竖向荷载作用下吸力基础周围土体破坏方式及变形规律研究

孟艳春 王 璐

（青岛黄海学院，山东 青岛 266427 ）

近年来，随着国家对海洋资源的开发和利用，海上风电技术得到了推广和应用，但相对于传统陆上风电，海上风电的安装建设成本比较高，达20%～30%，而传统陆上风电只需10%左右[1]。因此，解决海上风电基础海上打桩、安装问题成为重点。目前，国际上普遍采用的基础形式主要有以下几种：单桩基础、群桩基础、重力式基础、吸力基础和多桶吸力基础。

由于吸力基础与传统的海上风电基础相比，不仅工程造价更加低廉、施工安装更加方便快捷、而且，受海上环境变化影响较小且基础可回收利用，使得吸力基础这种新型基础形式近年来在海上风电工程中得到了广泛应用[2,3,4]。吸力基础一经提出，就得到国内外专家学者的广泛关注。针对吸力基础的多项性能，主要包括沉贯性能、抗拔性能及承载性能等，国内外学者采用多种研究方法，包括模型试验、理论分析、数值模拟等对吸力基础进行分析研究。Byrne 等[5]借助复杂的加载设备，采用swipe 加载方式，在砂土地基中对吸力基础在多种荷载作用下进行承载力1g 模型试验。试验结果表明，加载频率对基础的承载性能影响甚微。Supachawarote 等[6-7]利用ABAQUS 有限元模拟软件，对处于软粘土中的吸力基础在倾斜荷载作用下的破坏特性和承载特性进行分析研究，改变基础的长径比，绘制出相应的承载力破坏包络线，并将有限元结果与上限法结果进行比较，发现有限元结果与试验结果更接近。李驰等[8]借助FLAC3D 软件对饱和砂土地基中的吸力基础进行有限元模拟，探究了基础周围土体变形受动荷载的影响。黎冰等[9]为了分析砂土中基础长径比、荷载作用点及作用角度对基础抗拔承载特性的影响，对吸力式沉箱基础进行了室内模型试验。吕阳等[10]为了寻找基础的贯入阻力和土塞高度在不同吸力作用下的变化规律，借助数值模拟软件对黏土中吸力筒的大变形沉贯过程进行了模拟研究。郭彦雪[11]采用ABAQUS 有限元数值模拟的方法，对饱和砂土地基中裙式吸力桶形基础的竖向承载性能进行分析，并验证了裙宽对基础承载力的影响，另外对基础的破坏机制进行了探究。

与陆上风电基础不同，海上风电基础除受上部结构传来的自重以外，还受到波浪、风等产生的水平静荷载作用和循环荷载动力响应，同时，还会受到洋流的冲刷作用和风暴潮、台风等极端海洋气候对基础产生的瞬时荷载作用[12]。李大勇等针对上述海上风电基础的受力特点，同时受加肋式吸力基础[13]的启示，提出了一种新型吸力基础-裙式吸力基础[14]。相比于传统吸力基础，裙式吸力基础增加了“裙”结构，有效地提高了吸力基础的抗冲刷能力，承载性能和抗拔能力，延长了基础的使用年限，更适合用于海上风机的基础。 总结国内外已有研究成果，已经取得了在不同荷载作用下关于裙式吸力基础沉贯性能和水平承载性能的诸多成果，但对于竖向荷载作用下吸力基础周围土体的变形规律和破坏方式的研究，还比较匮乏，值得进一步研究。

1 有限元模型及参数设置

基于吸力基础模型（图1）的特点，选用有限元软件ABAQUS 中的CAX4单元对其进行模拟，饱和砂土选用单元类型为CAX4R的Mohr-Coulomb 模型。

基础与饱和砂土之间设置类型为主-从面接触的接触面，并将主面选取为刚度较大的吸力基础面，采用0.25 这一摩擦系数。吸力基础及砂土物理力学参数如表1 所示。

表1 材料参数设置

图1 吸力基础模型剖面

图2 有限元计算模型

为了消除砂土地基的边界效应对基础承载力的影响，数值模拟的边界范围如下：水平方向选取10 倍桶径，竖直方向选取5 倍基础高度（图2）。以水平向约束作为有限元模型的边界侧面，固定约束作为底面，顶面设置为自由边界。有限元模拟的加载方式采用位移控制，最大位移为0.005 mm，与吸力基础相关试验的比例保持一致。

有限元模拟所采用的吸力基础模型编号说明如下（以II-3W6H 为例）：“II”表示主桶长径比为2，“3W”表示裙宽D2 为50 mm，“6H”表示裙高L1 为60 mm。文中吸力基础的有限元模型尺寸，见下表。

表2 吸力基础有限元模型尺寸 单位: mm

2 计算结果及分析

通过讨论传统吸力基础及裙式吸力基础的破坏方式，以及“裙”尺寸对裙式吸力基础位移、应变分布的影响，研究了基础破坏时周围土体的变形范围以及破坏机理。

2.1 传统吸力基础

对砂土地基来说，会发生整体剪切破坏或者局部剪切破坏。借助ABAQUS有限元软件，对竖向承载力作用下不同长径比的吸力基础模型进行模拟，得到破坏时的塑性应变分布图（见图3）、位移矢量曲线（如图5），并对竖向荷载作用下的传统吸力基础的破坏方式进行分析。

图3 竖向单调荷载作用下传统吸力基础的等效塑性应变分布图

对图3 进行分析，发现在竖向单调荷载作用下，传统吸力基础塑性区的发展局限于土体中的某一范围内，即在基础底部下方及周围形成类似对数螺线型的塑性变形区。这是因为随着传统吸力基础的下沉，基础主桶与地基接触区域会产生较大的剪切破坏，进而造成基础两侧与土体接触区域破坏较大。此外，传统吸力基础在竖向单调荷载的作用下，其顶部两侧与土体接触区域会产生裂缝，即沉陷范围。因此，在饱和细海砂中，传统吸力基础在竖向单调荷载作用下的破坏形式为整体剪切破坏。

3 结论

采用有限元模拟的方法研究了地基土体在荷载下的变形规律，讨论了传统吸力基础及裙式吸力基础的破坏方式，分析了裙式吸力基础周围土体受“裙”结构扰动的影响，得到以下结论：

（1）在饱和细海砂中传统吸力基础与裙式吸力基础的破坏形式都属于整体剪切破坏。在竖向单调荷载的作用下，两种基础塑性区的发展限制于地基中的某一范围内，即在基础底部下方及周围形成类似对数螺线塑性变形区。

（2）随着裙高的增大，基础对周围土体的影响范围增大，且距离基础越近，土体的隆起量越大。

（3）相对于传统吸力基础，裙式吸力基础周围土体的沉陷范围更大。当裙宽相同时，随着裙高的增加，沉陷范围逐渐减小。裙高的引入，能够有效的控制基础周围土体的沉陷。