运动海床对近海风机单桩基础的影响

运动海床对近海风机单桩基础的影响
张永利;李杰
【摘要】以东海大桥海上风电场为研究背景,首先基于Biot固结理论求解了不同波况下多层非均质土体的位移、超孔压的分布,讨论了波浪荷载对海床运动的影响.而后基于土体位移计算结果,应用支座位移加载法-p-y曲线法相结合的方法,求解了运动海床作用下近海风机单桩基础的内力和变形,并将其结果与不考虑运动海床作用的结果进行了对比.对比结果显示:运动海床对桩身的变形影响显著,设计中有必要进行运动海床作用下的变形校核.
【期刊名称】《水运工程》
【年(卷),期】2011(000)010
【总页数】5页(P115-119)
【关键词】海洋工程;桩基;Biot固结理论;有限元;线性波
【作者】张永利;李杰
【作者单位】同济大学土木工程学院建筑工程系,上海200092;同济大学土木工程学院建筑工程系,上海200092
【正文语种】中文
【中图分类】TV135.6
海洋环境下桩-土相互作用问题包括两方面的研究内容： 1）波浪与海床的相互作用； 2）海床与桩的相互作用。

第一方面的研究即是海床失稳问题研究，关于这方
面的研究国外最早开始于20世纪40年代，最具代表性的是Yamamoto[1-3]和Gade等[4]所做的工作。

海床与桩的相互作用问题的研究，最具代表的是Poulos
等[5-8]所做的工作。

然而，将这两方面的研究工作结合起来研究海洋环境下桩-土相互作用问题，现在所做的工作还很少。

在近海风机结构设计与分析中，对运动海床对风机基础承载力影响的研究更是少见。

近海风机单桩基础多为大直径基础，直径一般在3~5 m，最大可达8 m。

传统规范中建议的设计方法，如张有龄法、K 法、m法和C法等均是基于小直径桩的试验成果，对于大直径桩基础的适用性值
得推敲。

海洋桩基的设计多是基于p-y曲线法，该方法是Matlock[7]于1970年
提出的，该方法也不能考虑海床运动对桩基承载性能的影响。

为此，本文以东海大桥海上风电场为研究背景，首先基于Biot[8]固结理论求解了不同波况下多层非均
质土体的位移、孔压及有效应力的分布，讨论了波浪荷载对海床运动的影响。

而后将海床运动的数值解与p-y曲线法相结合，分析了运动海床作用下近海风机单桩
基础的承载力，并将其结果与不考虑运动海床作用的结果进行对比，所得结论可为近海风机基础的设计和监测提供参考。

1 波浪-海床相互作用问题的求解
1.1 控制方程
波浪与海床相互作用可用图1表示，海水深度为h，海床厚度为d，沿海床面为x 方向，向右为正，垂直于海床面为z方向，向上为正，海床面处z=0。

根据Biot
固结理论[9]，二维海床与波浪的相互作用满足如下偏微分方程组：
图1 波浪及海床
式中：kx，kz分别为水平和竖直方向的渗透系数（m/s），对于各向同性的海床，kx=kz；p为超孔隙水压力(Pa)，ρw为水的密度(t/m3)，G为土体的剪切模量(Pa)；n为土体孔隙率；u和w分别为土体水平和竖直方向的位移(m)；β为孔隙
水的压缩率，可表示为：
式中：K为孔隙水的弹性体积模量; Sr为土体的饱和度，如果海床为完全饱和，则Sr=1，pwo为绝对孔隙水压力。

εv为土体的体应变，可以表示为：
在一定的边界条件下，求解上述偏微分方程组即可得到波浪作用下海床土体位移、孔压响应，结合二维土体的本构方程，可求得海床土体内的应力分布。

1.2 边界条件
海床表面土体的有效正应力和剪应力均为零，孔隙水压力与波况有关，即海床表面满足如下的边界条件：
当海床厚度d足够大时，海底土体的渗流和位移均为0，海底面不透水，即海底面满足如下边界条件：
1.3 数值计算结果
东海大桥海上风电场是亚洲第一座海上风电场，其地质剖面如图2所示，波浪要素如表1所示。

取海床厚度为100 m，假设海床由4层土组成，即图2中所示的最上面4层土，假设粉质黏土以下皆为砂质粉土。

各土层的渗透系数及水的压缩率等参数见表2。

应用FlexPDE求解上述偏微分方程组，可以得到3种波高下（H=3 m，5.81 m和10 m）海床土体的响应（图3）。

图2 土层轮廓
表1 波浪要素?
表2 海床渗流计算参数土层渗透系数/(m·s-1) 孔隙率压缩率泊松比剪切模量
/MPa 层厚/m淤泥质黏土9.41×10-9 0.60 5.26×10-10 0.40 0.675 15黏土
9.41×10-9 0.54 5.26×10-10 0.35 1.020 4粉质黏土10.00×10-9 0.50
5.26×10-10 0.30 1.670 13砂质粉土10.00×10-9 0.43 5.26×10-10 0.20 2.650 68
图3 a)为不同波况下土体水平位移幅值沿深度的变化情况，从该图可以看出，波
浪作用下，海床土体的水平位移先是沿深度逐渐增大，至11 m深度，水平位移达到最大值。

而后土体水平位移开始沿深度递减，至40 m深度，水平位移变化缓慢，逐渐趋近于零。

另外，从图中还可以看出，H=5.81 m时土体的最大水平位移约为H=3 m时的1.94倍，这与两者的波高之比相等。

同样，H=10 m时土体的最大
水平位移约为H=5.81 m时的1.72倍，也等于两者的波高之比。

由此可推断，波浪作用下海床土体的最大水平位移与波高成正比。

图3b)为不同波况下海床土体垂直位移幅值沿深度的变化情况，从该图可以看出，垂直位移沿深度方向递减，最大垂直位移发生在海床面上。

与图3a)的结论一致，波浪作用下海床土体的最大垂直位移也与波高成正比。

图3c)为不同波况下超孔隙压力幅值沿深度的变化情况，从该图可以看出超孔压水压力在海床面处最大，而后沿深度方向迅速递减，至40 m 深度，超孔压趋近于零。

因此，可以得出如下结论：波浪作用下，海床土体的位移与波高成正比，最大水平位移发生的深度约0.2L（L为波长），最大垂直位移发生在海床面；沿深度方向，位移呈现非线性变化。

2 近海风机单桩基础的响应
2.1 建模方法
海洋桩基一般采用大型通用有限元软件ANSYS进行力学分析。

建模时主要采用PIPE16单元、PIPE59单元和COMBIN39单元。

PIPE59单元是ANSYS程序中
专门用于模拟浸没在水中的杆件结构的单元，应用PIPE59单元可以很好地模拟海洋波浪、海流对海水中杆件的作用力。

因此，采用PIPE59单元模拟单桩基础在水
中的部分。

对于泥面以下桩柱采用PIPE16单元模拟。

埋入土壤的桩柱部分所受土壤非线性作用力通过非线性弹簧单元COMBIN39模拟。

具体应用时，首先根据风电场场地地质资料，结合德国劳埃德船级社出版的GL近海风机认证指南计算桩土的侧向荷载-位移传递曲线(循环加载p-y曲线)及轴向荷载-位移传递曲线(循环加载t-z曲线) [10]。

然后，将荷载-位移传递曲线离散建立非线性弹簧单元实常数。

设置x，y方向的非线性弹簧单元，按p-y曲线确定单元实常数，以便模拟桩柱的横向承载变形；设置z向非线性弹簧单元，按t-z曲线确定单元实常数。

海床土体的侧向运动通过将水平位移施加于滑动土层中的弹簧支座上来模拟，此即所谓的支座位移加载法。

2.2 支座位移加载的计算原理[11]
海洋桩基桩-土体的动力控制方程可以表示为如下形式：
式中：M，C，K分别为结构体系的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵。

u··，u·和 u 分别是节点的加速度、速度和位移向量，F(t)表示结构的载荷向量。

ANSYS程序根据结构所划分的单元类型及相应的实常数和材料特性自动计算每个单元的质量矩阵、刚度矩阵及荷载向量，然后将各单元的矩阵和向量进行组装，形成整个结构的质量矩阵M，刚度矩阵K和载荷向量F(t)。

桩-土间的相互作用是用动力p-y曲线来模拟，p代表横向土反力，y代表桩-土相对位移。

本文的研究所使用的支座位移加载法是以位移边界条件的方式将滑动土层的位移施加于桩-土结构体系中,这里的支座是指COMBIN39非线性弹簧单元的一个节点，如图4 a）所示，不妨令节点I为支座节点。

图4 b)曲线上的各点代表力-平动位移关系或者弯矩-转动位移关系，输入的荷载-变形曲线根据GL规范中的p-y和t-z曲线来确定[10]。

COMBIN39单元可用于静力分析和非线性瞬态动力分析中，可以输入材料的阻尼
特性。

在此单元中，节点J相对于节点I的正位移表明单元受拉。

只要节点J与节点I存在相对位移，弹簧单元就会存在内力，此力即为桩-土之间的相互作用力。

因此，通过支座位移加载的方式可以模拟滑移层土体与桩体之间的相互作用。

2.3 算例分析
以东海大桥海上风电场为研究背景，根据DNV和GL等海上风机设计规范，进行
了海上风机单桩基础的设计。

海洋环境参数与地质参数的取值见1.3节，所设计出的钢管桩直径为3.5 m，总长55 m，伸出海床面长度为19 m，海床面以下长度
为36 m。

建立坐标系，z坐标向上为正，静水位处z=0，则桩顶位于静水位以上
4 m处，桩趾处z=-51 m，位于粉砂层顶部。

钢管桩全长壁厚相同，皆为62 mm。

利用大型通用有限元软件ANSYS，按照2.1所述的建模方法进行考虑运动海床作
用与不考虑运动海床作用下桩基响应的分析。

分析中，桩为线弹性，弹性模量
E=2.06×105 MPa，质量密度ρ=7 850 kg/m3，泊松比ν=0.3。

这里的分析是将1.3中波高为5.81 m时土体的侧向位移幅值施加于滑动土层的支座上。

图5为桩
基响应的静力分析结果，从该图可以看出，运动海床对桩基位移和转角影响较大，对桩身剪力和弯矩的影响不是很明显，原因在于桩基所在土层整体向前移动。

尽管在此种波况下运动海床的作用没有使桩身内力显著增加，但桩身的变形显著增大，桩身发生倾覆破坏的危险增大。

结合1.3中的分析结果，可以得出这样的设计建议：桩身的埋置长度应大于0.2L，设计波长并不一定是最不利的波长，设计中应考虑
运动海床的影响，开展多波况下桩身变形的校核。

图5 运动海床对桩基响应的影响
3 结论
1）波浪作用下，海床土体的位移与波高成正比，最大水平位移发生在约0.2倍的
波长深度处，最大垂直位移发生在海床面。

2）波浪作用下，海床土体的响应沿深度方向呈现非线性变化。

3）特定波况下，运动海床对海洋桩基内力影响较小，对变形的影响较大，设计波长并不一定是最不利的波长，设计中应考虑运动海床的影响，开展多波况下桩身变形的校核。

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