风电工程桩-桶复合基础水平承载性能有限元研究.pdf

2023年6 月3 0 日铁路地质与路基2023年第1期总第10 5期风电工程桩桶复合基础水平承载性能有限元研究郭军营（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉4 3 0 0 6 3）【摘要本文利用ABAQUS有限元分析软件分别建立了风电工程桩桶复合基础和大直径钢管桩单桩基础的三维有限元模型，对桩一桶复合基础水平承载性能的影响因素进行了数值模拟，并对粉土地基条件下桩一桶复合基础进行了优化设计。主要结论如下：桩一桶复合基础水平承载性能随着桶的外径和桩一土模量的增大，有上升趋势；随着桶的埋深先增大后趋于稳定。粉土地基条件下，单桩基础的最佳埋深11倍桩径；桩一桶复合基础中钢管桩最佳埋深为8 倍桩径，桶的最佳埋深为2 倍桩径。实际工程中可以用ABAQUS软件模拟得出桩的最佳嵌入深度。【关键字桩桶复合基础水平承载力钢管桩单桩基础风电工程已经成为人类追求可持续发展，缓解全球能源枯竭和环境破坏的重要手段之一。桩基础作为产业结构和地层环境之间的桥梁，研究其承载能力意义重大。为了提高桩的承载能力，越来越多的工作者把突破口瞄准了异形桩。刘冰雪等人使用ABAQUS有限元软件对单桩基础的承载特性进行了研究，得出水平荷载对桩基础的承载力影响最大。徐国宾2 I模拟研究得出桩径是影响桩的承载能力的最大因素；孔德森3 通过ABAQUS有限元软件模拟研究得出在相同荷载的作用下单桩基础水平承载能力明显比复合单桩基础的水平承载能力差；汪顺吉4 使用ABAQUS有限元分析软件对嵌岩桩进行了模拟分析，研究了桩径还有嵌人岩石的深度对桩的水平承载性能的影响，但并未得出最佳埋深。目前相对成熟的研究成果大多是针对单桩基础，对异形桩的研究相对匮乏，且深度远滞后于工程需求。桩-桶复合基础做为异形桩基础的一种，是由单桩基础和桶基础组合的一种新型56基础形式，其特点是由桩和顶盖中心设置空洞的桶组成，桩穿过桶顶盖中心设置的空洞成“巾”字型结构，组合方式多样，有焊接组合及连接件组合等方式。本文采用ABAQUS有限元分析软件对单桩基础和桩-桶复合基础进行数值分析，旨在探讨单桩基础和桩桶复合基础承载性能影响因素并对其进行优化设计，继而为实际工程设计施工提供理论依据。图1桩桶复合基础示意图1ABAQUS模型建立与验证分别进行钢管桩的建模与验证和桶型桩的建模与验证，在模拟结果合理准确的基础上，进行桩和桶的复合基础ABAQUS有限元分析。1.1钢管桩的建模与验证选取龚维明现场试验数据，利用ABAQUS建立与现场试验工况参数、钢管桩参数以及钢管桩所处岩土层参数相同的钢管桩桩土模型，通过对比桩顶的荷载一位移曲线和桩身位移来验证结果的准确性。球饺传力杆千斤顶承压钢板试桩ZZ1(ZZ2)图1.2现场测试图位移计测微管（测斜管)位移管(油管)水平力H平台+4.416号角钢160mm*160mm*10ml光栅传感鑫6.3角钢永平对稀疏。测斜管/63mmg-63mm*5mm油管大位移管1-1荷载箱桩底图1.3 现场水平静载简图本文验证所选的水平试桩编号为41#ZZ2，具体参数数据如下表：表1.1现场试验钢管桩参数表桩长桩径泥面标高桩顶标高桩底标高 钢管材质85.20m1.70m-11.00m+5.20m-80.00mQ345C现场试验钢管桩所处土层分层参数如下表：表1.2现场试验钢管桩所处土层分层参数表分层标高范围（m）厚度（m）第一层19.00 11.00第二层-29.00 -19.00工程桩第三层-83.00-29.00第四层-96.00-83.00土体和桩均采用三维实体单元模拟，土体单元为八节点六面体孔压单元C3D8P。土体采用弹性加摩尔库伦塑性本构模型。为了避免边界效应，土体直径取40 m，约为桩体直径的2 3.5 倍，远大于临界12 倍桩径；土体高度为90 m，桩底距离土体底面距离为21m，约为桩径的12.4倍，远大于临界3 倍桩径。为了确保模型的计算速度和精度均满足要求，模型基于主次原则对土体进行了网格的划分，在土体与桩底接触的上下各5 m范围内以及桩侧与土体接触面周围设置密度测微管较大的网格，远离接触面的位置网格设置相2根2 0 注浆管20715-10-50-5-10-对平衡地应力后的钢管桩的桩一土模型施加40 0 kN的水平力，水平力的施加点在桩顶以下0.5 m处，提交作业输出桩身水平57土质8淤泥、淤泥质黏性土黏性土、粉10质黏土砂质粉土、54粉细砂13含砾粉细砂实测数据模型数据50100水平位移/mm图1.4桩身位移对比图150200位移数据并绘制桩身水平位移图如图1.3。同时将现场试验实测值的水平位移荷载曲线与有限元模型计算所得的水平位移荷载曲线做对比如图1.4。通过对比图可知，ABAQUS模拟结果与现场实验数据吻合度较高，模拟结果合理准确。500400(NY)300-20010000图1.5 桩顶水平位移荷载对比图1.2村桶型桩的建模与验证选取崔永刚 6 文章中的单桶模型2 在黏土地基中的水平受力变形模型试验所得的数据结果，进行有限元的模拟结果的验证。单桶模型2 的尺寸参数表如下：表1.3 单桶模型2 尺寸参数表编号壁厚（mm）直径（mm）高度（mm）单桶模型23崔永刚学者的试验整体装置模型简化图如下图1.5 所示。其中：1和2 分别为固定的立柱和模型试验所用黏土，3 为施加水平力所用气缸，4和5 分别为拉力传感器和铁索拉链，6 和7 均为位移计，8，9，10 分别为电磁开关和试验所用单桶模型以及位移传感器。图1.6 模型试验装置简化图58表1.4桶形桩及地基土有限元模拟参数表E密度摩擦角黏聚力部件(Pa)桶形桩2.1e0.3地基土2e60.35建模过程中，土体和桶型桩的截面类型均为实体均质；桶型桩的桩土的相互作用类型选为表面与表面接触类型，主表面为桶型桩的内侧面、底面以及外侧面；从表面为土体的内侧面、底面、外侧面。桶型桩的桩-土数值分析计算所得数据绘制而成的桶型桩顶部的水平荷载位移现场实测数据曲线和模型试验实测值所绘制的桶型桩的顶数值分析数据部的水平荷载位移曲线对比图如图1.6。对比分析两条曲线可以看出，使用ABAQUS50100水平位移（mm）220(kg/m)(）(Pa)7800*190025150200*25000250300220有限元分析软件所得的桶型桩桩顶水平荷载位移曲线与模型试验实测值所得的桶型桩的桩顶水平荷载位移图线走势大致相同，ABAQUS模拟结果与现场实验数据吻合度较高，模拟结果合理准确。1471210(uul)8-6420-0图1.7桶形桩的桩顶水平荷载一位移对比图综上可得，ABAQUS有限元手段可以用于桩桶复合基础水平承载性能研究。2桩桶复合基础水平承载性能分析2.1有限元模拟的布置为了研究桩桶复合基础水平承载能力的影响因素，本节进行多组有限元模拟对比模型试验数据数值分析数据5001000水平荷载（N)15002000分析：其中通过15 号桩的有限元模拟，旨在研究桶的外径对桩基础水平承载力的影响；通过编号为3、6、7、8、9号桩的有限元模拟，旨在研究桶的埋深对桩基础水平承载力的影响；改变3 号桩的桩土模型的模量比，旨在研究桩一土模量比对桩桶复合基础水平承载性能的影响。本文将模拟用桩编号如下表2.1所示。表2.1有限元模拟布置表桩号桶的外径桶的埋深桩的埋深12.0D22.5D33.0D43.5D54.0D63.0D73.0D83.0D93.0D同时，为了简化模型，方便研究，本文选用具有代表性的直径为5 m的大直径钢管桩作为本次模型的试验用桩，即D=5m；并且选用粉土作为本次模拟的模型用土。2.2模型的建立本章建立桩一土模型时，土体采用圆柱形土体模型，为了避免边界效应，土体直径取2 2 0 m，为钢管桩桩体直径的44倍，远大于临界12 倍桩径；土体高度为8 0 m，桩底距离土体底面距离为2 0 m，约为桩径的4倍，大于临界3 倍桩径。钢管桩的桩长为70m，人土深度为6 0 m，桩的外径为5 m，壁厚为0.0 4m，内径为4.92 m。模型所用桶的壁厚为0.0 6 m。钢管桩和桶的材料均为钢质材料，密度取7 8 5 0 kg/m，杨氏模量取2.1e，泊松比取0.3。建模用土的材质，密度取190 0 kg/m，杨氏模量取3.5 e，泊松比取为0.3 5，Meridional偏心率取0.1，摩擦角取2 0，膨胀角取0.1。桩周土体采用摩尔库伦模型，桩表面为主面，土表面为从面；桩土间采用小滑动的追踪方式，选择面对面的离散方法。以3 号桩为例，划分网格后的桩及土体模型图如图2.1所示：2.0D12D2.0D12D2.0D12D2.0D12D2.0D12D1.0D12D1.5D12D2.5D12D3.0D12D图2.1戈划分网格后的桩和土的模型图2.3桶径对水平承载性能的影响2.3.1数据与结果在进行地应力平衡之后，对单桩1以及15 号桩的桩顶施加10 0 0 kN18 0 0 0 k N的水平力，每次水平力增加10 0 0 kN，并输出钢管桩顶在各个力作用下的水平位移，以此来研究桶的外径对水平承载能力的影响。将模拟数据绘制成桩顶的水平荷载位移曲线图如图2.2 所示。由图中可以看出，水平荷载位移曲线近乎成线性分布，说明钢管桩处于弹性变形阶段。在承受相同的水平荷载时，相比于单桩1，15 号桩的水平位移均有所减小，说明通过桶的组合之后，大直径钢管桩的水平承载性能有所提高。1008060402000图2.2单桩1、15 号桩顶水平荷载位移图当桩顶的水平极限位移为0.1D时，单59单桩11号柱2号桩3号柱4号柱5号桩30006000 9000120001500018000水平荷载(KN)桩1、15 号桩的水平极限承载能力分别约为：10 5 0 0 kN，119 0 0 k N，13 0 0 0 k N,14300kN，15 6 0 0 k N，16 8 0 0 k N。其中5 号桩的水平承载能力提升最大，约为单桩基础承载能力的1.6 倍。下图2.3 为当在桩顶施加10 0 0 0 kN的水平力时，单桩1、15 号桩的钢管桩桩身位移图。由图可知，桩桶复合基础的钢管桩桩身位移普遍小于单桩的桩身水平位移，说明在大直径钢管桩外侧配设桶裙基础，可以有效提高钢管桩的水平承载能力。同时，图中可以看出，随着桶径的不断增加，钢管桩的桩身水平位移在不断减小。单桩的桩身在泥面处水平位移最大，约为3 2 cm。15号桩的钢管桩桩身在泥面处的水平位移分别约为2 6.5 cm、2 2.5 c m、2 1.0 c m、18.7 c m、17.3cm。因此，在实际工程施工中，可以通以下应变云图均为将变形缩放系数调整为实际情况的10 倍，并沿X0Z平面将桩周土切割后的图形。Uu,u图2.41号桩周土体及桩身水平应变云图U,U16e图2.5 2 号桩周土体及桩身水平应变云图U,U1060e368e85U,U1U,U187e02过增大桩桶复合基础的桶的外径的方法来图2.6 3 号桩周土体及桩身水平应变云图改善桩的水平承载性能。并且从图中可以看出，各个桩的桩身位移零点大致相同，均在距泥面以下3 7 m左右，说明桩桶复合基U,U1843e-018e01u,u1础中钢管桩的埋深过大，深处土体并不能发02挥出太大的价值，因此后续可以开展桩桶0203复合基础中桩的最佳埋深的研究。2011000.01040-50-60-70图2.3 单桩1、15 号桩桩身位移图2.3.2模拟结果云图展示当在桩顶施加10 0 0 0 kN的水平荷载时，15 号桩的桩身及桩周土体的水平应变云图如图2.42.8 所示。为了更清晰的观察，图2.7 4号桩周土体及桩身水平应变云图0.10.3u,u10.40.5桩身位移（m）单桩11号桩2号桩3号桩4号柱5号桩图2.8 5 号桩周土体及桩身水平应变云图从15 号桩的土体应变云图可以看出，红色部分土体位移最大，也即桶内上部土体的位移最大。随着桶径的不断变大，桶内发生较大位移的土体的直径也在不断变大，这样就使得更多的土体对桩的水平运动产生了更多的阻力。因此，随着桶径的不断增大，在相同荷载作用下，桩桶复合基础中钢管桩的水平位移在不断减小，桩的水平承载性能在不断的提升。602.4桶的埋深对水平承载性能的影响2.4.1数据与结果对单桩1以及3、6、7、8、9号桩的桩顶施加10 0 0 kN-18000kN的水平力，且每次水平力增加10 0 0 kN，并输出钢管桩桩顶在大小不同的力作用下的水平位移，以此来研究桶的人土深度对桩水平承载能力的影响。将模拟数据绘制成桩顶水平荷载位移曲线图如图2.9 所示。相比于单桩1而言，3、6、7、8、9 号桩在承受相同水平荷载的情况下其水平位移均有所减小，说明通过桶的组合之后，可以在一定程度上改善单桩的水平承载性能。对比3、6、7、8、9号桩的水平荷载位移曲线，发现曲线近似重合，说明随着桶埋深的不断增加，桩的水平承载性能并没有得到较大的改善。10080-60-4020-010300060009000120001500018000水平荷载（KN)图2.9 单桩1、3、6 9 号桩桩顶水平荷载-位移图当在桩顶施加10 0 0 0 kN的水平力时，3、6、7、8、9 号桩及单桩1的钢管桩桩身位移如图2.10。对比分析可知，3、6、7、8、9 号桩的桩身位移虽然均比单桩1的桩身位移小，但桩身位移曲线近乎重合。单桩1在泥面处桩身位移约为3 2 cm，而3、6、7、8、9 号桩的钢管桩桩身在泥面处的位移均在2 2 cm左右，说明通过增大桶的埋深，并不能有效减小钢管桩的桩身位移，也即不能改善桩的水平承载性能，反而造成施工过程中钢材的浪费，因此，在粉土地基中，桶的最佳埋人深度为2 D。1000.0-10-20-50-60-70-图2.10单桩1、3、6 9号桩桩身位移图2.4.2模拟结果云图展示当在桩顶施加10 0 0 0 kN的水平荷载时，3、6、7、8、9号桩的桩身及桩周土体的水平应变云图如图2.112.15 所示。为了更清晰的观察，以下应变云图均为将变形缩放系数调整为实际情况的10 倍，并沿XOZ平面将桩周土切割后的图形。从3、6、7、8、9号桩的土体应变云单桩1图可以看出，位移最大的土体仍然是桶内上3号柱6号柱7号柱8号柱9号桩0.1部土体。但是随着桶的入土深度的增大，桶内产生较大位移的土体的高度并没有太大的变化，即桶内下部土体沿受力方向的位移并没有太大变化。土体高度之所以没有太大变化，分析其原因，是因为桩桶复合基础的整体刚度较大，当桩顶受到水平力作用时，桶身和桩身的相对位移较小，且桶身和桩的上部均绕着桩的底部转动，因此当桶身发生转动时桶的顶部位移最大，桶的底部位移最小，因此位移较大的土体也仅分布在桶体的顶部，下部土体的位移不大。2.3882图2.1166号桩土体及桩身水平应变云图0.2+0.30.4桩身位移（m）单桩13号桩6号桩一7号桩8号柱9号桩U,U189e0.561由图2.16 可知，不同桩土模量比情U,U1况下，桩顶的水平位移荷载曲线都近乎呈线性分布，说明复合桩均处于弹性变形阶段。同时，随着桩一土模量比的不断增大，图2.12 7 号桩及桩身土体水平应变云图相同水平位移对应的荷载也逐渐增大，也即u,u1U,U187e206e-02图2.1333号桩及桩身土体水平应变云图U,U说明桩桶复合基础的水平承载力也在逐渐增大。因此，桩桶复合基础的水平承载性能与桩土模量比成正相关。所以，在工程设计施工中，在条件允许的情况下，尽可能使用杨氏模量较大的桩材。综合分析可得，桩桶复合基础随着桶的直径不断增大，其承载性能呈上升趋势；随着桶的埋人深度不断增大，其承载性能先上升后趋于平稳，即桶的埋入深度有最9e-02图2.148 号桩及桩身土体水平应变云图U,U1佳值。粉土地基中，桶的埋入深度最佳直为U,U12D。随着桩土模量比的不断增大，桩-桶复合基础的承载性能有上升趋势。.801e-023桩-桶复合基础优化设计图2.15 9号桩土体及桩身水平应变云图2.5桩土模量比对桩桶复合基础水平承载性能的影响为了研究桩土模量比对桩桶复合基础水平承载性能的影响，保持土的模量不变，改变桩的模量，并采用位移控制法输出并绘制桩土模量比分别为6 0 0 0 0，5 0 0 0 0，40000，3 0 0 0 0，2 0 0 0 0 时，3 号复合桩的桩顶水平位移荷载曲线如下图2.16 所示。1600014000-1200010000(N)8000600040002000-0-2000-图2.16不同桩一土模量比的桩顶水平位移一荷载图62由图2.3 2.8、2.10 2.15 可知，体深处的桩身并未发生大的水平位移。当桩身嵌人深度过大时，不仅因为增大用钢量而增大成本，同时使桩基础的安装工作变得更加困难；当桩身嵌人深度过小时，桩桶复合基础的水平承载性能将大大降低，为上部基础带来较大的安全隐患。因此，不论单桩基础或者桩桶复合基础，桩的嵌人深度必定存在最优值。如果能得到钢管桩嵌人深度的最优值，不仅可以节省钢材减少工程成本，同时也可以减少施工的难度。本节将进行三组数值模拟。第一：分别进行单桩1、2、3、4、5、6、7 的有限元建模分析，即保持桩径5 m不变，不断改变单桩基础的嵌人深度，以期探究大直径单桩基2000030000400005000060000010础在粉土中的最优嵌入深度。第二：分别进行3、10、11、12、13、14、15 号桩的有限元模拟分析，即维持桶径为3 D，桶的埋深2030水平位移（cm）4050为2 D不变，不断改变钢管桩的埋深，以此来探究桩桶复合基础中，钢管桩在粉土地基中的最优嵌人深度。第三：对比分析不同桩土模量比情况下的10、11、12、13、14、15、16 号桩的水平位移荷载曲线图，旨在研究桩土模量比对桩桶复合基础中钢管桩的最佳埋深的影响。本文将模拟用桩编号如下表3.1所示。除桩的尺寸埋深外，本节桩和地基有限元模型的建立均与第3 节相同。表3.1有有限元模拟布置表桩号桶的外径桶的埋深桩的埋深33.0D103.0D113.0D123.0D133.0D143.0D153.0D163.0D单桩1*单桩2*单桩3*单桩4*单桩5*单桩6*单桩7*3.1单桩埋深最优值研究为了探究钢管桩单桩基础的最优埋深值，本节采用位移控制法，分别对单桩1、2、3、4、5、6、7 进行有限元数值分析，在钢管桩顶部参考点施加0.5 m的水平位移并绘制位移荷载曲线如图3.1所示。从图3.1可以看出，单桩7 至单桩2 的水平位移荷载曲线斜率逐渐增大，说明当桩顶发生相同位移时，其荷载值也不断增大，即随着钢管桩单桩基础埋深的不断增大其水平承载力不断增大。但随着钢管桩单桩基础埋深的不断增大，其水平承载力增大的幅度在逐渐减小，而单桩1和单桩2 的水平位移荷载曲线几乎重合，说明基础的埋深由11D增大到12 D时，基础的水平承载性能并未发生明显的改变，也即说明，直径为5m的大直径钢管桩基础，在粉土地基中的最佳埋深为11D。12000100008000-(NY)6000-2.0D12D2.0D11D2.0D10D2.0D9D2.0D8D2.0D7D2.0D6D2.0D5D*12D*11D*10D*9D*8D*7D*6D单桩74000-单桩6单桩52000-单桩4单桩3单柱20单桩1010图3.1单桩1至单桩7 桩顶水平位移荷载曲线图3.2桩一桶复合基础中桩埋深最优值研究分别对3、10 15 号桩进行了数值模拟研究，模拟结果如图3.2 所示。通过图3.2可以看出，15、14、13 号桩的水平位移-荷载曲线斜率逐渐增大，说明相同位移时，桩顶所承受的荷载在逐渐变大，即基础的水平承载性能逐渐增大。也即说明随着桩桶复合基础中，桩的埋深在6 D、7 D、8 D 时，随着埋深的不断增大，基础的水平承载能力也在不断增大。而从图中可以看出，12、11、10、3 号桩的桩顶水平位移曲线近乎重合，说明当桩的埋深为9D、10 D、11D、12D时，随着埋深的不断增大，桩桶复合基础的水平承载能力并没有明显提升。综合对比分析得出，桩桶复合基础的钢管桩在粉土地基中的最佳嵌人深度为8 D。对比3.1节数值模拟结果可以得出：水平位移为0.5 m时，桩桶复合基础承载性能约为15 0 0 0 kN，单桩基础承载性能约为11000kN；钢管桩最佳嵌人深度值由单桩基础的11D变为桩桶复合基础中的8 D。继而说明，相比于单桩基础，桩桶复合基础不仅可以提高水平承载性能，同时可以减小6320水平位移（cm）30405016000-14000-1200010000(NY)80006000-4000-20000-20000图3.2 3 号桩、10 15 号桩顶水平位移荷载曲线图桩基础的最佳嵌人深度，减小施工难度。因此在实际工程应用中，桩一桶复合基础可以作为增大基础水平承载性能，减小施工难度的选择之一。综合分析得出：在粉土地基中，直径为5m的钢管桩单桩基础的最佳埋深为11D；桩桶复合基础中，桶的最佳埋深为2 D，钢管桩的最佳埋深为8 D。4结论本文利用ABAQUS软件通过数值模拟的方法对分别建立了风电工程桩桶复合基础和大直径钢管桩单桩基础的三维有限元模型，对桩桶复合基础水平承载性能的影响因素进行了数值模拟，并对粉土地基条件下桩桶复合基础进行了优化设计。主要结论总结如下：（1）桩桶复合基础水平承载性能随着桶的外径增大，有上升趋势；随着桶的埋深的不断增大，桩桶复合基础水平承载性能先增大后趋于稳定。（2）随着桩土模量比的不断增大，15号柱14号桩13号12号11号桩10号桩3号桩1020水平位移（cm）桩桶复合基础水平承载性能有上升趋势。（3）粉土地基条件下，单桩基础的最佳埋深11倍桩径；桩桶复合基础中钢管桩最佳埋深为8 倍桩径，桶的最佳埋深为2304050倍桩径。参考文献：1刘冰雪.海上风机桩基础承载特性的三维有限元分析 D.大连理工大学，2 0 0 9.2 徐国宾，俞益铭，王海军.海上风机钢管单桩基础轴向承载力研究 J.水电能源科学，2012(04):79-82.3 Kong Desen,Guo Wenting,Wu Yanchong.Numerical analysis of horizontal bearing capacityof composite pile foundation for offshore wind tur-bineJ.Science Technology and Engineering,2020,20(20):8350-8355.4 汪顺吉.海上风机嵌岩单桩基础承载性能研究J.中国水运：下半月，2 0 18,v.18(04):236-238.5 龚维明，霍少磊，杨超，等.海上风机大直径钢管桩基础水平承载特性试验研究 J.水利学报，2015(S1):34-39.6崔永刚.桶形基础水平承载力研究 D.天津大学,2 0 16.64