任彥忠 趙學(xué)亮 李揚(yáng)揚(yáng) 隋淑環(huán) 宋啟明 游先輝

(1.華北電力大學(xué)，北京 102208；2.中廣核(福建)風(fēng)力發(fā)電有限公司，福建 福州 350001；3.東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211189；4.福建永福電力設(shè)計(jì)股份有限公司，福建 福州 350001)

1 研究背景

風(fēng)能發(fā)電是世界上發(fā)展最快的可再生能源利用技術(shù)，海上風(fēng)電場的建設(shè)以其優(yōu)越的風(fēng)能資源、日趨成熟的發(fā)電技術(shù)逐漸成為可再生清潔能源技術(shù)領(lǐng)域研究和開發(fā)的焦點(diǎn)。目前常用的海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)型式有單樁式、重力式、多樁式等。吸力式筒型基礎(chǔ)是近年來從深?；A(chǔ)中逐漸發(fā)展起來的一種新型的海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)。相比傳統(tǒng)海風(fēng)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，它具有施工安裝方便、方便拆除等優(yōu)點(diǎn)，可替代復(fù)雜的嵌巖施工技術(shù)。

針對吸力式筒型基礎(chǔ)安裝阻力問題，國內(nèi)外的學(xué)者們對此進(jìn)行了系列相關(guān)研究。Allersma等[1]進(jìn)行了砂土和黏土地基上的吸力式基礎(chǔ)離心機(jī)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在砂土中吸力錨安裝方便，而且將沉箱土移出后測量發(fā)現(xiàn)箱內(nèi)壁摩擦力起更多作用。Tran等[2-4]利用物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法，探究吸力樁負(fù)壓沉放過程的土體孔壓變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在臨界負(fù)壓狀態(tài)時(shí)沉放過程與孔壓發(fā)展關(guān)系密切。Gao等[5]在砂土地基上進(jìn)行基礎(chǔ)安裝沉放和抗拔物理模型試驗(yàn)，進(jìn)一步分析了樁基礎(chǔ)安裝和抗拔特點(diǎn)。

理論計(jì)算與數(shù)值模擬方面，Houlsby和Byrne[6-7]通過簡化計(jì)算模型，建立了黏土和砂土條件中沉放阻力的公式，此分析過程中簡化處理比較多，需要使用詳細(xì)的地質(zhì)分析資料，因此對地質(zhì)勘察提出更多挑戰(zhàn)。Andersen等[8-9]通過分析黏性土和砂土地基中帶裙基礎(chǔ)、不同平臺不同荷載形式的錨，創(chuàng)新性地提出了沉貫阻力和承載力的計(jì)算方法。根據(jù)Andersen等的觀點(diǎn)，可以使用靜力觸探的方法計(jì)算砂土中裙板基礎(chǔ)貫入阻力。Dyson等[10]在鈣質(zhì)砂土中使用離心機(jī)開展物理模型試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，最終可以得到在不同安裝方法和不同加載速率條件下的修正因子。王胤等[11]在砂土中研究負(fù)壓沉貫過程中土塞的特征與機(jī)理，著重分析砂土滲透性，并將錨內(nèi)砂土滲透系數(shù)的變化規(guī)律引入到 Houlsby 和 Byrne 理論模型中，對已有的吸力錨沉貫吸力理論模型進(jìn)行了改進(jìn)。

對吸力筒的安裝阻力，不同學(xué)者提出了不同的方法，本文對砂土中吸力筒沉貫安裝阻力進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究，用于驗(yàn)證對比不同計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。

2 試驗(yàn)過程

參考已有研究結(jié)果可知，砂土中吸力筒沉貫阻力大小主要受內(nèi)外側(cè)摩阻力大小影響，筒的直徑和沉貫深度是側(cè)摩阻力的重要影響因素，因此本試驗(yàn)主要考慮不同直徑筒在沉貫過程中阻力的特性，筒長徑比的范圍由目前國內(nèi)外研究結(jié)果與實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)確定，模型試驗(yàn)參數(shù)及方案設(shè)計(jì)如表1所示，試驗(yàn)中所使用砂土的物理參數(shù)如表2所示。

表1 模型試驗(yàn)單樁尺寸

表2 試驗(yàn)用砂物理參數(shù)

試驗(yàn)過程包括自重下沉階段和負(fù)壓下沉階段，具體包括:第一階段，基礎(chǔ)在自重作用下沉入土中一定深度，1-R135,2-R170,3-R210自重下沉深度分別為10mm,19mm,14mm，最終達(dá)到穩(wěn)定；第二階段，使用真空調(diào)節(jié)罐與真空泵逐級施加荷載，先使用真空泵抽吸負(fù)壓調(diào)節(jié)罐內(nèi)部空氣，使得負(fù)壓調(diào)節(jié)罐內(nèi)部達(dá)到預(yù)定的真空度，然后關(guān)閉真空泵，打開調(diào)節(jié)罐與試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪B接閥路。待模型在穩(wěn)定負(fù)壓的作用下下沉穩(wěn)定后，關(guān)閉管路調(diào)節(jié)閥門，負(fù)壓逐漸消散。在負(fù)壓作用下基礎(chǔ)繼續(xù)下沉，當(dāng)吸氣管中由氣體變?yōu)榧儍舻乃?，說明由于負(fù)壓的存在，筒內(nèi)水面上升，而繼續(xù)下沉后，吸氣管內(nèi)出現(xiàn)明顯的砂子，說明筒頂已與土塞接觸，沉貫最終完成，吸力筒的安裝過程見圖1。

(a)自重下沉 (b)負(fù)壓沉貫下沉中期 (c)抽氣管出現(xiàn)水流 (d)抽氣管出現(xiàn)砂土

三組模型試驗(yàn)在負(fù)壓沉貫結(jié)束后均產(chǎn)生了土塞，1-R135試驗(yàn)工況土塞高度為86.2mm,2-R170試驗(yàn)工況土塞高度為69.5mm,3-R210試驗(yàn)工況土塞高度為69.1mm?？梢园l(fā)現(xiàn)，直徑越大的筒，土塞高度越低。實(shí)驗(yàn)中土塞高度偏大，可能和加載方式有關(guān)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 負(fù)壓沉貫過程

將分級加載得到的三組負(fù)壓—沉貫深度曲線進(jìn)行比較(見圖2),三個(gè)筒模型除了直徑不同，其余參數(shù)均相同，三個(gè)筒沉貫曲線差別較小，不過仍能發(fā)現(xiàn)相同負(fù)壓條件下，R=210mm的筒沉貫深度最，R=135mm的筒沉貫深度最小，沉貫所需負(fù)壓隨直徑的增大而有一定的減小趨勢。

圖2 負(fù)壓—沉貫深度曲線

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與理論方法比較

計(jì)算砂土中沉貫阻力大小，比較常用的方法有Houlsby and Byrne理論方法、DNV規(guī)范推薦的基于CPT的方法，以及Senders和Randolph推薦的方法等。其中Houlsby & Byrne[7]推薦的計(jì)算方法如式(1)：

(1)

式中，V′代表樁自重；s代表安裝所需吸力；D代表樁徑(下標(biāo)o和i分別表示樁外與樁內(nèi)對應(yīng)參數(shù))；h代表吸力樁安裝深度；α代表粘結(jié)系數(shù)；t代表筒壁厚度；Zi為代表性參數(shù)，體現(xiàn)應(yīng)力增強(qiáng)的范圍和土性。

該計(jì)算方法中所需參數(shù)如地基承載力系數(shù)Nq，Nγ在實(shí)際工程較難獲得，與砂土內(nèi)摩擦角有關(guān)，本文中取值為30和52；地基承載力系數(shù)K在通過室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果和原位測試結(jié)果反推得到的值范圍在0.8～1.85，因此本實(shí)驗(yàn)中選取K值等于1.1;吸力錨與砂土之間的摩擦角δ可參考Andersen的確認(rèn)方法，選取摩擦角δ= 0.9φ。

DNV規(guī)范推薦基于CPT試驗(yàn)所獲得的錐體阻力qc的計(jì)算方法如下：

R=Fi+Fo+Qtip

(2)

其中：

(3)

(4)

Qtip=Atipkpqc(L)

(5)

根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)，錐體阻力qc隨深度變化qc=0.02+2616z。

DNV規(guī)范中，kf的建議范圍為0.001(最可能值)～0.003(預(yù)期的最高值)；對于kp是0.3(最可能值)～0.6(預(yù)期的最高值)，本文中，kf=0.002，kp=0.5。

DNV推薦方法未考慮滲流效應(yīng)，Senders和Randolph[12]基于此提出了一種改進(jìn)的計(jì)算方法，即:

(6)

其中scrit為臨界負(fù)壓，Senders和Randolph[12]利用有限元數(shù)值模型，建議臨界負(fù)壓計(jì)算方法如下:

(7)

為驗(yàn)證這幾種計(jì)算方法的實(shí)用性和準(zhǔn)確性，現(xiàn)將本文試驗(yàn)中施加負(fù)壓與按Houlsby & Byrne理論解法、DNV推薦方法、Senders和Randolph理論解法計(jì)算沉放所需負(fù)壓進(jìn)行比較。幾種方法的計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

(a)R=135mm

(b)R=170mm

(c)R=210mm圖3 沉貫所需負(fù)壓對比

由圖3可以看出，在三組工況下，模型試驗(yàn)結(jié)果均與Houlsby & Byrne法有較好的契合度，雖然負(fù)壓較小時(shí)理論計(jì)算得到所需負(fù)壓小于試驗(yàn)結(jié)果，偏于保守，主要原因可能是Houlsby & Byrne的理論計(jì)算中，假設(shè)中筒內(nèi)為理想滲流狀態(tài)，而模型試驗(yàn)中由于尺寸效應(yīng)等原因，導(dǎo)致在小負(fù)壓時(shí)，筒內(nèi)滲流未充分發(fā)展。但當(dāng)負(fù)壓增大至1.3kPa時(shí)，兩者趨向近似。

DNV法求得結(jié)果在相同沉貫深度時(shí)，所受到的沉貫阻力最小，其原因可能是擠土效應(yīng)使得筒周圍土體應(yīng)力水平提高，強(qiáng)度參數(shù)增大。由于筒壁的約束作用，內(nèi)側(cè)土體的擠壓程度遠(yuǎn)大于外部土體，而且筒壁內(nèi)外側(cè)的側(cè)壁摩擦力也不同，基于CPT試驗(yàn)的方法計(jì)算時(shí)沒有考慮內(nèi)外側(cè)土壓力的不同，造成沉放阻力計(jì)算值較測量值偏小。同時(shí)，由于筒體內(nèi)部土體的強(qiáng)烈擠壓和土塞效應(yīng)，筒端土體也不可避免地受到擠壓，因此，DNV法筒端下沉阻力計(jì)算值可能偏小。

Senders和Randolph法相較于DNV法更接近于實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果，體現(xiàn)了其相較于DNV法考慮了滲流帶來的優(yōu)異性，但其和DNV法均受筒徑影響較大，隨著筒徑增大，貫入同一深度所需負(fù)壓減小明顯，在實(shí)際運(yùn)用時(shí)需考慮適用的筒徑范圍。

4 結(jié)論

通過吸力筒沉貫?zāi)Ｐ驮囼?yàn)，得到吸力筒負(fù)壓—沉貫深度曲線，并將結(jié)果與Houlsby & Byrne、DNV、Senders和Randolph推薦的方法所求得的理論解進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)Houlsby & Byrne方法最為接近試驗(yàn)結(jié)果，不足之處在于小負(fù)壓情況下偏于保守，而隨著負(fù)壓增大至1.3kPa時(shí)，理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相近。而規(guī)范DNV推薦的方法求得的沉貫阻力偏小，Senders和Randolph法對其有改進(jìn)，但受直徑影響波動(dòng)較大。