大口徑單樁基礎最佳化設計
大口徑單樁基礎為目前商轉風場市佔率最高之離岸風機基礎型式，其具有結構形狀幾何簡單、基礎重量輕以及施工便利等優點。然而，離岸風機長期受到來自於風、波、流之側向載重，因此進行大口徑單樁基礎設計時，尤其需針對側向承載力、側向永久變形量以及基礎勁度進行檢核。 目前常用於計算樁基礎受側向載重下變形反應之分析方法為p-y曲線分析法。然而，目前基礎設計相關規範所建議之p-y曲線主要根據樁徑小於2m之現地實驗歸納建立，若未經修正並不適合用於進行大口徑單樁基礎（樁徑>4.5m）受側向力下之變形反應分析。本研究室針對大口徑單樁基礎側向穩定性分析開發樁土互制系統有限元素數值分析模型，數值模型考量樁土摩擦介面，土壤材料以非線性勁度模擬，同時符合庫侖破壞準則。透過數值分析取得基樁受力變形曲線，可評估大口徑單樁基礎於ULS條件下之基礎穩定性，數值模型如圖1。
圖1 大口徑單樁基礎受側向力作用之土壤側向應力分佈[Kuo (2008), Achmus et al. (2009)]
由於來自於海域環境之反覆側向載重將使得離岸風機基礎周邊土壤受反覆應力作用，造成基礎永久變形，影響風機穩定運轉；因此離岸風機基礎設計時，需進行基礎受反覆側向載重下之永久變形量估算，以評估SLS條件下之穩定性。本研究室結合土壤力學動態實驗與有限元素數值模型開發勁度衰減模型SDM(Stiffness Degradation Method)，提供滿足離岸風機設計規範標準之分析方法評估離岸風機於使用年限內之基礎長期變形量。勁度衰減模型SDM已被德國規範(BSH, Federal Maritime and Hydrographic Agency of Germany)納入離岸風機大口徑單樁基礎設計建議方法。不同尺寸之大口徑單樁基礎受反覆側向力作用下樁週土壤勁度衰減如圖2。
圖2 大口徑單樁基礎受反覆側向力作用時土壤進度衰減變化[Kuo (2008), Achmus et al. (2009)]
大口徑單樁基礎受海流與波浪作用常造成基礎鄰近海床淘刷，使大口徑單樁的埋置深度減少，降低樁基礎的承載力。根據歐洲現有離岸風力發電設計規範，建議設計淘刷深度約為1至1.5倍樁徑 [DNV (2004), Germanischer Lloyd (2012)]。本研究室利用土壤勁度衰減模型SDM量化不同淘刷深度對樁基礎側向承載力的影響，圖3顯示淘刷深度S對徑長比D/L較大之大口徑單樁基礎變形反應影響較為劇烈。
圖3 大口徑單樁基礎受淘刷作用下之變形反應分析[Achmus et al. (2010), Tseng et al. (2014)]
離岸風機基礎結構成本極高，工程設計時希望能於滿足承載力與風機運轉需求條件下以最低之成本建置，避免不必要之浪費，因此決定離岸風機基礎最小埋置深度為影響施工與建造成本之關鍵。現今常用之建議埋置深度設計準則建議包括：
1. Lc,const：當埋置樁長達臨界樁長Lc,const時，增加樁長將不會減少側向變形量。
2. Lc,vt：樁身變形曲線至少有一點為垂直切線(vertical tangent criterion)，如圖4。
3. Lc,ztk：樁身變形曲線至少有兩點之位移為零(rigid clamping criterion)，如圖4。
本研究室利用勁度衰減模型SDM評估現有離岸風機支撐結構設計與驗證規範建議中對於最小埋置深度需求之合理性，依勁度衰減模型配合有限元素模擬分析大口徑單樁基礎於不同埋置樁長下之變形行為，提出最小埋置樁長建議。分析結果顯示，Lc,ztk過於保守，建議此設計準則不予考慮[Kuo et al.(2010), Kuo et. al (2012) ]。對於大口徑單樁基礎，一般可視為剛性基樁[LeBlanc(2009)]，其受側向力時，樁身旋轉如剛性體，若需使埋置樁長滿足Lc,vt亦須極大之樁長，以一直徑D為5 m埋置於緊密砂土中之樁基礎為例，恐需要超過50 m之埋置樁長，才能滿足現有規範之要求。然而，當樁長超過Lc,const後，並無明顯證據顯示增加之樁長可減少靜態及反覆作用下之側向變形量(圖5)，惟臨界樁長會隨側向載重大小及作用位置變化，因此建議於離岸風機樁基礎設置時可先依ULS條件下之靜態載重決定Lc,const，再與風機及環境載重振動頻率比較以決定合理埋置樁長。
圖4 離岸風機大口徑單樁基礎埋置樁長設計相關建議
[Germanischer Lloyd (2005), Kuo et al.(2010), Kuo et al. (2012)]
圖5 不同樁長之大口徑單樁基礎受反覆側向力下之樁身變形反應 [Kuo et al.(2010), Kuo et al. (2012)]
參考文獻
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