海上风电单桩基础的现场测试与数值研究

《Marine Structures》：Field tests and numerical investigation of offshore wind monopile foundations

　　

朱俊林|沈侃民|于健|王斌|郭进

POWERCHINA华东工程有限公司，中国杭州311100

摘要

在中国嵊泗海域的一个海上风电场，对一根大直径钢管桩进行了现场测试，包括轴向压缩、轴向提升和侧向静态加载试验。系统地获得了单桩在不同加载条件下的荷载-位移关系和变形响应。基于测试结果，进行了三维有限元反分析，以研究不同土壤参数选择方法和本构模型对数值预测的影响。研究结果表明，单桩在不同加载条件下的荷载传递机制存在差异。在侧向加载下，桩的响应主要受浅层软土的刚度和退化特性控制，土壤反力集中在近地表层。相比之下，在轴向压缩和提升作用下，荷载传递主要沿桩身和深层土壤传递，其中桩身摩擦力和端部阻力根据加载条件的不同而有所差异。从原位CPTU测试中获得的土壤参数能更真实地反映原位变形行为。当这些参数与考虑小应变刚度的本构模型结合使用时，数值模拟与现场测试结果的一致性显著提高，尤其是在小位移范围内。而仅基于实验室参数或理想化弹塑性模型的分析往往不同程度地低估了桩的刚度。这些发现为理解荷载传递机制以及海上风电应用中单桩基础数值分析中土壤参数和本构模型的合理选择提供了现场依据。

引言

随着海上风电向更大容量和更深水域的发展，大直径和超长钢管桩（单桩）已成为海上风力涡轮机和海上变电站的主要基础类型。与传统近海项目相比，深水环境中的单桩基础同时承受显著的垂直荷载、水平荷载和弯矩。因此，其承载能力和变形行为对确保上部结构的安全性和服役性能至关重要[1,2]。在层状海洋软黏土和砂土中，土壤刚度具有强烈的应变依赖性和非线性特性，这使得桩的响应对地质技术参数的选择非常敏感。这已成为限制海上风电基础精细化设计的关键挑战之一[3,4]。

全球范围内已开展了大量关于海洋环境中大直径钢管桩承载机制和变形特性的研究。对于侧向加载的桩，设计标准（如API [5]和DNV [6]）推荐的曲线方法在工程实践中被广泛采用。然而，许多研究表明，该方法在捕捉大直径桩的刚度退化和非线性响应方面存在明显局限性[7],[8],[9]。为了解决这个问题，一些研究人员提出了基于离心模型试验或数值模拟的改进曲线或新的经验模型[9],[10],[11],[12]。然而，这些方法往往严重依赖于假设条件，其工程适用性仍需进一步验证。最近的研究还考察了具有改进几何形状的侧向加载桩，例如螺旋形[13]和带鳍的单桩[14]，包括循环加载[15]和倾斜地面[16]条件下的情况。尽管这些研究为复杂条件下的桩-土相互作用提供了有用的见解，但它们主要关注特定的桩配置和加载场景。对于垂直加载的桩，大直径单桩的轴向承载机制与传统中小直径桩有显著不同。桩身摩擦力的发挥与土壤应力路径和安装引起的扰动密切相关[17]。一些研究通过结合现场试验和数值分析研究了桩身阻力的分布和演变[18]。

相比之下，全尺寸现场试验获得的数据更能反映真实的桩-土相互作用机制。近年来，关于海上风电单桩项目的现场测试结果报道较少，主要集中在侧向加载下的荷载-位移关系和弯矩分布[19],[20],[21]。这些研究表明，大直径单桩的实际侧向刚度通常远高于设计标准的预测值，浅层软土在控制侧向变形中起主导作用。然而，由于海上现场测试的成本高和组织复杂性，公开可用的全尺寸加载测试数量仍然有限。大多数现有研究仅关注单一加载方向，而同时涵盖侧向加载、轴向压缩和轴向提升行为的系统研究相对较少。缺乏全面的现场测试数据在一定程度上限制了数值模型的验证和不同地质技术参数选择方法的工程适用性评估。

随着计算能力的进步，三维有限元分析已成为解释桩荷载测试结果和进行参数研究的重要工具。与线性弹性或理想弹塑性模型相比，考虑应变依赖性刚度退化的先进本构模型（如硬化土壤模型及其小应变扩展）在表示非线性土壤变形行为方面表现出明显优势[22],[23],[24]。然而，这些模型对输入参数非常敏感，其工程性能在很大程度上取决于参数选择的合理性。先前的研究表明，从实验室测试中得到的刚度参数往往无法充分反映土壤的原位变形特性[25]。近年来，基于CPTU的解释方法已被引入大直径单桩的数值分析中，显示出有希望的结果[26,27]。

尽管有大量的研究，但目前的方法仍存在一些局限性。实践中广泛使用的经验方法（如曲线方法）往往无法准确捕捉大直径单桩的刚度特性和非线性响应，特别是在软土中。结合复杂本构模型的先进数值方法可以更好地表示土壤行为；然而，它们的预测能力高度依赖于地质技术参数的选择，而这些参数通常来自实验室测试，可能无法充分反映原位条件。此外，大多数现有研究仅关注单一加载条件（无论是侧向还是轴向），对不同加载条件下的参数选择一致性关注不足，且与全尺寸现场测试数据的验证相对较少。

为了解决这些问题，本研究针对中国浙江省嵊泗海域的一个海上风电场开展了一项全尺寸测试项目。对一根大直径钢管桩进行了包括轴向压缩、轴向提升和侧向加载在内的一系列静态加载试验。在此基础上，进行了三维有限元反分析，重点评估了不同的地质技术参数选择方法和本构模型。研究结果为多加载条件下单桩基础的参数校准和数值建模提供了现场依据和实际指导。

章节摘录

地质条件

测试地点位于中国东海的嵊泗海域。海底相对平坦，海拔高度大约在-10米到-14米之间。在调查的深度范围内，地下土壤主要由全新世（Q4）海洋沉积物组成，这些沉积物覆盖在上更新世（Q3）的河口至海岸沉积物之上。

在测试桩位置（钻孔ZK45），根据钻孔和CPTU调查得出的土壤层序如图1所示。土壤剖面为

PLAXIS建模与求解

使用PLAXIS 3D对测试桩45#S1进行了数值模拟。将数值结果与现场测试数据进行了比较，以验证模型的准确性并评估不同地质技术参数选择的适用性。根据表1和图1中呈现的现场调查数据，建立了一个全尺寸的三维有限元模型，如图9所示（仅显示模型的一半）。钢管桩的外径为2.0米，壁厚为

基于CPTU数据的土壤刚度参数反分析

上述刚度参数和本构模型均来自实验室e-p曲线测试。然而，海洋钻探采样扰动、封装、运输和实验室测试样品制备可能导致土壤受到显著扰动和损伤，从而导致实验室测试得到的强度和刚度参数被低估。在海上风电项目中，高触变性的、流变性的和敏感的软黏土尤为常见，这使得

结论

基于全尺寸桩荷载测试和三维有限元反分析，可以得出以下结论：

(1) 大直径单桩在不同加载条件下的响应存在显著差异。侧向行为主要受浅层软土控制，而轴向压缩和提升主要由深层土壤控制。此外，许多现有研究仅关注单一加载条件，这可能导致参数选择偏差

CRediT作者贡献声明

朱俊林：撰写——初稿、方法论、资金获取。沈侃民：撰写——审阅与编辑、资金获取、概念化。于健：撰写——审阅与编辑、验证。王斌：形式分析、数据管理。郭进：软件、调查。

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

本工作得到了中国博士后科学基金会（资助编号：2025M783205）和同济大学岩土与地下工程重点实验室的开放资助（资助编号：KLE-TJGE-G2502）的财政支持。对此表示衷心的感谢。