【摘 要】
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海上风机桩基础在风、浪、流等水平循环荷载作用下极易产生累积变形,影响风电机组的正常服役甚至导致风机整体失稳破坏。且我国东部近海海域广泛分布着深厚的软黏土层,桩周软黏土在长期循环荷载作用下极易产生超静孔隙水压力的累积及强度弱化,影响桩土的相互作用。本文采用理论、试验和数值三方面相结合的方式对软黏土地基海上风机桩基础在水平荷载下的累积变形规律进行深入研究。在此基础上针对土体特性提出了适用于黏土和砂土的
【基金项目】
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国家自然科学基金重点项目（项目编号51938005）:城市地下空间建设环境下地下结构安全控制理论及方法
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海上风机桩基础在风、浪、流等水平循环荷载作用下极易产生累积变形,影响风电机组的正常服役甚至导致风机整体失稳破坏。且我国东部近海海域广泛分布着深厚的软黏土层,桩周软黏土在长期循环荷载作用下极易产生超静孔隙水压力的累积及强度弱化,影响桩土的相互作用。本文采用理论、试验和数值三方面相结合的方式对软黏土地基海上风机桩基础在水平荷载下的累积变形规律进行深入研究。在此基础上针对土体特性提出了适用于黏土和砂土的双屈服面渐进硬化本构模型,并应用到水平循环受荷单桩基础的数值分析中。根据试验及模拟研究结果,建立了软黏土地基海上风机桩基础累积变形与极限控制荷载、曲率（初始刚度）及设计荷载（循环幅值）有关的预测模型。可通过简单的现场静载试验或静力数值模拟获得的荷载位移曲线,有效预测海上风机桩基础的桩顶累积变形。本文的主要内容及研究成果如下:（1）在修正剑桥模型的基础上,采用内屈服面渐进硬化机制实现当前应力点从加载屈服面到外屈服面过程中塑性模型的光滑转变,建立统一的状态参数,采用新的屈服面方程,提出了适用于黏土和砂土的双屈服面渐进硬化本构模型。对于黏土,选取e-ln p’平面上的正常压缩曲线NCL作为黏土的参考应力线,对于砂土,选取e-ln p’平面上的极限压缩曲线LCC作为砂土的参考应力线,从而实现了黏土与砂土当前应力点到参考应力点之间相对距离的统一。引入与砂土密实度有关的屈服面形状参数,使模型能够考虑砂土的初始密实度,实现砂土不排水液化特性的模拟,当不考虑该形状参数时,屈服面退化为黏土模式。此外,针对天然黏土的循环特性,加入非线性小应变和弹性各向异性的概念以及结构损伤硬化法则,同时在加载屈服面的硬化法则中增加循环累积速率控制参数,实现天然黏土在循环荷载下闭合的滞回特性、循环安定和破坏特性,充分考虑土体在剪切过程中结构性的逐渐退化。（2）采用渐进硬化机制代替常规弹塑性模型的映射法则和插值定理,根据加载屈服面的一致性条件进行简化积分计算,采用切面隐式积分算法使用类似于修正剑桥模型的应力积分格式编写本构代码,并嵌入FLAC3D中。（3）利用FLAC3D和本文提出的本构模型分析软黏土地基不同桩土参数下水平受荷单桩基础的累积变形规律。根据模拟结果发现了桩周土反力的最大值总是出现在泥面下2D-2.5D深度处,同时,桩周土反力的弱化主要集中在泥面下5D深度范围内,5D深度以下,桩周土反力不再出现弱化。随后,采用幂函数的形式引入桩顶累积变形计算公式,建立了桩顶累积变形与极限控制荷载、曲率（初始刚度）及设计荷载（循环幅值）有关的预测模型。可通过简单的现场静载试验或静力数值模拟获得的荷载位移曲线,有效预测海上风机单桩基础的累积变形,同时简单估算所需设计疲劳周期的循环控制幅值。（4）开展了软黏土地基四腿导管架基础水平受荷离心模型试验,研究了导管架基础在水平单调和循环荷载下的受力和变形响应。根据试验结果可知,加载历史对导管架基础的力学响应影响很大,在低应力水平下,基桩在土体扰动后的桩身弯矩和变形明显大于独立单调加载的情况,但在连续循环加载过程中,后循环的导管架顶部的水平累积变形速率相比初次循环更为稳定,桩周土在多次循环下发生孔隙水的消散与重固结,导致了桩周土的逐渐硬化。此外,基桩的水平位移和弯矩随循环次数呈双对数线性增长,竖向累积位移则随循环次数的增加而线性增加。加载顺序是影响水平变形增长率的主要因素,而竖向变形增长率和桩顶剪力则取决于基桩的位置。导管架基础的循环p-y曲线呈现出典型的滞回和弱化特性。桩周土反力的弱化主要集中在5D深度范围内,浅层土循环弱化更为显著,这与单桩的模拟结果相一致。（5）API规范中静力p-y曲线法低估了桩基的初始刚度和水平极限承载力。采用双曲正切型p-y曲线法更适用于黏土地基海上风机桩基础桩土相互作用的计算。对于软黏土地基导管架基础的群桩效应,前后排桩的p乘子分别可取0.93和0.76,这一数值明显低于砂土地基。同时,采用折减静力p-y曲线的方法,建立了桩周土反力在循环荷载下的衰减模型,并建议了循环弱化因子的取值范围。另外,导管架基础的循环累积变形规律与单桩相似,对比导管架基础试验数据,进一步验证了利用静力荷载位移曲线预测桩顶累积变形方法对于导管架基础的有效性。
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