海上风电风机基础桩土相互作用研究

海上风电风机基础桩土相互作用研究

张纯永陆南辛

中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司浙江省杭州市311122

摘要：本文分析了海上风电风机主要作用，并对桩土作用基础理论进行全面阐述，海上风能属于绿色能源，最近几年受到人们广泛关注，由于海上风电基础结构经常受到风、浪等因素的影响，使得桩基稳定性无法得到保证，传统海上风电主要以单桩基础为主要形式，但伴随风机不断发展，发电功率不断增加，使得单桩基础结构直径不断增大，这就需要工作人员加强对风机基础桩土相互作用的研究，进而提高整体性能。

关键词：海上风电；风机基础；桩土；相互作用

前言：在海上风电场建设过程中，地质条件较为复杂，给风机基础桩土建设带来较大困难，对于工作人员提出了较高要求，在这个过程中，不仅需要较多的投资成本，还需要有先进的技术、设备及人才，这样才能对桩土相互作用进行有效研究，因此，工作人员要不断提高自身技能，加大研究力度，进而提高海上风电基础承载力。

海上风电风机概述

意义分析

目前能源问题成为社会高度重视的主要问题，由于我国社会发展速度越来越快，对于能源的需求逐渐增强，使得能源危机的产生，在此情形下，海上风力发电起着至关重要的作用，与陆上风能相比，海上风力发电具有显著优势，其一，风能是一种绿色资源。在对风电场进行建设时，所占土地面积相对较少，一方面不会给陆地资源带来较大浪费，另一方面不会给自然环境带来污染，并且海面风速相对较高，工作人员可以对风速进行充分利用，以此达到发电的目的。根据调查结果显示，海面相对平坦，粗糙度相对较小，发电功率远比陆地上更高[1]。其二，海面风速变化不大。一般情况下，海面风浪起伏程度不明显，工作人员在对海上风机进行搭架时，不需要搭架较大的高度，这样不但能够节省人力资源，还能提高工作效率。并且海面不容易出现气流现象，能够提高风机使用期限，进而提高经济效益。其三，尽管海上风电施工具有一定难度，对于材料消耗量相对较大，但由于海上发电量较大，能够对风能进行充分利用，使得风能使用周期较长，大大提高了对风能的利用率。从目前情况来看，工作人员对于海上风电桩基础利用率逐渐增强，使得施工技术越来越成熟，在之前一段时间内，研究者主要把工作重心放在对受竖向荷载作用的桩基研究中，缺少对受水平荷载作用的研究，在某种程度上限制了海上风机基础的发展。在新时期，研究者对于大直径桩研究还处于探索中，主要由于其具有较高的承载力，进行原型试验具有较大难度，并且需要较多的资金作为支撑，在较短时间内很难获得预期的效果。

海上风电基础形式

常用的海上风电场基础形式有：其一，单桩基础。主要用于水深不超过25米的海域，现在很多工程中都运用直径为5米左右的钢管桩[2]，整个施工过程为：工作人员在对沉桩进行处理后，要把风机塔架进行固定，把其安装在桩顶中，这样不但能够使风机塔架更为牢固，还能提高单桩基础的稳定性。如果地基是软土形式，需要工作人员运用锤基沉桩法来操作，如果地基形式是岩石，需要工作人员运用钻孔方法来操作。其二，群桩基础。主要用于水深小于30米的海域，由小直径斜钢管所组成，此种基础最为显著的特点为具有较大的水平承载力，但需要较长的工作周期，而且工作量较大，需要较多成本投入。其三，重力式基础。主要用于水深小于10米的海域，该种基础能够通过自身重力达到对风机固定的目的，减轻了工作人员的任务量，这与重力式基础体积较大有着紧密联系。此种基础主要是在海上进行施工，需要海床具有良好的平整性，这就需要工作人员提前做好准备工作，对其进行预先处理，并以碎石为基础进行垫层[3]，进而提高海床的平稳性。但也有一定缺点，其施工难度较大，对于施工人员专业水平有着较高要求。

桩土作用基础理论

由于海上结构容易受到很多因素的影响，这就需要工作人员对各个方面内容进行充分考虑，在早期，研究者没有把水平承载力性能作为研究重点，一般情况下，假设定桩只受到轴向荷载，并需要桩基础对水平荷载进行承担[4]。到20世纪中期，为了使桩能够承受较大的作用力，把其设计成低承台桩基础形式，这与当时技术水平有限有着一定联系，使得工作人员无法制造出直径较大的桩，不能把桩打入深土层中，大大降低了桩承载力。在本次研究中，把单桩基础作为研究重要内容，可以把水平承载力受力过程分为几个阶段，其一，弹性变形阶段。在这一阶段，桩身一直处于弹性状态，工作人员在对其进行卸载后，变形可以自动恢复，从而使其恢复到原来状态；其二，弹塑性变形阶段。这一阶段桩具有较大的位移量，能够承受较大的作用力，在很大程度上能够满足相关要求；其三，破坏阶段。主要体现为桩变形不断增加，使得桩周土体出现失稳现象，当位移逐渐增加时，会使得地基出现裂缝现象，从而导致其出现破坏。由于桩尺寸不同，使得桩受到材料强度影响情况不同，如果桩顶较为自由，工作人员可以让桩逐渐向桩端靠近，使其作刚体运动，对于此种类型的桩，工作人员要对抗剪强度进行充分考察，看其强度是否达到规定要求，这样才能确定能否给桩带来破坏。如果桩身强度相对较低，桩身容易受到外界因素的影响，使其发生破坏，如果桩身强度相对较高，破坏程度不明显。

海上风电风机基础桩土相互作用研究

海洋土参数与桩土相互作用

海洋地基土参数对于基础结构有着较大影响，为了确保参数的准确性，工作人员要运用多种手段进行操作，对海洋土参数进行全面研究，以此来分析出于桩土相互作用情况，从而获得相关数据。在这个过程中，循环动三轴试验起着重要作用，工作人员要以实际情况为基础选择合适的围压，这样不但能够加强人们对控制应变的掌握，还能对软粘土进行有效研究[5]。在不同条件下，桩基循环情况有所不同，这就需要工作人员对其进行合理计算，因此，工作人员要以相关原理为基础，建立试验模型，并把模型放到试验中，一方面能够获得较为准确的承载力参数，另一方面能够确保试验结构的准确性，进而使整个工程设计更加合理。

风机基础结构耦合分析

桩基础是海上风机基础中最为常见的一种形式，经常会受到海洋环境因素的影响，要想对受力情况进行有效模拟，需要工作人员根据实际情况建立地基土模型，首先，工作人员要对海况资料进行搜集，并对资料进行整合，提取出对真实有效的信息，然后建立模型。在对风机基础结构耦合进行分析时，包括很多方面内容，不仅需要工作人员做好变形分析工作，还需要工作人员进行地震分析。在此期间，工作人员可以利用SACS建立三维模型，一方面能够增强工作人员对结构的了解，实时掌握风机基础实际情况[6]，另一方面能够使强度更加合理。并且工作人员要各个方面内容进行充分考虑，在确保靠船构件使用的前提下提高基础结构的安全性。

疲劳分析

疲劳分析对于海上风电机正常运行起着重要作用，而且对于资金投入有着较大影响，导管架基础结构主要由多根钢管所构成，具有较多的节点，而节点焊缝是较为薄弱的一个部分，需要工作人员对其高度重视，在作用力影响下，如果工作人员没有对管节点进行有效处理，容易使其出现疲劳破坏现象。由于局部位置不同，使得疲劳现象有所不同，这就需要工作人员以实际情况为基础进行有效分析，掌握具体原因，进而提高整体性能。工作人员要根据基础疲劳来制作实验模型，掌握评估疲劳损伤相关方法，以此来确定疲劳寿命，这样不但能够提高风机桩基使用期限，还能提高经济效益。大多数情况下，工作人员可以运用数值模拟手段来操作，对相关数值进行计算，并把计算结果与试验进行对比，从而把其应用到实际工程中。

（一）防腐设计

工作人员对于海上风机基础进行维护时，成本相对较高，这就需要工作人员做好防腐措施，提高风电场运行效率，延长使用寿命。海洋腐蚀实质是一个电化学腐蚀过程，腐蚀环境不同，使得腐蚀程度也有所差异，一般情况下，腐蚀环境可以分为大气区、浪溅区等[7]，因此，工作人员要根据各个区情况选择相应的措施。工作人员可以对海洋工程进行有效参考，吸取相关经验，这样不但能够确保设计的合理性，还能使其符合风电场具体情况。风机基础主要运用物理方法进行防护，对于环境污染相对较小，并且工作人员要对防腐蚀效果进行定期检查，确保其达到规定标准。

（二）灌浆设计

风机基础灌浆连接段主要由两个同心圆管所构成，从受力方面对其进行分析可知，灌浆连接段对传力荷载起着重要作用，关系着接下来操作是否能够顺利进行，灌浆连接段受力机理较为复杂，在分析时，工作人员既需要对强度进行充分考虑，还需要对疲劳状况进行有效考虑，并且工作人员要把其与有限分析进行紧密结合，这样不但能够提高整体受力水平，还能使灌浆施工正常进行。

结语：通过对桩土相互作用分析可知，桩周土容易出现变形现象，这就需要工作人员加强对桩土作用机理的研究，掌握其应用范围，这样不但能够发挥出其在海上风电基础中的作用，还能达到预期的效果，进而提高社会效益。参考文献：

[1]龚维明，霍少磊，杨超，黄晓晖，过超.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，2015，46（S1）：34-39.

[2]马兆荣，刘晋超，元国凯.珠海桂山海上风电场风电机组基础设计[J].南方能源建设，2015，2（03）：72-75.

[3]曾灵羚.基于广义概率密度演化方法的海上风机单桩基础研究进展[J].机电信息，2017（15）：158-159.

[4]管友海，西文喜，唐兴亮，甘毅，张如林.基于桩筒复合基础海上风机振动特性分析[J].水利水运工程学报，2017（05）：103-108.

[5]马宏旺，杨峻，陈龙珠.长期反复荷载作用对海上风电单桩基础的影响分析[J].振动与冲击，2018，37（02）：121-126+141.

[6]张浦阳，熊康平，丁红岩，郭卫波，乐丛欢.大尺度海上风电筒型基础在风荷载下的响应研究[J].太阳能学报，2013，34（12）：2108-2114.

[7]黄焱，马玉贤，罗金平，陈法波，田育丰.渤海海域单柱三桩式海上风电结构冰激振动分析[J].海洋工程，2016，34（05）：1-10.

作者简介：

张纯永（1985.07），男，汉族，河南周口人，硕士，工程师，从事海上风机基础设计研究

陆南辛（1988.11-），男，汉，湖南省常德市，硕士，工程师，从事海上风电研究方向