海上风电单桩基础轴向承载特性及软弱土层影响分析

李超杰，朱洪泽，苏浩然，苏 凯，3，4

（1.浙江华东工程咨询有限公司，浙江 杭州 310014；2.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072；3.武汉大学水工岩石力学教育部重点实验室，湖北 武汉 430072；4.武汉大学海绵城市建设水系统湖北省重点实验室，湖北 武汉 430072）

0 引 言

海上风电基础的主要作用是固定风机整体结构并维持其稳定性，根据基础结构是否与海床直接接触可分为固定式基础与漂浮式基础。当前我国近海风电基本采用固定式基础，其中单桩基础较其他固定式基础型式有结构简单、施工简便快捷、经济性好等优点［1］，是目前应用最为广泛的基础之一［2，3］。近年来，随着我国风电事业的快速发展，超长大直径单桩基础在海上风电中应用越来越多［4，5］。

对于单桩基础而言，其水平承载力关系到风电结构运行期位移变形情况，而轴向承载力则直接关系到施工过程的顺利与否。目前，众多学者对单桩基础轴向承载力展开了相关研究。梁超［6］对比了多个桩基轴向承载力计算理论公式及设计规范，并指出理论计算难以精确评估；董淑海［7］对水下大直径单桩基础进行了原位试验以分析结构受力情况及桩-土作用特性；Lehane［8］对松砂条件下单桩轴向承载能力进行了试验研究，并分析了桩基础内壁与土体应力水平、内摩擦角及剪胀角间关系；Paik［9］对比了开口桩与闭口桩轴向承载力的差异，研究并推导了土塞效应的桩端承载力公式；刘冰雪［10］通过数值分析讨论了桩周土体参数、桩间距等因素对轴向承载力的影响；徐国宾［11］基于数值模拟研究并确定了影响基础轴向承载力的主要因素；张明远［12］基于FLAC3D 对超长大直径钢管桩进行数值分析，模拟得到基础轴向承载力与实测结果一致；刘文白［13］、黄周泉［14］对桩桶符合型海上风机基础的轴向承载力进行了研究，并对该结构提出了设计优化方法。

目前大多数研究针对单一或特定海域土体基础，并未讨论地基中包含软弱土层及其变化对于桩基轴向承载性的影响，然而我国部分海域砂土上存在不同厚度软弱土层，例如上覆淤泥质粉砂土的等［15］，势必将对桩基轴向承载力产生影响，因此有必要进行深入研究。本文借助大型通用有限元软件平台ABAQUS，首先讨论了轴向承载特性判断标准的差异，并进行了土体参数敏感性分析，随后讨论了软弱土层位置及其厚度对轴向承载力的影响，以期为后续结构优化设计提供一定参考。

1 轴向承载特性判据及模型

1.1 轴向承载特性判据

对于摩擦-端承桩而言，单桩极限轴向荷载指当桩侧摩阻力和桩端阻力导致桩周及桩端土体都达到塑性状态，此时较小的轴向荷载增量将引起较大的沉降量。学术界与工程界以及不同行业、国家地区对于确定摩擦-端承桩极限荷载目前并没有一个较为统一的标准［10］，主要通过荷载-位移曲线（Q-S曲线）类别进行判别［16］：①对于陡变型，通过确定平缓段与陡降段的拐点来确定桩基础轴向极限承载力。此类方法受Q-S曲线比例尺影响较大，须选用合理的比例尺，以求得较为合理的轴向极限荷载；②对于缓变型曲线，无明确拐点，则根据桩顶沉降量来确定极限荷载，根据承载能力极限状态和正常使用极限状态不同而确定。这种方法具有明确且简单的特征，一般情况下采用与桩径相关的标准来进行判断。Vesic［17］等人建议对于打入桩和灌注桩分别采用桩顶下沉量等于10%、25%桩径时的荷载为极限荷载。表1给出了两种轴向极限承载力控制标准。

表1 桩基础轴向极限承载力控制标准Tab.1 Different control standards of axial ultimate bearing capacity

1.2 模型及验证

为比较不同变形控制标准所确定轴向承载力大小，依托江苏某800MW 海上风电场项目为工程背景，建立相关三维有限元模型。参考工程统一采用单桩基础式风机，桩径D=6.0 m，桩长L=74 m，其中泥面以下埋深MCD=52 m，桩基础简化为等壁厚，其值为d=70 mm。根据工程实测资料设钢管桩的弹性模量E=210 GPa，泊松比ν=0.30，密度ρ=7.80 g∕cm³。参考风场海域地貌属于南黄海滨海相沉积地貌单元，海底地形起伏明显，根据工程勘测资料，各土层厚度及材料参数如表2所示，其中土层⑤为持力层，土层②为流塑状软土，工程性能差，属于软弱土层。

表2 地基各层土体参数表Tab.2 Soil parameters of each layer of foundation

利用ABAQUS建立相关有限元模型，并使用Mohr-Coulomb弹塑性屈服准则模拟地层土体的力学性质，桩基础则假定为线弹性材料；模型水平范围取为10 倍桩径，纵向范围为2 倍基础埋深；整个模型均采用C3D8R 三维8 节点六面体单元进行划分；模型边界方面，地层土体底部约束其全部位移，同时约束地基土侧面的法向位移，地基土体顶部为自由面；桩-土相互作用关系采用面-面接触模拟，其接触属性法向为“硬接触”，切向类型为“罚”摩擦函数，摩擦系数取0.3。同时，建立以土层⑤-中砂材料参数为基准的均质地基模型，并将其作为基础方案，对应有限元模型如图1所示。

图1 有限元模型（基础方案）Fig.1 Finite element model （benchmark scheme）

为对比不同控制标准下单桩基础轴向承载力差异，在桩顶处梯度施加0～150 MN 竖直荷载，并提取桩顶轴向荷载-沉降曲线，如图2所示。由图2可知，该曲线具有较为明显的拐点和陡降段，其破坏特征点比较显著，标准1所对应的曲线转折点处轴向荷载的大小为60.4 MN；若采用标准2，桩顶沉降位移达到0.1D时，单桩顶部所对应的轴向荷载为141.3 MN。

图2 基础方案中轴向荷载-沉降曲线Fig.2 Axial load-displacement curve in benchmark scheme

图3为桩基础沉降刚好达到变形控制标准时其桩身轴力分布曲线。由图3可知泥面以上范围内，由于单桩存在自重，桩身轴力沿桩顶向下缓慢增长；泥面以下由于桩内外摩阻力的存在，桩身轴力随埋深增加而显著减少，且深度越大，其衰减速率越快；同时桩端处仍存在着一定轴力，说明在上述标准下桩内外摩阻力均不能完全抵消桩顶荷载，仍有一部分荷载由桩端阻力承担。摩擦型桩大部分轴向荷载通过桩侧摩阻力以剪应力的形式传递到桩周土体中，桩侧摩阻力大小决定了桩身轴力的传递速度。该典型桩桩周上部侧摩阻力较小，桩身轴力传递较慢。

图3 不同控制标准下的单桩轴力分布Fig.3 Axial force distribution under different control standards

如图4展示了不同控制标准下的土体塑性区分布。当桩顶沉降达到变形控制标准1 时，地基土体几乎没有产生等效塑性应变；而桩顶沉降位移达到标准2时，桩基底端及侧面出现较大范围塑性区，且由于单桩刚度远大于地基土体，单桩正下方处的塑性区出现明显的延伸。

图4 不同控制标准下地基土体等效塑性应变Fig.4 Equivalent plastic strain distribution of soil under different control standards

由上可知变形控制标准1、2所对应单桩轴向承载力相差较大。当采用与桩径相关的标准，即以打入桩桩顶沉降10%桩径作为其轴向承载力控制标准时，桩端土体出现较大范围塑性应变，此种变形控制标准难以适用于海上风机大直径钢管桩在土体参数较差的分层地基中的情况。当桩顶沉降达到变形控制标准1 后，轴向荷载-沉降曲线进入陡降段，这说明以Q-S曲线之中转折点处所对应的轴向荷载作为参考标准可以更好地反映摩擦-端承桩单桩极限轴向荷载的物理意义，且较为直观。综上所述，本文以荷载-沉降（Q-S）曲线中出现较为明显陡降段时的转折点所对应的轴向荷载的大小来确定基础的极限承载力。

2 土体参数影响分析

2.1 地基土体弹性模量对桩基轴向承载力影响分析

采用图1所示均质土体模型，参照表1中不同土层土体弹性模量范围，在保证其他条件不变的前提下梯度设置10～35 MPa多个土体弹性模量方案进行加载计算。

相同荷载作用下，土体弹模越大对应单桩桩顶沉降量越小。土体弹性模量从10 MPa 增长到35 MPa 的过程中，在60 MN 同级荷载作用下，单桩桩顶沉降从大约150 mm 下降到60 mm，降幅达到60%；轴向承载力从58.53 MN 增长到60.79 MN，仅增长3.9%。由此说明地基土体弹性模量的增大对提升单桩轴向承载力作用较小，这与刘冰雪［10］等人研究结果一致。

2.2 地基土体摩擦角对桩基轴向承载力影响分析

图5 地基土体弹性模量的影响Fig.5 Influence of elastic modulus of soil

与前文一致，参照实际工程中地层土体摩擦角范围，设置25°～35°多个地基摩擦角方案进行加载计算。

与弹性模量影响相似，桩顶沉降位移与土体摩擦角成反比，但总体而言变化幅度较小。同时，土体摩擦角从25°增长到35°的过程中，轴向承载力增长了56.1%，说明地基土体摩擦角的增大对提升单桩轴向承载力作用显著，且基本呈线性增长。

3 软弱土层的影响

在实际工程中，地基土层存在性质较差的软弱土层，同时上文也表明土体参数对基础轴向承载力存在较大影响，因此为研究软弱土层相对位置、厚度因素对单桩基础轴向承载力影响，选取表1中强度较低的②-粉砂夹粉土作为软弱土层，模型中其余土体部分仍采用⑤-中砂。

3.1 软弱土层位置影响

为研究分层地基中软弱土层相对位置对单桩轴向承载力的影响，取软弱土层厚度为2D，并以软弱土层顶面为基准，设置软弱土层埋深由0 m 至泥面以下64 m，共设置17 种分层地基方案进行加载计算，并与前文基础方案进行对比。图7分别为软弱土层顶部高程距离泥面0、64 m时模型示意图。

图7 软弱土层埋深示意图Fig.7 Schematic diagram of buried depth of soft soil layer

图8（a）～（c）展示了部分方案Q-S曲线。相较于无软弱土层时，随着软土从海床泥面处逐渐向下移动，单桩轴向承载力逐渐下降，当软弱土层顶部深度为44 m时单桩轴向承载力降幅最大，此时单桩轴向承载力由无软弱土层时60.40 MN 下降到50.24 MN，降幅为16.8%。随着软弱土层埋深进一步增加，单桩轴向承载力有较大提升，逐渐逼近无软弱土层时单桩轴向承载力且最终趋于稳定。结合桩基础埋深信息，上述结果说明桩端周围土体对单桩轴向承载力影响较大，而上层土体对单桩轴向承载力影响相对较小。

图8 软弱土层位置的影响Fig.8 Influence of soft soil layer position

3.2 软弱土层厚度影响

为进一步研究不同软土厚度对轴向承载力的影响大小，结合上一小节结论，将软弱土层底部固定在桩端以下12 m 处，并设置不同厚度软土地基方案进行加载计算。图9为软弱土层厚度为4、64 m时的三维有限元模型示意图。

图9 软弱土层厚度示意图Fig.9 Schematic diagram of thickness of soft soil layer

如图10所示为不同软弱土层厚度条件下桩基础轴向承载力变化情况。由图可知软土层厚度与轴向承载力成反比。同时，对于初期，增加软弱土层厚度直到16 m时，单桩轴向承载力迅速降低；而后当软弱土层厚度为16～32 m 时，降速基本恒定；再增加软弱土层厚度，单桩轴向承载力持续降低，但降速也有所下降，直至上部土体全部为软弱土层时，轴向承载力为31.919 MN，相较于无软弱土层时，总降幅达到47%。

图6 土体摩擦角的影响Fig.6 Influence of friction angle of soil

图10 不同软弱土层厚度下单桩轴向承载力变化曲线Fig.10 Variation of axial ultimate bearing capacity under variable thicknesses of soft soil layer

在实际工程应用中，通过增大桩端附近桩土之间摩阻力来提高单桩整体轴向承载力是一种性价比较高的工程措施，然而对于海上风电单桩基础而言，改变桩端处土层泥质参数是较为困难的，因此可以通过对靠近桩端处桩身表面进行磨砂处理等工艺提高单桩轴向承载力。

4 结 论

本文依托江苏某实际工程，首先对单桩基础轴向承载极限控制标准进行了对比，并讨论了不同土体参数对桩身沉降及轴向承载力的影响，最后考虑土体地基中软弱土层位置及厚度所产生的影响，最终得到如下结论。

（1）相较于通过桩基础沉降量为确定基础轴向承载力的控制标准，根据荷载-位移曲线拐点确定均质土层下单桩极限承载力为60.4 MN，仅为前者控制标准的42.7%，二者差距较大。同时，达到控制标准时，前者桩端附近土体已出现较大范围塑性区，控制标准难以适用于土体参数较差情况，因此建议采用根据荷载-位移曲线拐点作为轴向极限承载力计算控制标准。

（2）单桩基础属于端承摩擦型桩，所受轴向荷载大多通过桩侧摩阻力以剪应力的形式传递到桩周土体中，因此提高土体摩擦角可显著提高基础轴向承载力；提高土体弹模可大幅降低桩顶沉降位移，但对提高轴向承载力效果并不显著。

（3）当土体中存在软弱土层时，软弱土层越接近桩端，轴向承载力降幅越大，假定软弱土层厚度为2倍桩径时，最大降幅达到16.8%；当软弱土层位于桩端时，其厚度的增加将持续降低桩基轴向承载力，并且呈现三段式分布，最终轴向极限承载力降幅为47%。因此建议通过表面磨砂等工艺对靠近桩端处桩身表面进行处理以提高单桩轴向承载力。