近海风电大直径钢管桩基础水平承载力的有限元研究

摩擦罚函 数形式。边界条件为：模型 的底部固定约束，模型
的外侧径向的位移约束。
图 1 大直径钢管单桩有限元模型
收稿日期：2 01 1- 1 0- 10 作者简介：李 灿（1 98 7- ），男，湖北当阳人，大连理工大学硕士生，主要从事港口工程研究。
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中 国水 运
第 11 卷
2．水平荷载作用下大直径单桩基础的破坏机制 图 5 给 出了水平 荷载作用 下大直径 单桩基础 的破坏机 制。由图 5 可知，管体内部的下半部分形成了球形旋转破坏 面，且旋转中心大约位于管体顶埋深的 4 / 5 处；管体前侧土 体被挤压 隆起形成被动侧破坏楔体， 而管体后侧与土体产生 分离形成裂缝。
摘 要：基于大型通用有限元分析软件 AB AQUS ，采用基于 M is e s 屈服准则的完全弹塑性本构模型，对水平加载
条件下软土地基中的大直径单桩基础进行了系统地三维 有限元建模分析，定义了单桩的水平承载力特征值。通过多
组变动参数比较研究，探讨了饱和软黏土地基中大直径 钢管单桩基础水平承载力随着不排水抗剪强度、桩体桩径的
土体 采用弹塑性模 型模拟，材料 屈服服从 Moh r - Cou lom b
本构模型。材料参数如表 1 所示。
表 1 计算模型材料参数
类别
弹 性模 量 E（MPa）
重度γ 粘聚力 c
泊 松比 （kN/ m3） （kPa）
内 摩擦 角 （° ）
剪 胀角
ψ（° ）
桩体
2×
5
10
0.3
78
﹨
﹨
﹨
桩 周土
增加而增大的特性，为工程实践提供参考。
关键词：单桩基础；水平承载力；三维有限元；变参数研究
中图分类号：TU473
文献标识码：A
文章编号：1006- 7973（2011）12- 0227- 04
一、引言 能源是现代社 会和经济发展的基础，改 善能源结构、利 用可再生能源 提高人们生活质量己经成为 全球能源工业关注 的一个热点。 风能是依靠风力发电来获取 能量的一种形式， 与其他能源相 比，风能是充沛和廉价的， 风能是目前最有开 发利用前景的 一种绿色能源和可再生能源 。随着风电技术逐 渐由陆上延伸 到海上，近海风力发电已成 为可再生能源发展 领域的焦点。 与陆上风电相比，海上风电 具有资源丰富、风 速稳定、对环 境的负面影响较少，风电机 组距离海岸较远， 视觉干扰很小 ；允许机组制造更为大型化 ，从而可以增加单 位面积的总装 机量；可以大规模开发等优 势。我国近海风能 资源丰富，可开发量超过 2×1 0 8k W。在陆地风电得到快速 发展的同时，近海及潮间带风电开发也逐渐提上日程。 大直径钢管单 桩基础作为近海风电基础 的标准形式，主 要由一直径 3 .5m ~5 m 的钢桩构成。相比于其他形式的基础， 单桩基础自重 较轻，结构构造简单，海上 施工周期短，且具 有很强的复制 性。但同时对于大直径单桩 独柱的就位施打必 须具备大型打桩锤，施工要求较高。20 1 0 年 8 月 13 日，位 于江苏如东海 上潮间带的江苏海上龙源风 电场施工现场，国 内第一根海上 风力发电机组单管桩试桩一 次成功，该试桩重 2 85 t，直径 5m ，高度 4 2m 。这标志着我国海上风电工程施 工工艺有了新 的突破，为大直径单桩基础 在中国近海风电中 的广泛应用奠定了坚实的基础。 大直径钢管单桩基础除了承受自身及风电机组的重量外， 主要承担水平荷载作用。研究大直径钢管单桩基础在水平荷载 作用下的工作机理及其承载力特性，对于评价海上风力发电机 组是否能正常运行和保护人民生产安全起着至关重要的作用。 大直径钢管单 桩基础在服役过程中，将 承受水平荷载、 竖向荷载以及弯矩的共同作用。而根据以往的实践经验可知， 其中水平荷载 的承受能力对于大直径钢管 单桩基础的稳定性 而言显得更为 重要。为此，大直径钢管单 桩基础水平承载力 的确定已经成为现阶段国内外学者的研究热点。 在考虑土的非 线性、桩周土分层、桩土 间非线性相互影 响、桩端有存 渣、桩长及桩直径变化等因 素时，有限元分析
图 2 土体有限元模型 AB AQUS 软 件 可 以 考 虑 侧 向 土 压 力 系 数 ， 在 INITIALC ONDITIO NS 中设置初始地应力及侧压力系数，并 可在*GE OS TATIC 步中实现平衡。这对模拟岩土问题是非常 有效的。分析过程分三步进行，第一步为*GE OS TATIC 步， 进行初始地应 力的平衡，由于桩体和土体 的重度不一样，本 文首先采用假 定桩体重度和土体重度一样 ，然后通过第二步 *B ODYF ORC E，加上桩体和土体实际重度之间的差值。 在采用弹塑性 有限元数值计算方法确定 极限荷载时，一 般通过荷载控制方法或位移控制方法进行加载。 三、有限元模型计算结果 1．位移控制方法加载计算结果
方法是现 阶段最适用的方法，它能解 决由于试桩困难及实测
费用大而无法大量进行的问题。
二、有限元模型
对于水平受载的大直径单桩基础，利用 Aba qu s （6.1 0
版本）软 件进行三维分析。模型参考 德国汉诺威风电单桩基
础有限元模型（Abd e l- R a h m a n 模型）。Abd el- Ra h m a n 模
型已成功 应用于挪威北海风电场工程 项目的数值模拟，技术
趋于成熟。
为避免 边界条件的影响，在几何模 型上，用大尺寸来模
拟半无限空间体。分析范围中的桩底土深取 20 m ，模型径向
范围为 40 m 。钢管桩：桩径 D =5 m ，壁厚 T=5 5m m ，桩顶
高程 8.5 m ，桩入土深度 40 m 。桩体采用线弹性模型模拟；
第 11 卷 第 12 期 2011 年 12 月
中国水运 Chi na Wat er Tr a ns por t
Vol . 12 De c embe r
No. 11 2011
近海风电大直径钢管桩基础水平承载力的有限元研究
李 灿，张日向，姜 萌
（大连理工大学 建设工程学部，辽宁 大连 1 1 6023）
2.6
0.3
wenku.baidu.com6.1
20
11.4
0.1
桩 底土
13
0.3
9
4.7
32.3
10
桩体采用 C 3D8 R 单元，土体同样采用 C 3D 8R 单元。
为了减小 计算误差，同时也为了缩短 计算时间，在桩土接触
面附近单 元网格划分得较细，而在远 离接触面的土体，网格
划分相对稀疏，如图 1 所示。桩- 土接触采用 Moh r - Cou lom b