摘 要

基于前人对海相软土-桩基系统水平承载特性的试验研究成果，验证了三维有限元数值分析的可靠性。使用有限元软件ABAQUS进行海相软土中单桩系统在水平荷载作用下的数值参数分析研究，着重考虑对海相软土中桩基水平承载特性影响较显著的力学参数，如桩的弹性模量，土的弹性模量及内摩擦角，探究了在水平静力及循环荷载下海相软土中单桩系统的受力变形特征及响应规律。根据该模型研究近海风机大直径单桩基础承载和变形特性，将完善桩基的水平变形分析理论，为海上风电机组桩基础设计提供一定的理论参考。相关研究成果可为海洋单桩风机在复杂荷载条件下的安全评估提供有益参考。

关键词：海相软土；单桩；水平承载特性；有限元分析

Abstract

Based on the previous experimental results on the lateral response of single pile installed in soft marine soft soil, the three-dimensional (3D) finite element (FE) numerical analysis procedure was validated. Subsequently, a series of numerical parametric studies on the single pile system installed in soft marine soil deposits under both static and cyclic horizontal loads were carried out using the finite element software ABAQUS. The lateral load deformation characteristics of the single pile-soil systems were systematically explored, considering the many influencing factors namely the shear modulus and internal friction angle of soil, and the Young’s modulus of pile. Using the 3D FE analyses, the bearing capacity and deformation characteristics of single pile foundation with large diameter for offshore wind turbine are investigated, which will likely help deepen the understanding of the lateral behavior of mono pile supported wind turbine subjected to various horizontal loads. Moreover, the findings obtained from this study can provide useful references for the safety evaluation of single pile wind turbine under complex loads.

Keywords：Soft marine soil; single pile; lateral bearing characteristics; finite element analysis

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 研究内容及技术路线 3

1.3.1 研究内容 3

1.3.2 研究目标 4

1.3.3 技术方案 4

第2章 数值模型方法验证 5

2.1 试验相关介绍 5

2.1.1 地基土及模型桩 5

2.1.2 试验布置及安排 7

2.2 三维建模过程 7

2.2.1 模型尺寸及材料属性 7

2.2.2 相互作用及边界条件 9

2.2.3 网格划分 10

2.3 结果对比 11

2.3.1 桩身位移曲线 11

2.3.2 桩身弯矩曲线 12

2.3.3 水平荷载位移曲线 13

2.4 小结 13

第3章 静力荷载下单桩-软土系统水平承载特性分析 14

3.1 数值模型 14

3.2 桩身弹性模量 15

3.2.1 对桩身位移影响分析 15

3.2.2 对桩身弯矩影响分析 16

3.3 土体弹性模量 17

3.3.1 对桩身位移影响分析 17

3.3.2 对桩身弯矩影响分析 19

3.4 土体内摩擦角 20

3.4.1 对桩身位移影响分析 20

3.4.2 对桩身弯矩影响分析 21

3.5 小结 21

第4章 循环荷载下单桩-软土系统水平承载特性分析 23

4.1 荷载设置 23

4.2 荷载位移曲线 24

4.3 桩身位移曲线 25

4.3.1 前五次循环 25

4.3.2 后五次循环 29

4.4 桩身弯矩曲线 30

4.4.1 前五次循环 30

4.4.2 后五次循环 33

4.5 小结 34

第5章 结论和展望 35

参考文献 36

致 谢 38

第1章 绪论

1.1 研究背景

近些年来，随着我国经济的迅速蓬勃发展，土地资源越发紧张，越来越多的海上建筑物开始兴建，如海上风力发电机、跨海大桥等等。高桩基础是这些结构物的最常用基础种类。高桩基础由于长度较大，水平刚度和横向承载力都有所降低。当它受到波浪力、水平地震力、船舶撞击力作用下可能发生较大的水平变形。深入研究高桩基础的水平大变位性状，分析高桩水平变形、内力及桩周土反力之间的内在联系，探讨合理有效的高桩水平大变位分析方法，对于我国科技兴海的战略发展具有重要的科学意义和工程实用价值。

风能是一种可再生的新能源，并且几乎没有任何污染，在走可持续发展的当代有着巨大的发展潜力。1973年发生了世界石油危机，当时绝大部分的常规能源短缺，同时地球环境不断恶化，各国开始重视新能源的发展，而风能也在这个时候发展了起来。现在，风力发电技术已经相对成熟并逐渐完善，风能已然成为我国第三大能源。但是因为土地日益匮乏，而要在陆地上修建风力发电厂需要占用大量的土地资源，所以场址选择越发困难。相比之下，海面的粗糙度比较小，而且风的流速更大，海上的风能资源要比陆地上的风能更好。同时，海上风的瑞流强度小，主导风向也比较稳定，风机不容易产生疲劳。海上风力发电相对陆地风力发电而言无需考虑征用土地的问题，也不会对民众的生活产生干扰。各种各样的优点让海上风力发电脱颖而出，使我国可再生能源有更大的潜力，政府也更加重视大规模的海上风力发电^[1]。

近海风电发电机组和塔架一般具有较大的体型，并且常常会受到不稳定的风荷载及海浪等一些复杂荷载的共同作用，所以通常来说对发电机组的基础要求较高。除了大直径单桩基础外，近海风力发电机组的桩基础形式还有群桩基础，三角架基础和导管架基础等^[2]。

但是相比其他桩基础形式，超大直径单桩基础性能更加优越，所以现在绝大多数海上风力大容量机组都采用了超大直径单桩基础。单桩基础的可用性的影响因素有许多种，其中较为重要的有整机的固有频率，桩的可打入性和基础的水平变形。超大直径单桩基础的直径一般为3m到8m之间，群桩基础的单桩直径一般也达1.5m到2.5m。近海风机的桩基础一般要比陆地上的风机桩基础更大一些。不论是从经济上考虑还是从技术上考虑，近海风机桩基础的设计和施工都更为复杂。一般情况下，在桩基础上修建的大体积结构受到水平动力激励作用下的性能与桩土之间的相互作用有很大的相关性。在受到风荷载或海浪荷载以及船只的冲击或者地震作用，会发生明显的动力响应，很可能会导致结构破坏或者出现提前损坏^[3]。

海相软土是近海风电机的常见基础，它是指沿海地区在历史上的海进时期，沉积形成的软弱土层。在国内外很多城市及海洋地域都分布有大范围、深厚度的软土地层，因此有大量的各类建筑物如高层建筑、桥梁、储油罐、海上钻井平台及风力发电站建于软土地基之上。其分布主要在沿海地区，比如天津，福州，上海，厦门，广州等^[4]。由于各地区地理环境，和土的形成条件不同，各地区海相软土有着较大的差异。海相软土一般来说，强度相对较低，含水量比较高、孔隙比较大，在处理时需要谨慎。在施工过程中即使是只出现一点轻微的小扰动也很有可能会造成一些安全事故^[5-6]。所以必须特别小心，在设计和施工之前准备好一定的应对措施和策略。

由于海洋环境复杂，单桩风机系统在其服役年限内需经受到各种复杂动力荷载的各种考验，这些荷载包括：风力、波浪力和地震^[7]。要保证单桩风站系统的长期安全性，就要确保其具有良好的水平承载性能。在海相软土中，由于土体侧抗力较软弱，当桩承受较大的水平荷载时，为防止地基土出现破坏而使地基承载能力降低，需要对海相软土桩基的受力特性进行深入研究，以便指导设计对地基做出正确的处理，保证结构的安全可靠^[8]。本课题拟在广泛搜集国内外文献资料基础上，开展相关模型试验和数值分析研究工作。探究在水平静力及循环荷载下海相软土中单桩系统的响应规律，相关研究成果可为海洋单桩风机在复杂荷载条件下的安全评估提供有益参考。

1.2 国内外研究现状

桩基础通常是用于抵抗施加于结构上的轴向和横向荷载。在水平荷载作用下，桩和土之间相互作用的受力性状尤其复杂，各类土体的地基反力分布差异较大，桩与土之间相对刚度很难确定^[9]。国内外对桩基的水平受荷特性已开展了大量研究，主要可以分为弹性分析法和弹塑性分析法。弹性分析法主要有地基梁法、有限元法和边界元法，它们预测的桩基性状比较一致，这类方法很难准确预测桩基发生较大变形时的实际性状。然而由于这类方法分析简单，我国相关规范仍广泛沿用。有许多不同的方法可以用来确定侧向加载桩的特性。其中最流行的方法之一是负载转移方法，通常称为“p-y曲线法”。p-y曲线法将桩体模型化为弹性构件，土体模型化为一系列非线性弹簧^[10]。利用非线性土弹簧描述桩侧土-桩相互作用抗力随桩侧位移的局部变化。当桩基产生较大的水平位移时，选择弹塑性分析模型相对合适一些^[11]。多数发达国家在分析桩基础水平大变形时，都选用p-y曲线法进行分析，它被认为是最有效的方法而广泛应用。得益于海上石油开采工业的快速发展，p-y曲线法在国际上得到了极大地推广与应用，各类p-y曲线形式陆续出现。O’Neill和Murchinson^[12]在1983年建立了一系列砂土的p-y曲线；认为双曲线法精度最高且相对容易使用。1989年Dunnavant和O’Neill 建立了黏土的p-y曲线。传统的p-y曲线是半经验模型，没有考虑桩的抗弯刚度、桩的截面形状、桩的端部约束、桩的安装方法及钻孔方法等。土-桩相互作用，或荷载传递机制，并不是唯一的，而是土与桩性质的函数。研究表明，p-y曲线可以应用于土-结构综合数值相互作用分析中（如有限元法），模拟上部结构与下部结构共同作用时的土-桩反应。然而，由于上述各点对p-y曲线特征影响的不确定性，需要对土-桩相互作用进行更细致的研究。

目前针对海上大直径单桩系统的课题已经有了许多成果，包括其振动特性，地震作用下的响应等。Bhattacharya^[13]等研究了单桩系统在振动作用下的响应。他们通过对比研究十七组试验和数值模拟的结果，得到结论：地基土的种类能够对风机的阻尼因子造成很大的差异。朱斌^[23-27]等进行物理模型试验和ABAQUS数值模拟和原位试验，分析砂土中大直径单桩系统受到水平静力后的变形和承载特性。朱斌等^[14-16]人为大直径单桩系统中API法p-y曲线的误差较大，不建议使用，并推荐使用修正的p-y曲线。他们的结果和KIM B T^[17]等，YAN L^[18]等人不谋而合。ANASTASOPOULOS I ^[19]等分析了大直径单桩系统受到地震作用下的土体液化情况以及受到地震和波浪作用下的动力特性，和不同埋深时单桩系统动力响应区别。

目前来说对于桩基在水平荷载单独作用下的计算研究已经较为成熟和完善，但目前桩基考虑软土作用的研究中，大部分只考虑了软黏土，而针对于淤泥或淤泥质软土为特征的海相软土中桩基力学特性研究较为缺乏。并且p-y曲线与桩的直径有一定的关系，当桩的直径过大时存在一定误差。

1.3 研究内容及技术路线

1.3.1 研究内容

（1）确立适用于海相软土在水平荷载作用下的本构关系模型

基于前人对海相软土物理力学性能的试验研究成果，对现有的软土非线性模型进行修正，选用合适的参数。

（2）与海相砂土桩基模型试验力学进行对比

通过将有限元分析结果与试验结果相对比，验证数值模型方法的可靠性。

（3）数值参数分析

研究各影响因素对软土-桩基水平承载特性的影响。着重考虑海相软土对桩基影响较显著的力学参数，如土体的弹性模量和内摩擦角等。

1.3.2 研究目标

基于他人进行的海相砂土-单桩系统水平受载离心模型试验，建立ABAQUS数值分析模型，并将建模计算得到的结果和试验结果进行对比，分析单桩系统的水平承载特性，同时验证数值模拟模型的正确性。然后基于所建桩土模型，合理考虑海相软土的应变软化特性、桩-土非线性相互作用关系等因素选取合适的海相软土参数进行计算，分析海相软土中大直径单桩基础的水平承载特性及变形特性，完善桩基的水平变形理论，为海上风电机组桩基础设计提供一定的理论参考。

1.3.3 技术方案

本课题拟在广泛搜集国内外文献资料基础上，结合理论分析和试验研究，开展ABAQUS三维有限元数值分析研究工作。探究在水平静力及循环荷载下海相软土中单桩系统的受力变形特征及响应规律，相关研究成果可为海洋单桩风机在复杂荷载条件下的安全评估提供有益参考。

第2章 数值模型方法验证

刘晋超、朱斌等人开展的砂土中大直径单装系统水平受载离心模型试验^[20]，研究砂土中大直径单桩在水平静力作用下的承载特性^[21]。本章基于刘晋超、朱斌等人进行的试验结果，利用有限元软件ABAQUS建立三维模型进行熟悉分析并与其试验结果相对比，从而验证数值模型方法的可靠性。

2.1 试验相关介绍

2.1.1 地基土及模型桩

该水平受载离心模型试验模拟的是近海风机2.5 m 桩径的单桩基础。模型地基是厚度为75cm的福建标准砂。试验地基分为两组，一组为干砂，使用人工降雨的方法制备；另一组为饱和砂，使用真空法令干砂地基饱和。地基土的参数见表2.1。

表2.1 模型砂土基本参数^[20]

试验所用的是6061号的铝合金空心管经过加工制作的截面尺寸为的模型桩。在模型桩的底部放置锥形的铝块使其密封。6061号铝合金空心管材料参数及模型桩与原型钢管桩的参数对应如下表所示。

表2.2铝合金空心管材料参数^[20]

表2.3 模型桩与原型桩参数^[20]

试验采用的弯矩应变片为型号的。在模型桩外表面通共安放了15对应变片。具体布置如下：土面之上0.036 m处一对应变片，土面之下总共布置十四对应变片，其中桩端之上的十二对均为0.036 m以相等间距布置，接近桩端的两对间隔0.090 m。

应变片底层选用应变片黏合剂进行黏合。应变片外层需要用环氧树脂涂抹至少三次以上，然后再用砂纸打磨，令桩身涂层厚度大约为1到1.5mm，且分布均匀。使土层厚度均匀，并且避免外涂层内出现气泡。模型试验桩的抗弯刚度以及应变片的应变系数的标定方法都采用悬臂梁法。在试验前，先将模型桩压到指定标高处。

图2.1 模型桩身应变片布置图^[20]

2.1.2 试验布置及安排

模型箱尺寸为长。箱壁对桩土结构有一定的约束能力，用以模拟模型的边界效应。当模型中结构物与箱壁离的较很近时，箱的约束会对桩的性状产生较大的影响。当模型桩与箱壁相隔得足够远，能够不计边界效应。

布置水平激光位移计的同时布置竖向激光位移计，分别用来它们来检测桩身水平位移和监测加载过程内模型桩前的土体变形情况。前者布置在加载点及下端，后者布置在桩前一倍桩距的地方。在选用反射片时，一般会选择强度相对大一些的碳钢，这样能够有效减小它的变形。为了测量水平荷载，还需要在水平加载电机上挂上轴力计，使它能够和加载头相互连接。水平静力加载速率是每分钟零点一毫米，卸载速率是每分钟零点一七毫米。水平循环荷载是单项的，用力反馈来控制加载的过程。

试验安排共有四组，其中干砂地基三组，饱和砂地基一组。干砂第一组与第二组编号分别为D-1和D-2，同样为水平静力荷载，加载高度分别为6倍桩径和2.7倍桩径。第三组D-3为水平循环荷载，加载高度为2.7倍桩径。D-3试验中，循环荷载比为0.346。加载频率为0.06Hz，循环次数为995次。饱和砂地基试验编号为S-1，为水平静力荷载。

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