我国东南沿海地区海床上部地层多为海积和冲洪积堆积层, 土层物理力学性质较差, 承载力低且厚度分布不均匀, 下伏层中风化岩层分布不规律, 起伏变化较大, 适合采用高桩混凝土承台基础, 此种基础形式借鉴了港口工程中靠船墩和跨海大桥桥墩的桩基础形式, 由群桩和承台组成, 采用传统的海上施工设备和工艺, 国内施工经验丰富, 嵌岩桩施工实现可靠度高, 稳定性好, 施工工艺成熟^[1]。

海上风电风机基础形式中单桩基础只适合工程地质情况较好的有良好地基承载力的浅水区域, 而我国东南沿海地区水深较深, 海床面下有较厚的黏土层, 承载力较差, 抵抗水平荷载能力不能满足设计要求, 所以该海区多采用高桩承台群桩基础, 桩基础采用钢管桩^[2]。本文针对该地区的工程地质环境条件, 进行了高桩承台群桩基础设计研究, 以探索复杂地质环境下的海上风机基础设计建设。

1 高桩承台群桩基础设计理论及方法 1.1 荷载分析 1.1.1 风荷载

上部风机承受风荷载作用传递至塔筒底的荷载, 如图 1所示, 即为基础结构设计所需的风机荷载, 3个方向的弯矩M_x、M_y、M_z, 3个方向的轴力F_x、F_y、F_z, 可根据风机制造厂家资料, 直接获得计算所需荷载依据。

1.1.2 波浪力

对于多柱式平台, 柱的直径与波长之比很小, 即:

对于这种小直径构件主要采用莫里森-奥布赖恩(Morisen-O.Brien)所提出的方法。本文中斜桩倾角较小, 不考虑斜桩的影响, 当波面高程相对于水深而言较小可以忽略不计时, 忽略群桩效应^[3]。

作用于静水面上z处的波浪力(如图 2)采用Morisen-O.Brien公式为:

$ p(z, t) = \frac{\rho }{2}{C_{\rm{D}}}D\left| u \right|u + \rho {C_{\rm{M}}}\frac{{\pi {D^2}}}{4}\frac{{{\rm{d}}u(z, t)}}{{{\rm{d}}t}}, $

(1)

式中: ρ为海水密度, kg/m³; D为桩直径, m; C_D为速度力系数, 取1.2^[4]; C_M为惯性力系数, 取2.0^[4]。

作用于桩体任意高度z出的水平波浪力为:

$ \begin{array}{l} {f_{\rm{H}}}{\rm{ = }}{f_{\rm{D}}} + {f_{\rm{I}}}{\rm{ = }}\\ p(z, t) = \frac{1}{2}{C_{\rm{D}}}{\rho _{\rm{W}}}\left| u \right|u + {\rm{d}}z + {C_{\rm{M}}}{\rho _{\rm{W}}}\frac{{\pi {D^2}}}{4}\frac{{\partial U}}{{\partial t}}{\rm{d}}z, \end{array} $

(2)

式中: f_D为水平拖曳力; f_I为水平惯性力。

沿桩体全高的总波浪力为:

$ {F_{\rm{H}}}{\rm{ = }}\int\limits_{ - d}^\eta {\left( {\frac{1}{2}{C_{\rm{D}}}{\rho _{\rm{W}}}\left| u \right|u + {C_{\rm{M}}}\rho \frac{{\pi {D^2}}}{4}\frac{{\partial U}}{{\partial t}}} \right)} {\rm{d}}z, $

(3)

1.1.3 潮流力

设计潮流为1.38 m/s, 单独考虑海流的作用时, 由于海流不会引起水质点的加速度, 因此只需根据Morison方程中忽略惯性力条件下求解即可^[5]。

作用于水底面上高度z处的正向波流力计算公式:

$ F = {\rho _{\rm{W}}}{C_{\rm{D}}}{u^2}D, $

(4)

1.1.4 荷载组合

1) 承载能力极限状态工况

γ0 [1.2自重+1.4风荷载(极端荷载)+0.7(1.5潮流力+ 1.5波浪力)]

2) 正常使用极限状态工况

自重+0.6(风荷载(正常运行)+潮流力+波浪力)

1.2 群桩高承台基础设计

根据我国目前设计和施工经验, 以及位于我国东南沿海的莆田地区水文地质资料, 宜采用8根小角度外倾斜高桩承台基础, 桩型采用直径1.8 m钢管桩, 桩靴深入花岗岩层7 m左右, 可满足端承桩承载力要求, 根据荷载工况进行竖向抗压和抗拔承载力计算。

1) 嵌岩桩单桩轴向抗压承载力设计值可按下式计算:

$ {Q_{{\rm{cd}}}}{\rm{ = }}\frac{{{U_1}\sum {{\xi _{{\rm{f}}i}}{q_{{\rm{f}}i}}{l_i}} }}{{{\gamma _{{\rm{cs}}}}}} + \frac{{{U_2}{\xi _{\rm{s}}}{f_{{\rm{rk}}}}{h_{\rm{r}}} + {\xi _{\rm{p}}}{f_{{\rm{rk}}}}A}}{{{\gamma _{{\rm{cR}}}}}}, $

(5)

式中: Q_cd为嵌岩桩单桩轴向抗压承载力设计值(kN); U₁、U₂为分别为覆盖层桩身周长(m)和嵌岩段桩身周长(m); ξ_fi为桩周第i层图的侧阻力计算系数, D>1.0 m时, 岩面以上10 m范围内的覆盖层, 取0.5~0.7, 10 m以上覆盖层取1.0, D为覆盖层中桩的外径; q_fi为桩周第i层土的单位面积极限侧阻力标准值(kPa); l_i为桩穿过第i层土的长度(m); γ_cs为覆盖层单桩轴向受压承载力分项系数; ξ_s、ξ_p分别为嵌岩段侧阻力和端阻力计算系数, 与嵌岩深径比有关; f_rk为岩石饱和单轴抗压强度标准值(kPa); h_r为桩身嵌入基岩的长度(m); A为嵌岩段桩端面积; γ_cR为嵌岩段单桩轴向受压承载力分项系数。

2) 单桩抗拔极限承载力按下列公式计算:

$ {T_{\rm{d}}} = \frac{1}{{{\gamma _{\rm{R}}}}}\left( {U\sum {{\xi _i}{q_{{\rm{f}}i}}{l_i}} + G\cos \alpha } \right), $

(6)

式中: γ_R为单桩抗拔承载力分项系数; ξ_i为折减系数; U为桩身界面周长(m); q_fi、l_i同式(5); G为桩重力(kN), 水下部分按浮重力计; α为桩轴线与垂线夹角(°)。

3) 承受水平力或力矩作用可采用p-y曲线法进行计算, 承受水平力或力矩作用的桩侧土体压应力满足下列要求:

$ {\sigma _{\frac{h}{3}}} \le \frac{4}{{\cos \varphi }}\left( {\frac{\gamma }{3}h\tan \varphi + c} \right)\eta , $

(7)

$ {\sigma _h} \le \frac{4}{{\cos \varphi }}\left( {\gamma h\tan \varphi + c} \right)\eta , $

(8)

$ \eta = 1 - 0.8\frac{{{M_{\rm{g}}}}}{M} \text{, } $

(9)

式中: σ_h/3、σ_h为泥面以下h/3处和h处土的水平压应力(kN/m²); φ为土的内摩擦角(°); γ为土的容重(kN/m³); c为土的黏聚力(kN/m²); h为桩的入土深度(m); η为考虑总荷载重恒载所占的比例的影响系数; M_g为恒载对桩底中心产生的力矩(kN·m); M为总荷载对桩底产生的力矩(kN·m)。

4) 嵌岩端按固接设计时, 嵌岩深度不应小于计算嵌岩深度, 计算嵌岩深度按下式计算:

$ h_{\rm{r}}^\prime \ge \frac{{4.23{V_{\rm{d}}} + \sqrt {17.92V_{\rm{d}}^2 + 12.7\beta {f_{{\rm{rk}}}}{M_{\rm{d}}}D'} }}{{\beta {f_{{\rm{rk}}}}D'}}, $

(10)

式中$ h_{\rm{r}}^\prime $为计算嵌岩深度; V_d为基岩顶面处桩身剪力设计值; β为系数, 取0.2~1.0; f_rk为岩石饱和单轴抗压强度标准值(kPa); M_d为基岩顶面处桩身弯矩设计值(kN·m); D为嵌岩段桩身直径(m)。

5) 承受拔力的桩基础, 应同时验算群桩基础呈整体破坏和呈非整体破坏时基桩抗拔承载力, 计算应符合极限状态计算式如下:

$ {N_{i{\rm{k}}}} \le \frac{{{T_{{\rm{gk}}}}}}{2} + {G_{{\rm{gp}}}} \text{, } $

(11)

$ {N_{i{\rm{k}}}} \le \frac{{{T_{{\rm{uk}}}}}}{2} + {G_{\rm{p}}} \text{, } $

(12)

式中N_ik为荷载效应标准组合下基桩拔力; T_uk、T_gk分别为群桩呈整体破坏和非整体破坏时基桩的抗拔极限承载力标准值; G_gp为群桩基础所包围的桩土总自重除以总桩数, 地下水位以下取浮重度; G_p为基桩自重, 地下水位以下取浮重度。

2 工程案例分析 2.1 工程背景

福建莆田某海上风电项目地区, 该项目所在区100年一遇10 min最大风速即设计风速取40 m/s。属浅海港湾地貌, 水深10~30 m, 场地上覆第四系冲海积层, 下伏基岩为燕山晚期花岗岩。

2.2 工程地质资料

本工程按A类地貌考虑, 上部结构为钢结构。在该海区进行工程地质勘查后, 得到工程区土及桩侧摩和桩端摩擦阻力参数见表 1。

2.3 水文地质资料

场地水文地质概况:拟建海区场位海水化学类型为高矿化度的氯化钠(钾)型水(Cl^–, Na⁺, K⁺), 对混凝土结构具中等腐蚀性; 对混凝土结构中的钢筋、钢结构在干湿交替的情况下具强腐蚀性, 在长期浸水情况下则具弱腐蚀性

2.4 工程海洋水文条件 2.4.1 潮汐

1) 基面关系

根据对工程海区水文观测的实测数据, 对工程场区长期潮位站为期1年的逐时潮位资料进行调和分析计算, 得到的基面关系如图 3所示。

2) 设计潮位

根据长期潮位站实测潮位资料绘制潮位历时累积频率曲线, 将历时累积频率1%潮位作为设计高水位(3.81 m), 将历时累积频率98%的潮位作为设计低水位(–3.15 m)。

按照《海港水文规范》(JTS 145-2-2013)附录C极端水位的近似计算方法, 查取附近平潭站和崇武站的极端高水位为1.3 m, 极端低水位为–1.0 m。因此, 可得工程场区的极端高、低水位分别为5.11 m和–4.15 m(1985国家高程基准)。

2.4.2 波浪

1) 波浪特征

该海域全年有效波高(H_s)平均值为0.80 m, 最大波高(H_max)最大值为13.56 m; 周期(T_a)平均值为3.85 s, 最大值为8.87 s。从H_s平均值看, 总体较小, 在0.47~1.16 m之间。Ta的平均值在3.38~5.70 s, 最大值在5.00~8.87 s。

2) 设计波浪要素

设计波要素代表点位置见图 4, 计算结果见表 2。

2.4.3 海流

工程场区及附近大潮期间平均流速在0.29~ 0.70 m/s。工程场区及附近大潮期间最大流速为1.33 m/s, 对应流向为100°。

2.5 风机荷载

该工程采用西门子生产的单机容量为4.0 MW的SWT4.0-130S离岸型风电机组。设计荷载参数由西门子厂家提供。如表 3、表 4所示。

2.6 基础设计方案

根据风机发电机组荷载参数、当地地质地貌、海洋环境条件以及港口工程施工经验, 初步设计选择群桩数目为8根的高桩承台群桩基础, 承台直径14 m, 厚度5 m, 桩型为端承桩, 桩径1.8 m, 桩长50 m的高端承台群桩基础结构, 其中泥面以上部分为填芯混凝土钢管桩, 泥面以下采用空心钢管桩。

应用上述高桩承台群桩基础设计理论及方法, 经结构设计方法计算分析, 可以满足工程结构要求。

3 基础结构设计方案的数值模拟验证分析 3.1 数值模拟参数设置

利用ANSYS有限元软件进行模拟计算分析, 采用承载能力极限状态荷载参数进行强度校核, 正常使用极限状态荷载参数对刚度进行验证。承台采用solid45单元模拟, 桩采用beam188单元模拟, 桩土作用采用p-y曲线法进行处理^[6], 应用combin139弹簧单元对其模拟。

根据设计文件结构分析建模如图 5所示, 桩土作用p-y曲线如图 6、图 7所示。

3.2 结构内力分析 3.2.1 承台

由图 8、图 9承台应力分布状态及大小可以看出:

1) 承台中最大拉应力与最大压应力都出现在与过渡段和桩接触部位;

2) 承台混凝土整体最大压应力为15.7 MPa, 小于C40混凝土的抗压强度19.1 MPa, 说明混凝土承台的承载力可以达到要求;

3) 承台整体局部拉应力达到5.58 MPa, 出现在过渡段与承台连接部位, 而该位置是由贯穿承台基础的预埋件与过渡段连接, 可以充分避免该位置出现拉应力, 所以该处拉应力不予考虑。

3.2.2 钢管桩

由图 10、图 11钢管桩应力分布状态及大小可以看出:

1) 钢管桩中最大应力为91.3 MPa, 出现在钢管桩的填充混凝土与非填充混凝土分界部位, 小于设计所选用的Q345钢管的强度设计有效值295 MPa, 钢管桩处于安全状态。

2) 桩的最大轴向压力为24 628 N, 小于规范允许值56 280.9 N, 最大轴向拉力为3 036 N, 小于规范允许值11 560 N, 满足钢管桩基础设计要求。

3.3 结构变形位移分析

桩深-位移曲线如图 12所示, 基础变形计算结果见表 5。

由结构变形位移计算结果可以看出:

1) 承台基础的最大水平位移为16.5 mm, 小于设计水平位移容许值150 mm, 竖直最大沉降为5.8 mm, 远小于规范规定地基允许沉降值100 mm;

2) 承台基础的转角位0.001 881 rad, 其正切值为0.001 81, 小于规范允许值0.003;

3) 位移最大位置发生在承台及桩顶部位, 完全符合结构位移特点。

4 结论

依据对工程海区海洋工程地勘实测数据及水文实测数据, 通过对海上群桩高承台结构设计方案通过有限元软件模拟计算分析, 得出以下结论。

1) 该方案满足承载力强度设计要求, 混凝土承台压应力和拉应力均可保证后期设备投产后正常运行, 最大应力主要发生在塔筒底座与承台接触部位及钢管桩与承台连接段, 所以在连接部位应做加强措施处理, 保证在正常使用过程中抗疲劳破坏损伤;

2) 承台基础竖直位移较小, 水平位移相对较大, 位移较大位置主要发生在承台上, 但均能满足规范刚度和变形要求;

3) 由于钢管桩采用了部分填充混凝土, 部分空心结构, 通过计算结果可以看出, 由于桩体界面突变, 在该分界部位应力较集中, 刚度不能顺畅过渡, 容易造成该钢管桩产生局部破坏, 且该地区为沿海台风多发地区, 所以应对局部构造均作加强过渡处理, 可考虑填充碎石土等方法, 以防止由于局部破坏而影响使用寿命。