劉俊偉，呂 偉，于秀霞

(青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 青島 266500)

海上風(fēng)電是解決能源短缺、改善能源結(jié)構(gòu)的有效途徑。我國(guó)海上風(fēng)能資源豐富，靠近東部城市群負(fù)荷中心，穩(wěn)步發(fā)展海上風(fēng)電場(chǎng)已列為國(guó)家能源戰(zhàn)略[1]。我國(guó)目前規(guī)劃的海上風(fēng)電場(chǎng)，多集中在水深35 m以內(nèi)的近海海域，單樁基礎(chǔ)憑借經(jīng)濟(jì)性和可靠性成為最優(yōu)選擇[2]。我國(guó)海上環(huán)境惡劣，東南沿海臺(tái)風(fēng)災(zāi)害頻發(fā)。臺(tái)風(fēng)及其引起的波浪強(qiáng)度大，空間和時(shí)變特性顯著，已成為風(fēng)機(jī)倒塌的最主要外部因素[3]。僅臺(tái)風(fēng)“天兔”就造成了“紅海灣”風(fēng)電場(chǎng)25臺(tái)塔架中的8臺(tái)倒塌。尤其隨著海上風(fēng)機(jī)趨向大型化，臺(tái)風(fēng)極端環(huán)境下支撐體系的動(dòng)力穩(wěn)定性問(wèn)題愈加突出。

風(fēng)電單樁支撐結(jié)構(gòu)屬于動(dòng)力敏感型體系，如英國(guó)風(fēng)電工程手冊(cè)[4]中的統(tǒng)計(jì)結(jié)果(見(jiàn)圖1)，其自振頻率非常接近渦輪機(jī)頻率(1P)和葉片穿越頻率(2P/3P)以及常規(guī)風(fēng)浪荷載?；A(chǔ)是上部荷載的支撐者，也是決定自振頻率的主導(dǎo)因素。目前海上風(fēng)電單樁多采用直徑3 m～8 m的大直徑敞口管樁。管樁沉入海床時(shí)部分土體擠入樁孔內(nèi)，形成“土塞-管樁-樁側(cè)土”體系。但不同工況時(shí)土塞高度不盡相同，形成的樁-土剛度和界面摩擦特性存在差異，進(jìn)而影響樁基水平承載性能。在臺(tái)風(fēng)環(huán)境多自由度循環(huán)荷載下，“土塞-管樁-樁側(cè)土”體系發(fā)生漸進(jìn)演變，基礎(chǔ)剛度持續(xù)變化，支撐體系的自振頻率隨之改變[5]。改變后的自振頻率又有可能與激振荷載頻率重合，引起共振而加速疲勞破壞。因此，臺(tái)風(fēng)環(huán)境下“土塞-管樁-樁側(cè)土”體系的動(dòng)力響應(yīng)特性，是決定風(fēng)電支撐體系服役壽命的關(guān)鍵內(nèi)部因素。

圖1 海上風(fēng)機(jī)頻率圖

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)分析

1.1 土塞的形成機(jī)理及其與管樁的相互作用

沉樁過(guò)程中土塞高度的發(fā)展過(guò)程是目前國(guó)內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)，也是管樁與土塞相互作用的宏觀表征。鋼管樁領(lǐng)域，Henke等[6]、Murthy等[7]、Aleksandrova等[8]先后采用原位試驗(yàn)和模型試驗(yàn)，研究了不同沉樁方式、樁身截面和地質(zhì)條件下土塞發(fā)展及物理力學(xué)特性的演變過(guò)程，并采用土塞增長(zhǎng)率(IFR)和土塞率(PLR)指標(biāo)來(lái)量化土塞高度變化及閉塞現(xiàn)象。這些研究表明土塞高度與土體性質(zhì)、樁徑最相關(guān)，土塞高度的變化過(guò)程制約土塞阻力的大小。

國(guó)內(nèi)學(xué)者則更為關(guān)注混凝土管樁的土塞效應(yīng)，雷國(guó)輝等[9]、張明義等[10]采用足尺PHC管樁觀測(cè)了土塞高度隨沉樁過(guò)程的動(dòng)態(tài)變化，重點(diǎn)研究了樁身徑厚比對(duì)土塞高度動(dòng)態(tài)發(fā)展規(guī)律的影響。周健等[11]和曹兆虎等[12]則將PIV技術(shù)應(yīng)用到了敞口管樁的模型試驗(yàn)中，分別利用半模試驗(yàn)技術(shù)和人工透明土得到了沉樁時(shí)土體的位移場(chǎng)。Liu等[13]通過(guò)足尺試驗(yàn)研究了土塞的分層性、拱效應(yīng)及物理力學(xué)特性。Wu等[14]提出了附加質(zhì)量模型，與劉浩等[15]考慮土塞的慣性、阻尼效應(yīng)以及土塞和管樁的位移相位差，研究了土塞對(duì)管樁低應(yīng)變測(cè)試視波速的影響。鄭長(zhǎng)杰等[16]則考慮樁的三維效應(yīng)，推導(dǎo)了低應(yīng)變瞬態(tài)荷載作用下基樁三維動(dòng)力響應(yīng)的解析解，為樁基低應(yīng)變檢測(cè)提供了新的依據(jù)。

在數(shù)值仿真方面，張明義等[17]、閆澍旺等[18]采用有限元進(jìn)行了敞口樁貫入的模擬，得到了一些定性的結(jié)論。但發(fā)現(xiàn)有限元法在處理樁土接觸及大變形等問(wèn)題時(shí)存在一定困難。對(duì)此，周健等[11]、Li等[19]、Zhu等[20]將離散元引入到了敞口樁的模擬仿真中，在解決大變形的同時(shí)，從細(xì)觀尺度研究了沉樁過(guò)程中樁-土接觸面、土顆粒破碎等細(xì)觀機(jī)理及運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

目前對(duì)于管樁與土荷載傳遞的研究，主要集中在豎向受荷工況下。Randolph等[21]提出了土塞的一維平衡解析公式。Lehane等[22]及Lee等[23]采用一維分析模型解析了管樁土塞高度對(duì)內(nèi)壁摩阻力的影響規(guī)律，指出內(nèi)側(cè)阻力主要由端部以上1倍樁徑范圍提供?！皟?nèi)外雙壁模型樁”試驗(yàn)技術(shù)使得內(nèi)、外側(cè)界面摩擦力得以同時(shí)測(cè)讀[24-25]。土塞側(cè)向土壓力及內(nèi)側(cè)摩阻力的分布模式逐漸明朗。土塞的形成不僅影響樁端阻力，對(duì)樁側(cè)摩阻力的影響也不容忽視(Randolph)[26]。這在目前國(guó)際最為權(quán)威的西澳大學(xué)UWA[27]和香港大學(xué)HKU[28]等鋼管樁設(shè)計(jì)方法中得以體現(xiàn)，土塞高度指標(biāo)逐漸被引用到了豎向承載力的計(jì)算中。Liu等[29-30]提出了考慮土塞效應(yīng)的混凝土管樁豎向承載力計(jì)算方法，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，探討不同樁靴形勢(shì)下開(kāi)口管樁沉樁過(guò)程的力學(xué)機(jī)制，采用土塞增長(zhǎng)率指標(biāo)IFR量化了土塞高度對(duì)樁端阻力和側(cè)摩阻力的影響。Fattah等[31]討論了樁塞的產(chǎn)生和拆除對(duì)樁承載力的影響。Liu等[32]建立了考慮了樁和土兩種介質(zhì)豎向和徑向位移的軸對(duì)稱(chēng)管樁-土相互作用模型，定義土阻系數(shù)(SRF)來(lái)評(píng)價(jià)樁身動(dòng)土阻力。

土塞的動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程復(fù)雜，即使對(duì)于大直徑鋼管樁，土塞高度與沉樁深度也并非同步[33]，打樁最后階段也易發(fā)生閉塞現(xiàn)象，出現(xiàn)拒錘等工程問(wèn)題[34]。對(duì)于層狀土，閉塞和開(kāi)塞可能會(huì)發(fā)生多次的交替轉(zhuǎn)化，取決于樁端土的阻力與內(nèi)壁摩阻力的大小關(guān)系。Wang等[35]通過(guò)管樁在成層土中的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，討論了土塞對(duì)開(kāi)口管樁對(duì)端部和軸部阻力的影響。對(duì)于具有強(qiáng)烈空間變異性和成層特性的復(fù)雜海床，土塞效應(yīng)更為復(fù)雜。鄭俊杰等[36]、林軍等[37]指出土體的這種空間變異特性對(duì)基礎(chǔ)的承載特性具有顯著影響。

關(guān)于單一土層中土塞的形成及豎向作用機(jī)制的研究日趨豐富，針對(duì)層狀土的土塞效應(yīng)也逐漸引起國(guó)內(nèi)外的關(guān)注。但在復(fù)雜的海洋地質(zhì)條件下，大直徑敞口管樁土塞的形成及其對(duì)管樁承載特性的影響規(guī)律并無(wú)定論，尤其對(duì)水平承載特性的作用機(jī)制還未引起足夠的重視。加之，循環(huán)荷載下土塞自身也存在弱化效應(yīng)，尤其在臺(tái)風(fēng)環(huán)境高強(qiáng)低頻荷載作用下，土塞的弱化效應(yīng)對(duì)大直徑管樁動(dòng)力響應(yīng)的影響還有待深入研究。

1.2 水平靜動(dòng)荷載下樁土相互作用

p-y曲線法是水平荷載下樁土相互作用最常用的理論分析方法，被API[38]和DNV[39]所采納。該方法是Matlock[40]基于軟黏土中細(xì)長(zhǎng)樁的試驗(yàn)結(jié)果所提出的，因此在計(jì)算大直徑樁時(shí)往往會(huì)高估剛度，低估側(cè)向變形(朱斌等[41])。對(duì)于此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別基于砂土[42-43]和軟黏土[44-45]的離心機(jī)試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)p-y曲線進(jìn)行了一定的修正。目前對(duì)于多向循環(huán)加載下的p-y曲線的研究非常有限。Su等[46]基于邊界面理論，提出了可以考慮任意加載方向的p-y曲線，但模型參數(shù)較多，且缺少物理意義，標(biāo)定困難。

針對(duì)剛性單樁基礎(chǔ)累積變形的試驗(yàn)研究，主要是基于單自由度加載模型試驗(yàn)展開(kāi)。Leblanc等[47]，Klinkvort等[48]先后開(kāi)展了針對(duì)砂土的1 g室內(nèi)模型試驗(yàn)和離心機(jī)模型試驗(yàn)，結(jié)合雨流計(jì)數(shù)法提出了任意荷載作用后樁基的變形計(jì)算方法。何奔等[49]、鄧濤等[50]則針對(duì)黏性土開(kāi)展了離心模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，研究表明影響樁基殘余變形的主要因素包括土的超固結(jié)比、循環(huán)后的重固結(jié)、樁的豎向荷載以及樁-土相對(duì)剛度等。胡安峰等[51]、姜貞強(qiáng)等[52]則采用數(shù)值模擬分別分析了樁體鼓脹變形、土體性質(zhì)、荷載方向等因素對(duì)單樁基礎(chǔ)累積側(cè)向位移的影響。

實(shí)測(cè)表明，臺(tái)風(fēng)雖作用持時(shí)短，但強(qiáng)度大、時(shí)空變異復(fù)雜。如2013年超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“天兔”在過(guò)境的13 h內(nèi)，“紅海灣”風(fēng)電場(chǎng)附近風(fēng)速?gòu)?3 m/s迅速增大到57 m/s，期間風(fēng)向改變了270度[53-54]。陳朝暉等[55]對(duì)中國(guó)臺(tái)風(fēng)年鑒長(zhǎng)期資料進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)臺(tái)風(fēng)關(guān)鍵參數(shù)的概率模型進(jìn)行了擬合度檢驗(yàn)，建立了適用于中國(guó)東南沿海遭遇臺(tái)風(fēng)的概率模型和臺(tái)風(fēng)關(guān)鍵參數(shù)。臺(tái)風(fēng)引起的波浪具有高強(qiáng)度和強(qiáng)非線性，最大的有效波高可高達(dá)16.91 m(如Katrina臺(tái)風(fēng))。同時(shí)還可能導(dǎo)致畸形波的出現(xiàn)，波浪力的復(fù)雜程度要遠(yuǎn)超出普通波浪，基于Morison方程的常規(guī)波浪荷載模型(如樊惠燕[56])已不適用。目前主要采用半經(jīng)驗(yàn)方法來(lái)預(yù)測(cè)臺(tái)風(fēng)期間的有效波高和譜峰頻率(如Ochi[57])。尤其，波浪場(chǎng)與臺(tái)風(fēng)場(chǎng)并非共軸，相交角度隨時(shí)間和空間不斷變化，在不同區(qū)域表現(xiàn)出不同的特征[58]，如圖2、圖3所示。

圖2 臺(tái)風(fēng)“天兔”陣風(fēng)風(fēng)速及風(fēng)向變化

圖3 風(fēng)向與主波向分布[68]

不同風(fēng)速譜激勵(lì)下，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)致脈動(dòng)響應(yīng)有所影響[59]。在臺(tái)風(fēng)和波浪聯(lián)合作用下，樁基所受到的水平循環(huán)荷載將在時(shí)間和空間上聯(lián)系變化，這必然導(dǎo)致樁基的空間變形特性發(fā)生改變，這在有限的規(guī)則性多向加載試驗(yàn)中得以驗(yàn)證(如8字形、十字形等)[60-61]，發(fā)現(xiàn)荷載變向確實(shí)增加樁基的水平向變形。但針對(duì)臺(tái)風(fēng)環(huán)境中多自由度高強(qiáng)度荷載疊加作用下，敞口大直徑管樁與復(fù)雜海床之間的相互作用機(jī)理，目前尚不清楚，有待開(kāi)展針對(duì)性的研究，以此建立臺(tái)風(fēng)環(huán)境下復(fù)雜土中的“土塞-管樁-樁側(cè)土”循環(huán)相互作用定量分析方法。

1.3 海洋環(huán)境單樁支撐體系固有頻率的演變

海洋循環(huán)荷載環(huán)境下，單樁支撐體系固有頻率的演變是樁-土體系在循環(huán)荷載下長(zhǎng)期相互作用結(jié)果的宏觀表征。Bhattacharya等[4]在參編的英國(guó)海上風(fēng)電工程手冊(cè)中進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)支撐體系的自振頻率與渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子頻率、葉片穿越頻率、常規(guī)風(fēng)和浪等環(huán)境激振頻率十分接近，因此自振頻率在服役過(guò)程的變化將很有可能導(dǎo)致共振。Hu等[62]對(duì)德國(guó)Areva Multibrid M5000風(fēng)機(jī)進(jìn)行的長(zhǎng)期動(dòng)力監(jiān)測(cè)試驗(yàn)中就發(fā)現(xiàn)這種共振現(xiàn)象。因此，DNV[7]規(guī)定支撐結(jié)構(gòu)固有頻率不應(yīng)落入渦輪機(jī)頻率(1P)和葉片穿越頻率(2P/3P)及其左右10%范圍內(nèi)。

運(yùn)行期間，支撐體系的自有頻率并非一成不變。Kühn[63]和Zaaijer[64]報(bào)道了Lely風(fēng)電場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在長(zhǎng)期的波浪、支撐結(jié)構(gòu)振動(dòng)等循環(huán)荷載作用下，海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的自振頻率隨著服役時(shí)間逐漸降低。Bhattacharya等[65]和Sun[66]開(kāi)展了單樁式風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期振動(dòng)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)支撐結(jié)構(gòu)的自振頻率隨循環(huán)激振顯著降低。然而，Yu等[67]和Cui等[5]針對(duì)砂土中進(jìn)行的模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬的結(jié)果則與以上成果不同，發(fā)現(xiàn)固有頻率會(huì)隨循環(huán)次數(shù)逐漸增加，將其歸因于循環(huán)加載引起的樁周砂土的逐漸密實(shí)?？梢?jiàn)，不同工況下支撐體系自振頻率的演變規(guī)律并不相同。

單樁支撐體系自振頻率演變與土體循環(huán)特性密切相關(guān)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用三軸試驗(yàn)和共振柱試驗(yàn)，對(duì)砂土和黏性土[68-70]的動(dòng)力特性開(kāi)展了研究。這些研究表明，影響軟黏土特性和變形累積的主要因素包括：初始剪應(yīng)力、循環(huán)應(yīng)力比、主應(yīng)力旋轉(zhuǎn)程度、剪切頻率以及土體超固結(jié)比等。也有少量學(xué)者以海床沉積土作為研究對(duì)象，如黃茂松等[71]、李帥等[72]和張煒等[73]分別對(duì)我國(guó)東海飽和軟黏土、粉砂和南海粉質(zhì)黏土的循環(huán)特性開(kāi)展了試驗(yàn)研究。循環(huán)單剪試驗(yàn)的操作更易控制。Rudolph等[61]在多向單剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，剪切方向改變會(huì)增加砂土的累積應(yīng)變。董金玉等[74]針對(duì)殘積土進(jìn)行了了不同固結(jié)壓力、不同干密度、不同振動(dòng)頻率下的動(dòng)單剪試驗(yàn)。劉方成等[75]提出了考慮阻尼修正的D-Pyke滯回模型，能夠更好的模擬土的循環(huán)加載過(guò)程，可為隨機(jī)動(dòng)力荷載作用下土體響應(yīng)問(wèn)題分析提供合理的本構(gòu)行為模擬。馮大闊等[76]、Nong等[77]分別研究了法向應(yīng)力和加載頻率對(duì)砂土體應(yīng)變累積和剛度提高的影響。

可見(jiàn)，目前關(guān)于自振頻率和土體循環(huán)弱化的試驗(yàn)研究多是以單一土層作為對(duì)象，未提及復(fù)雜海床的空間變異性。靜力觸探(CPT)是量化土體空間特性的有效現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)手段。目前CPT-qc指標(biāo)已被廣泛采納到敞口管樁豎向承載力的設(shè)計(jì)中，如西澳大學(xué)UWA設(shè)計(jì)方法[27]、帝國(guó)理工學(xué)院ICP設(shè)計(jì)方法[78]、香港大學(xué)HKU設(shè)計(jì)方法[28]。Liu也針對(duì)壁厚較大、內(nèi)壁粗糙的PHC管樁提出了CPT豎向承載力設(shè)計(jì)法[29]。但是，目前采用CPT-qc指標(biāo)計(jì)算樁基水平承載力的方法非常有限。Suryasentana等[79]采用qc指標(biāo)建立了實(shí)體樁p與y之間的指數(shù)函數(shù)關(guān)系式。劉路路等[80]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，提出了考慮土塞效應(yīng)的開(kāi)口管樁承載力CPTU計(jì)算方法。可見(jiàn)，這種以靜力觸探為基礎(chǔ)指標(biāo)的計(jì)算方法開(kāi)辟了一種全新的樁基水平承載力分析途徑。而基于CPT-qc的敞口管樁p-y三維動(dòng)力曲線及自振頻率計(jì)算模型還有待提出。

2 總結(jié)與展望

目前國(guó)內(nèi)外的研究在常規(guī)風(fēng)、浪荷載下單樁基礎(chǔ)的長(zhǎng)期弱化和動(dòng)力響應(yīng)方面成果豐富，但針對(duì)臺(tái)風(fēng)環(huán)境下敞口管樁的動(dòng)力響應(yīng)仍然存在諸多未知，體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：(1)現(xiàn)有研究大多是針對(duì)閉口管樁或是灌注樁展開(kāi)的，沒(méi)有涉及土塞的弱化過(guò)程及其對(duì)管樁水平循環(huán)特性的影響，但目前海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)采用的多為敞口管樁；(2)在建立p-y曲線等動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)未考慮臺(tái)風(fēng)的轉(zhuǎn)向、以及臺(tái)風(fēng)引起的強(qiáng)非線性波浪疊加作用導(dǎo)致的多自由度大變形循環(huán)加載；(3)現(xiàn)有研究多采用單一土層進(jìn)行，忽視了海床空間變異性，不同于我國(guó)海域的復(fù)雜工況。

敞口管樁的動(dòng)力響應(yīng)分析關(guān)鍵在于合理模擬“土塞-樁-樁側(cè)土”相互作用，從管樁的沉樁和土塞形成過(guò)程為研究起點(diǎn)，充分考慮臺(tái)風(fēng)和波浪的真實(shí)荷載特征，宏細(xì)觀相結(jié)合來(lái)研究復(fù)雜海床中風(fēng)電敞口管樁在極端海洋環(huán)境中的循環(huán)弱化及變形過(guò)程，無(wú)疑將是有效途徑。