力基础，其竖向极限承载力得到了显著的提高。裙式吸力基础的竖向极限承载力会随着裙高的增加而有所降低，随着裙宽的增加而显著提高。顶板下部的土压力分布方面，传统吸力基础和裙式吸力基础顶板底部的土压力分布都符合中心位置最大，越靠近边缘位置越小的规律。裙式吸力基础顶板下方的土压力分布也会受裙结构尺寸的影响，裙宽不变，裙高增加，土压力减小；裙高不变，裙宽增加，土壓力增加。周围土体隆起量方面，试验研究表明，裙宽保持不变的情况下，裙高为零时，基础周围土体隆起量最大，然后，周围土体隆起量会随着裙高的增加而有所降低；裙高保持不变的情况下，裙宽增加，周围土体隆起量会有所增大。由此可见，对于裙式吸力基础的竖向承载力而言，确定合适的裙结构尺寸是非常重要的。裙式吸力基础受竖向承载力的时候，发挥抗组作用的结构除主桶端部、内外桶壁和主桶顶板之外，由于裙结构的设置，裙端、裙壁和裙结构顶板等对基础的承载力也发挥着非常重要的作用。其中，各部位所承受的竖向载荷比例是不同的，约90%的竖向载荷由主桶内外壁和基础顶板承担，主桶内外壁所承受的摩擦力试着其长径比的增加而不断增加，而裙内外壁侧阻力和尖端阻力所占的比例比较小。值得关注的是，相较于传统吸力基础而言，裙式吸力基础主桶顶板发挥的作用要小得多，因此，吸力基础中裙结构的引入对分担阻力发挥着至关重要的作用。

4 结语

总而言之，通过有限元模拟分析，裙式吸力基础的承载特性，如竖向极限承载力，顶板下方的土压力分布情况及周围土体隆起量与裙结构尺寸密切相关。实际工程应用中，需要结合工程的实际情况和标准要求，合理的选择裙结构尺寸。

参考文献：

[1]郭彦雪.裙式吸力基础竖向承载特性有限元分析[J].工程建设，

2013（06）：1-6.

[2]李大勇，黄婷，翟汉波等.竖向荷载作用下砂土中裙式吸力基础承载特性[J].四川大学学报（工程科学版），2015，47（05）：10-16.

[3]闫澍旺，霍知亮，楚剑等.黏土中负压桶形基础下沉与承载性试验及有限元分析研究[J].工程力学，2016，33（01）：122-132.