自升式海上风电安装平台插桩深度计算方法

NA V AL ARCHITECTURE AND OCEAN ENGINEERING 船舶与海洋工程2018年第34卷第2期（总第120期）
DOI：10.14056/ki.naoe.2018.02.001
自升式海上风电安装平台插桩深度计算方法
王徽华
（江苏龙源振华海洋工程有限公司，江苏南通 226014）
摘要：鉴于目前海上风机的安装主要借助自升式风电安装平台，为保证自升式风电安装平台吊装的安全性，开展平台插桩入泥深度的计算方法研究。

考虑到相邻土层的影响，提出海底多层土极限承载能力的计算方法，并将其与实际施工记录及有限元分析结果相对比，验证该方法的准确性，为海上风电装备的施工提供参考。

关键词：自升式海上风电安装平台；入泥深度；多层土；穿刺
中图分类号：TU473.1; U674.38 文献标志码：A 文章编号：2095-4069 (2018) 02-0001-04
Calculation of Leg Penetration Depth for
Jack-up Offshore Wind Turbine Installation Platform
WANG Hui-hua
（Jiangsu Longyuan Zhenhua Marine Engineering Co., Ltd., Nantong 226014, China）
Abstract: Considering the fact that majority of offshore wind turbines are installed by jack-up platforms, studies are carried out on the calculation method of platform leg mud penetration depth to ensure the safety of jack-up wind turbine installation platform. Then the method for calculation of the ultimate bearing capacity of multi-layered soil at sea bottom is proposed, taking into account the influence of the surrounding soil layers. The accuracy of the method is validated through the comparison between construction data and finite element result. The method provides reference for the installation operation of offshore wind turbines.
Key words:jack-up offshore wind turbine installation platform; leg penetration depth; multi-layered soil; punch-through
0引言
随着环保要求日益严苛，风能作为一种绿色能源越来越受到重视。

由于海上的风况远远优于陆地，当前风力发电正逐步由陆地延伸到海上，海上风能的开发和利用已成为世界新能源发展的亮点。

风电安装船作为建设海上风电场的关键装备，其开发利用也得到关注和重视。

自升式风电安装船是一种全新的海洋工程船，主要用于运输和吊装海上风电设备。

该船将运输船、海上作业平台、起重船及生活供给船的各项功能融为一体，可独立完成海上风电设备的运输和安装作业，因此在海洋风电安装领域得到广泛应用。

该船通过将桩腿插入海底来支撑船体结构进行海上风机的吊装，桩腿入泥深度直接影响平台的吊装性能，因此开展自升式海上风电安装平台的入泥深度研究意义重大。

当前相关研究人员已针对海底土层承载力的计算开展较多工作。

袁凡凡等[1]开展层状地基土的承载力计算，在迈耶霍夫和汉纳成层土地基极限承载力计算的基础上进行改进，提出多层土的极限承载力计算。

杨军[2]采用数值模拟的方法开展自升式平台插拔桩土体数值模拟研究，得到入泥深度和拔桩力。

张兆德等[3]
收稿日期：2016-06-16
基金项目：国家自然科学基金（51509113）
作者简介：王徽华，男，工程师，1982年生。

2005年毕业于重庆大学机械设计制造及自动化专业，现从事海上风电安装工作。

2 船舶与海洋工程2018年第2期
采用有限元分析模型开展桩靴贯入土层的过程研究，得到桩土交界面处土体流动的动力反应特性。

本文在经典土力学的基础上，采用层状土的承载能力计算理论开展海洋风电安装平台插桩入泥深度的计算，并将其与实际的施工记录及非线性有限元分析结果相对比，验证方法的准确性。

1 自升式风电平台桩靴入泥深度计算
1.1 桩靴入泥过程描述
预压加载时桩靴的贯入是一个连续的过程，贯入深度一般根据地基土承载力沿土层的变化曲线和桩靴承担的荷载来确定。

地基土承载力沿土层的分布曲线是通过假想桩靴位于土层中不同的位置（见图1），由地基承载力公式计算得出的。

海上自升平台桩靴承载力计算的特点为： 1) 桩靴自身尺寸较大，在计算承载力时，需考虑桩靴承载影响范围内土层强度的变化，即按多层土（层内均质）地基或强度随土层深度线性变化的地基土进行承载力评价；
2) 桩靴贯入深度较大，需考虑地基土可能回流到桩靴上部对承载
力的影响。

SNAME [4]和ISO [5]推荐采用浅基础承载力计算公式评价桩靴承载力及贯入深度，并考虑层状地基对承载力的影响。

1.2 计算流程
1) 以基础位于层间分界面上为前提，计算各层土所能提供的承载力，计算结果用于下一步计算时判断土层的软硬和计算最终承载力；
2) 从海床泥面开始，针对不同的贯入深度，根据地基土层的情况（软硬的组合）计算承载力； 3) 根据不同贯入深度得到承载力，绘制承载力沿地基深度的变化曲线，根据桩腿预压荷载确定贯入深度，判断穿刺风险。

1.3 土层承载力计算
1.3.1 均质地基承载力计算
均质土地基极限承载力的一般计算式[6]为
0.5u c c c q q q q cN s d qN s d BN s d γγγγ=++ (1)
式(1)中：c 为地基土的黏聚力；q 为基础底面以上荷载，一般为基础底面以上土重；c N ，q N ，N γ为地基承载力系数，与地基土类型有关；c s ，q s ，s γ为基础形状修正系数，与基础形状及地基土类型有关；c d ，
q d ，d γ为基础埋深修正系数，与基底深度及地基土类型有关。

1.3.2 层状地基承载力计算
1) 上硬下软的双层及多层地基的承载力采用MEYERHOF 等[7]提出的层状地基承载力计算公式计算，即
1
1
1
1
1
1
1
1
2/(22)tan /n n i n u b ai i i i i j j i si i i i
i i j i q q c H B H H H D K B H γγγφγ----=====++++-∑∑∑∑
(2)
式(2)中：i H 为第i 层土的厚度；i φ为第i 层土的内摩擦角；
D 为基础底面的埋深；i γ为第i 层土的重度；si k 为第i 层土的冲剪系数，根据上下土层的强度比和第i 层土的内摩擦角，由MEYERHOF 等[7]提供的计算图确定；ai c 为第i 层土的黏结力，根据第i 层土的黏聚力和上下土层的强度比，由MEYERHOF 等[7]提供的计算图确定。

2) 采用式(1)和式(2)进行层状土的承载力计算。

2 穿刺破坏判断
对于存有软弱下卧层的海洋地基，上部坚实土层提供的承载力受软弱下卧层的影响。

在平台吊装作业
图1 桩靴入泥过程 桩靴 第1层土 第2层土 第n –1层土
第n 层土 第n +1层土
王徽华：自升式海上风电安装平台插桩深度计算方法 3
或风暴自存状态下，受环境荷载影响，桩靴对地压力可能暂时超过设定的对地压力值，或桩靴地基因处于偏心受荷状态而导致地基承载力有所下降。

此时若坚实土层提供的极限承载力不足，桩靴地基可能会发生穿刺破坏。

图2为穿刺破坏示意，在桩靴地基极限承载力随桩靴贯入深度的变化曲线上出现承载力随贯入深度下降段，当桩靴承担的最大荷载超过上部土层的最大极限承载力时，桩靴地基会发生穿刺破坏。

由于环境荷载的不确定性，难以给出桩靴可能出现的最大对地压力及荷载偏心程度的确定值。

一般采用在平台设计工况下得到的最大桩腿荷载乘以一定的安全系数K 进行穿刺破坏的校核。

max D max
F
K F =
(3)
式(3)中：max F 为桩靴位于坚实土层中计算出的最大承载力；Dmax F 为设计指定（预计）的桩腿预压力。

根据SNAME [4]的推荐，当硬土层提供的极限承载力安全系数K ≥1.5时，穿刺不会发生，该位置适合平台插桩。

3 计算结果
选取如东龙源试验风场进行计算分析，其中某机位的海底地质情况如下。

1) Q 4-①层粉砂：主要由新近沉积的粉砂及粉土组成，含少量贝壳碎屑，层厚7.1m ，饱和、松散，中等压缩性土。

2) Q 4-②-2层粉砂：偶见贝壳碎屑，局部夹黏土薄层，层厚5.60m （本计算调整为3.6m ），稍密，中等压缩性土。

3) Q 4-③-夹1层状淤泥质粉质黏土：淤泥质粉质黏土与粉土呈互层状，其中淤泥质粉质黏土单层厚2~30mm ，流塑；粉土单层厚1~20mm ，淤泥质粉质黏土与粉土厚度比为2:1~5:1，见少量腐殖质及贝壳残片。

层厚12.5m ，属高压缩性土，工程性质差。

4) Q 3-⑥-1层粉砂：见少量贝壳碎屑，局部夹粉土和薄层可塑状黏土，层厚19.80m ，中密～密实，中等压缩性土。

5) Q 3-⑥-3层粉细砂：含少量贝壳碎屑，局部夹粉土和薄层状黏土，本次揭露层厚14.6m ，密实，属中等压缩性土。

风机采用“龙源振华2号”进行吊装，其设计桩靴压力为3.773×107N 。

各土层的参数见表1。

表1 各层土的参数
固结快剪参数 内摩擦角φ/(°)
土层编号
土层名称
层厚/m 天然重度 γ/(kN/m 3) 饱和重度 γ/(kN/m 3)修正后的标贯击数锥尖强度平
均值F qc /MPa 内摩擦角φ/(°) 黏聚力 c /kPa 标贯击数估算静力触探
估算 Q 4-① 粉砂 7.119.42 19.65 3.6 0.30 / 3.24
25.0/31.9
(33.3)
3.3
27.5
—
Q 4-②-2 粉砂 3.619.33
19.52
8.6
3.15 32.8 3.8 27.5 32.2 Q 4-③-夹1 层状淤泥质粉质黏土 12.517.36 17.34
—/— 2.12/—
14.3 (10.9/31.3)13.3
(14.4/7.8)
—
—
Q 3-⑥-1 粉砂 19.819.42 19.60 20.2 10.27 33.8 4.6 32.7 35.7 Q 3-⑥-3
粉细砂
14.6
19.42 19.83 25.6 12.15 34.0 1.9 35.1 36.2
首先开展均匀地质下各层土的承载力计算，即不考虑各层土之间的相互影响，结果见表2。

图2 穿刺破坏示意
承载能力
预压载载荷
穿刺
入 泥 深 度
4 船舶与海洋工程2018年第2期
表2 桩靴位于各层土表面时的承载力
土层编号 土层名称 土层厚度/m
桩靴承载力/N Q 4-① 粉砂 7.1 1.1678×108 Q 4-②-2 粉砂
3.6
1.3607×108
Q 4-③-夹1 层状淤泥质粉质黏土
12.5 7.2412×106 Q 3-⑥-1 粉砂 19.8 1.6499×108 Q 3-⑥-3
粉细砂
14.6 1.7527×108
考虑相邻土层的影响，进行层状土的承载力计算，结果见图3。

图3中实线为桩靴贯入土层后其土层极限承载力与入泥深度的变化曲线，点划线分别为3.773×107N 和5.660×107N ，可见该机位的入泥深度很小。

考虑到表面浮泥的影响，入泥深度很小，仅为0.5m ，实际的入泥深度为0.6m （根据施工记录），这与实际入泥深度相差很小，没有穿刺风险。

此外，采用非线性有限元数值模拟方法对自升式风电安装平台的桩腿入泥深度进行校核。

地基土采用理想弹塑性模型描述，屈服准则采用ABAQUS 内建的Mohr-Coulomb 准则。

有限元模型图见图4。

在海底表面插桩，计算得到的载荷-位移曲线见图5。

图3 桩靴所在位置土壤承载力随桩靴贯入深度的变化 图4 有限元模型图
图5中，曲线在7.644×107N 左右时急剧下降，可选用该值作为极限承载力，相应的桩靴沉降量为80mm 。

由图5可知，桩靴位于第一层土上时，该层土的承载力已经远大于桩腿的预压载荷，因此可以认为：由有限元计算可得的插深约为0，考虑海底的浮泥影响，可认为插泥深度为
0.5m 。

结果表明，本文提出的理论计算方法与非线性有限元分析结果及实际插桩入泥深度相吻合。

4 结 语
针对自升式海洋风电安装平台的施工特点，提出一种用于
评估其桩腿入泥深度的计算方法，并与实际的插桩入泥深度相比较，得出以下结论：
1) 利用该方法可较为快速地开展桩腿入泥深度评估，可为风电施工企业节省较多的成本； 2) 计算结果与实际的施工记录相比，误差较小，可为海上风电的施工提供较为准确的依据。

【 参 考 文 献 】
[1] 袁凡凡，闫澍旺，孙万禾. 关于成层土地基极限承载力的计算方法[J]. 水利学报，2001, 32 (3): 41-45. [2] 杨军. 自升式平台插拔桩土体数值模拟及平台强度计算[D]. 北京：中国石油大学，2010.
[3] 张兆德，张心. 土体流动对自升式平台桩靴极限承载力的影响[J]. 船舶与海洋工程，2015, 31 (3): 16-21.
[4] SNAME. Guidelines for site specific assessment of mobile jack-up units: Technical and research bulletin5-5A[S]. 1997.
[5] ISO. Petroleum and natural gas industries–offshore structures–part 4: Geotechnical and foundation design considerations: ISO
19901-4[S]. 2003.
[6] 钱家欢，殷宗泽. 土工原理与计算[M]. 北京：中国水利水电出版社，1996.
[7] MEYERHOF G G , HANNA A M. Ultimate bearing capacity of foundations on layered soils under inclined load [J]. Canadian
Geotechnical Journal, 1978, 15: 565-572.
图5 载荷-位移曲线
19.6 39.2 58.8 78.4 98.0
极限承载力/106N
050100
150200
竖向位移/m m
19.6 39.2 58.8 78.4 98.0承载力/106N
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
深度/m
3.773×107N
5.660×107N
x
y z O。