海上风电大直径单桩基础水平向承载特性研究

摘 要：本文针对海上风电大直径单桩基础的水平受力性能进行研究。首先，建立土的动态强化数学模型，其次，分析单桩基础水平向承载力影响因素，最后，对考虑土体弱化的海上风电大直径单桩基础水平向承载特性进行分析。研究发现，大直径单桩基础的水平向承载能力主要受桩径、桩长等因素影响。在循环荷载作用下，基础的刚度衰减呈现一定的规律性，随着循环次数增加，刚度逐渐衰减。

关键词：海上风电；大直径；单桩基础；水平向；承载特性

中图分类号：TU 47" " 文献标志码：A

1 构建土体运动硬化模型

对海上风电大直径单桩基础水平方向承载特性进行深入研究，需要关注土体的塑性变形行为。土体作为大直径单桩基础的主要承载介质，其塑性变形行为直接影响基础的承载性能[1]。因此，为了准确模拟和预测土体的塑性变形行为，需要构建一个土体运动硬化模型。

该模型能够考虑土体在复杂应力状态下的流动和硬化行为，对理解大直径单桩基础在水平荷载作用下的性能表现至关重要。采用该模型模拟和分析土体在基础底部的应力分布、塑性区域的发展以及硬化过程中的剪切带形成等现象。

本文建立土的非线性应力-应变关系的数学模型、考虑剪切带形成的局部化现象以及流动与硬化的耦合效应等因素[2]。采用适当的本构方程和模型参数，模拟不同工况下土体的应力分布和变形行为，为大直径单桩基础的水平向承载特性分析提供更加准确的预测方法。土体的屈服函数表达式如公式（1）所示。

Φ=F（σij，aij）-A=0 （1）

式中：Φ为土的屈服强度；σij为应力张量；aij为后应力张量（它是确定应力空间中屈服面定位的动态强化参数）；A为屈服面在应力空间上的大小。与 Mises屈服判据相关，关系如公式（2）所示。

可通过公式（3）计算背应力参数。

式中：C为初始运动硬化模量；γ为背应力随塑性变形发展的硬化率；p为等效塑性应变增量。按照本文上述内容对土体运动硬化模型进行构建。

2 单桩基础水平向承载力影响因素分析

在海上风电大直径单桩基础中，水平向承载力的影响因素众多，主要因素如下。1）土体性质：密度、含水量、塑性、弹性模量等土体物理参数。一般来说，土体越密实、含水量越低，其承载能力越强[3]。2）桩身设计：桩身的截面形状、材料强度、桩身的长度和直径等设计因素。合理设计能够提高单桩基础的承载力，减少桩身和土壤的应力集中。3）施工方法：例如桩身的打入方式（锤击或振动）、打入深度等，也会影响单桩基础的承载力[4]。不适当的施工方法可能导致桩身偏斜或下沉，影响其水平向承载力。

在上述分析基础上，结合上述构建的土体运动硬化模型，对影响单桩基础水平向承载力的各项因素进行具体分析。可以建立一个土体硬化模型，这个模型基于塑性理论，能够反映土体硬化规律。模型的弹性部分可以采用合理的双刚度，即加载卸载模量分别定义，同时考虑土体的压硬性。塑性部分可以采用非相关联流动法则和各项同性的硬化准则，更好地描述双曲线形式的应力-应变关系和土体的剪胀性。可以采用有限元方法进行数值模拟，例如模拟土体的应力、应变和位移等物理量。在有限元计算中，采用线弹性模型模拟海上风电大直径单桩基础的水平向承载特性。本文数值模拟有以下假设：桩身材料服从线弹性理论，具有均匀的弹性性质。将弹性模量设定为210GPa，壁厚为40mm。在地基土的模拟方面，为了更准确地描述其非线性行为，选用非线性运动硬化模型，构建能反映土的非线性应力-应变关系及土的强化特征的本构模型[5]，为准确预测土体的承载和变形行为提供了有力支持。基于实际工程地质条件对参数进行选择。具体参数：土体的不排水强度为50kPa，初始模量为20MPa。为了提高计算精度，针对桩周土体进行网格加密处理，保证模拟结果的准确性。在模型建立过程中，须特别关注土体范围设定。土体水平向的宽度取6～61倍的桩径，竖向高度则取1～2倍的桩长。这种范围设定能够充分考虑土体对桩基承载性能的影响，并保证模拟的有效性。计算模型包括约35000个网格单元，其中，C3D8R单元表示桩与土的力学行为。这种单元类型适用于三维、八节点、减少积分单元计算，能够提供高精度的模拟结果。图1为单桩有限元计算模型。

上述构建的有限元模型具备合理性，可以保证准确地模拟海上风电大直径单桩基础的水平向承载特性。基于这个验证结果，本文决定采用该模型进行进一步研究。为了全面了解桩基的性能，以直径为1～7m，长度为45m，壁厚为40 mm的单桩为研究对象，采用有限元方法对其进行有限元分析。计算时，将土体的入土量设为固定值，保证研究结果的客观性和可比性。在有限元模拟中，将水平静荷载加载点设定在泥面处，以此模拟实际风电设备对桩基的承载要求。同时，为了简化模型和提高计算效率，假设下部土体为均质土，土质为淤泥质黏土。根据工程地质的实际条件提出这个假设，该假设可以提供合理的近似值。针对不同桩径的有限元模型，根据实际情况和工程要求，详细设定参数，见表1。

按照表1的数据设置，通过模型计算可以得出，当土层厚度相同时，单桩基础的水平承载能力随直径增加而增加。桩身长度对水平向承载特性的影响最大。这个观测结果对理解大直径单桩基础的性能和设计具有重要意义。为了更清晰地展示这种趋势，对不同径长比对应的水平承载力H进行归一化处理，得到H/Hmin。这种处理方式有助于更好地比较不同桩径下的水平承载力，并识别其变化规律。通过深入研究H/Hmin随径长比的变化规律，发现存在明显的趋势，如图2所示，图中详细展示了H/Hmin与径长比之间的关系。

根据API规范规定，可以采用弹性分析法来计算壳体强度。弹性分析法基于弹性力学原理，通过壳体的弹性力学模型，利用弹性理论公式进行计算。这种方法假设壳体在受力后发生弹性变形，且变形与外力成正比。与有限元计算结果相比，API规范结果的误差更大。从图2可以看出，大直径桩的直径比与其水平承载力存在较好的相关关系。尤其是随着桩径和长径比增加，其水平承载力也随之增加。在桩径比较小的情况下，这种增加的趋势更为显著。在此基础上，只要改变最小的直径比，就可以改善基础的水平承载力，其作用十分显著。因为小径长比的桩身在土体中可以起到较大的侧向约束作用，所以有助于提高其水平承载能力。然而，随着桩径长比增加，这种提升作用逐渐呈变缓趋势。说明当桩径长比较大时，即使径长比继续增加，其对水平承载力的提升效果也有限。

这种规律对指导海上风电工程中大直径单桩基础设计和选型具有重要意义。了解桩径对水平承载力的影响，可以帮助工程师们更合理地选择桩径，以满足风电设备的稳定性和安全性要求。同时，该研究结果还可以为未来风电场建设提供有价值的参考信息，促进海上风电的可持续发展。

3 考虑土体弱化的海上风电大直径单桩基础水平向承载特性分析

以非线性运动强化判据为基础，引入相关渗流定律，建立能反映土性劣化特性的本构关系，如公式（4）～公式（6）所示。

式中：δ为土在弱化前后的抗剪强度比；δres为残余衰减比；b为衰减系数；Es为弱化后土体的变形模量；Es0为土体在弱化前的压缩模量；Su为弱化后土体抗剪强度；Su0为弱化前土体初始抗剪强度；Surcs为循环荷载作用下的最终残余强度。结合上述公式，绘制在不同的荷载幅值条件下，海上风电大直径单桩基础水平方向力—曲线图，如图3所示。

由图3可知，循环荷载对桩基的承载能力有较大的影响。桩基的抗弯承载能力已远超出其水平极限。在循环荷载作用下，桩-土体系的水平承载能力将呈现衰退状态，且呈现不同程度的刚度衰减。在各种周期加载的情况下，沿横向位移的刚度的改变情况见表2。

记录不同循环荷载条件下作用转动方向刚度变化数据，见表3。

当循环荷载幅值很小时，桩-土体系的刚度衰减幅度不大。在低周反复加载振幅为0.7倍的情况下，最大水平位移和水平转角分别为32.7m和4.7°。结构的刚度随周期增加而降低。在低周反复荷载下，梁的刚度衰减趋势明显。在此过程中，结构的弯曲刚度比横向刚度的衰减要大。循环次数越少，循环荷载振幅对刚度衰退的影响越小，说明循环次数越少，其对结构刚度的影响越大。

综上所述，桩-土系统的刚度衰减规律与桩基承载力的变化规律具有一定的相似性。在实际工程中，应充分考虑循环荷载幅值和循环次数对刚度衰减的影响，保证桩基的稳定性和保障安全性。

4 结论

本文对海上风电大直径单桩基础水平向承载特性进行了深入研究，得到以下结论。1）桩身长度对水平向承载特性的影响最大。2）当桩径长比较大时，即使径长比继续增加，其对水平承载力的提升效果也变得有限。3）在低周反复荷载下，梁的刚度衰减趋势明显。

这些结论为大直径单桩基础设计、施工和使用提供了重要的理论依据和实践指导。然而，海上风电场的环境复杂多变，大直径单桩基础的实际运行性能可能受到多种因素的影响。因此，未来的研究应进一步关注实际工况下的基础性能表现，加强长期性能观测和安全性评估，为海上风电的可持续发展提供更加坚实的科技支撑。

参考文献

[1] 张亚妹，孙淦，白晓宇，等. 泥岩地基动力打入桩承载特性研究进展[J]. 科学技术与工程，2023，23 （1）：13-25.

[2]白晓宇，吴泽坤，桑松魁，等. 灌注桩承载特性测试技术研究进展[J]. 科学技术与工程，2023，23 （32）：13649-13664.

[3]曹卫平，李贺，陶鹏. 水平荷载-扭矩耦合作用下斜桩承载变形特性数值模拟[J]. 水利水电科技进展，2023，43 （6）：44-49，81.

[4]许泽航，何斌，韩鹏举，等. 荷载倾角对光伏支架微型桩承载特性影响的试验与数值模拟研究[J]. 中国科技论文，2023，8 （10）：1098-1104.

[5]詹伟达，欧红亮，王幸，等. 桩端及桩侧后注浆对超长灌注桩承载特性的影响[J]. 公路交通科技，2023，40 （9）：141-150.