1、海上風電多樁基礎樁基豎向承載力循環弱化簡化分析摘要：海上風電多樁基礎受上部風機荷載和海洋環境影響，在長期循環荷載作 用下，樁基豎向承載能力呈現一定的弱化趨勢。為此，本文對海上風電多樁基礎 樁基豎向承載力循環弱化進行相關概述，旨在提升海上風電多樁基礎的結構和安 全穩定性，降低工程風險，以期為設計人員提供幫助。關鍵詞：海上風電；樁基豎向承載力；循環弱化前言：隨著社會經濟與科技水平的穩定增長，海上風電項目得到了國家的高 度重視。目前，我國在建或已建的海上風電項目均位于近海海域，風機基礎在風 機荷載和海洋環境等長期循環荷載作用下，多樁基礎樁基豎向承載能力呈現一定 的弱化趨勢。為切實保障海上風電項目的安

2、全性及經濟性，相關技術人員也應從 海上風電多樁基礎樁基豎向承載力循環弱化入手，通過一系列諸如水平靜荷、循 環靜荷等試驗，切實提升海上風電多樁基礎樁基豎向承載力，將承載力循環弱化 的風險性降低到可控范圍之內。1、海上風電多樁基礎豎向承載力循環弱化研究的重要性社會發展與資源保護之間的矛盾日益激化，使得應用海上風電發電等可再生 資源的開發項目得到了快速發展。我國沿海的海岸線長，且海域面積廣闊，風能 資源較優，具有較好的開發和利用價值，相較于其他國家而言，海上風電具有更 好的開發潛力和發展前景。由于近海區域海況條件和地質結構復雜，海上風電樁 基礎豎向承載力受到風、海浪及其他動力設備的荷載力，出現循環弱

3、化的特征1。 為從根本上提升海上風電項目的經濟效益、安全效益及服務效益，設計人員應在 現有的技術水平之上，從海上風電樁基礎豎向承載力循環弱化的機理入手，基于 海上風電項目自身特征及需求，構建起更加完善的海上風電樁基礎建設及維護方 案，延長海上風電項目的全生命周期。2、海上風電多樁基礎豎向承載力中的飽和粘土強度循環弱化分析2.1構建豎向承載力飽和粘土強度循環弱化模型為更好的還原和模擬循環荷載過程，可在樁基礎周邊飽和粘土不排水的條件 下，構建海上風電多樁基礎豎向承載力飽和粘土強度循環弱化模型，應用積累塑 性應變理論，對粘土結構中的強度變化及損失進行全面的模擬和分析，計算軟土 結構不排水強度與未發生

4、軟化現象不排水土體強度的比值，為海上風電多樁基礎 豎向承載力循環弱化研究提供重要的參考依據。2.2明確豎向承載力飽和粘土強度的非均質性現階段海上風電樁基礎設計過程中，均將其設定為軟粘土地基不排水強度不 會隨著基坑深度的變化而發生改變的均質土 2。但由于海上風電項目場區涉海面 積較大，且風機與風機之間的間距相對較遠，不同機位處的土體結構存在一定的 差異性和非均質性，對其豎向承載力產生一定的影響。在分析海上風電多樁基礎 豎向承載力循環弱化時，也應對樁基豎向承載力飽和粘土強度的非均質性進行分 析，構建以有限多元計算方式為主的非均質樁基礎在循環荷載作用下的模型。通 常情況下，非均質粘土不排水強度會隨著

5、基坑深度的改變而發生明顯變化，需計 算出其抗剪力變化總比值，并將其計算結果與海上風電多樁基礎豎向承載力循環 弱化性進行對比分析，以更好控制基礎承載力循環弱化。3、海上風電多樁基礎豎向承載力在拉壓雙向循環下的循環弱化分析3.1應用有限元分析方式在進行海上風電多樁基礎豎向承載力拉壓雙向循環作用弱化分析時，應確保 樁基及其周邊土體結構所受荷載具有軸對稱特征，以更好的利用軸對稱模型進行 有限元模擬分析。在采用有限元分析方式進行海上風電多樁基礎豎向承載力建模 過程中，需依據海上風電項目具體情況，選取適合的樁基直徑及樁長等，并以二 階四邊形單元進行網格劃分；同時，在應用有限元分析法對海上風電多樁基礎豎 向

6、承載力拉壓雙向循環弱化進行分析時，也需注重以下要點：第一，在海上風電 樁土界面中，樁土結構節點可不考慮其滑移作用3；第二，樁基礎土體結構的水 平方向應在其中心軸處增加水平約束力，在所構建的模型底部增加水平及豎直兩 方向約束力。3.2海上風電多樁基礎基樁高強度承載力循環弱化性由于海上風電多樁基礎土體結構多為非均質地基，在分析其承載循環力弱化 的過程中，設計人員還應從海上風電多樁基礎基樁高強度承載力循環弱化性的分 析入手，明確其平均不排水強度以及其在未經過循環強度作用及不同循環位移水 平作用期間的荷載位移情況。其中，海上風電多樁基礎在循環位移水平較小的情況下，對樁基礎極限承載 力不會發生較大的影響

7、，究其原因，主要是循環位移水平較小，被影響樁基礎土 體僅限于較小區域內，在豎向位移作用力下，樁基礎周邊土體內限抗力可使土體 結構影響范圍遠大于循環位移水平作用。4、海上風電多樁基礎豎向承載力中不排水彈性循環弱化分析4.1構建海上風電多樁基礎軟粘土不排水模型依據樁基礎不排水條件可構建海上風電多樁基礎軟粘土不排水模型，并就其 累積塑性應變情況對樁基周邊土體結構抗剪力強弱的變化進行計算4。在構建有 限元數量模擬期間，需對計算靜力加載與循環加載的土體強度弱化現象進行分析; 循環加載土體預應力，不斷修正不排水土體強度弱化參數。隨著海上風電多樁基 礎豎向承載力循環荷載作用的不斷疊加，進一步修正土體結構內塑

8、性應變力，以 找尋出海上風電多樁基礎豎向承載力不排水彈性循環弱化規律。4.2海上風電多樁基礎軟粘土不排水模型的分析依據海上風電多樁基礎軟粘土不排水模型的具體參數數值，對其水平循環受 荷樁進行計算。一方面，在水平荷載力加載前可不考慮彈性模量以及不排水抗剪 強度的弱化，并在積累加載期間對所產生的塑性應變進行統計；另一方面，在加 載水平荷載之后，可依據原積累的塑性應變量對土體彈性模量及其不排水抗剪性 進行弱化修正，并在彈性卸載弱化后及時調整變量參數，反復計算。除此之外， 也可用循環荷載分析法，先對基樁施加靜力荷載，再得到循環后的樁側極限抗力， 最后對循環荷載靜載條件下的樁側抗力進行弱化預測，得出水平

9、循環荷載值增加， 而樁基礎所承受循環荷載逐漸減少的結果。5、海上風電多樁基礎豎向承載力二維簡化分析方式的具體應用在海上風電多樁基礎豎向承載力循環弱化研究期間應用二維簡化分析法，可 通過循環次數，對循環荷載后靜載條件的樁基礎側極限抗力的弱化進行預測。荷 載數值的不斷增加，使得原有土體結構所累積的塑性應變量增大，提升了土體的 弱化速度；而在循環荷載量增加后，土體結構弱化情況與樁側極限抗力比例增加。 由于有限數值模擬及模型構建將花費大量的時間周期，可利用二維簡化分析的方 式，以更好的得出循環荷載與樁極限抗力衰減及循環荷載次數之間的關系。6、海上風電多樁基礎豎向承載力循環弱化的對比分析6.1有限元模型

10、為更好的分析海上風電多樁基礎豎向承載力循環弱化問題，可利用專業的有 限元模型系統，明確系統模型參數，即樁徑、樁長、樁的彈性模量；飽和軟土地 基不排水強度等，對循環荷載期間塑性變形累積進行計算。其中，海上風電多樁 基礎荷載力加載方式應以荷載控制為主，進行逐步的加載，計算出基樁施加靜荷 載量及單樁樁側極限承載能力，而后在經過多次荷載循環，計算出弱化后的基樁 樁側極限承載力。對于軸對稱模型，計算區域的水平寬度為樁徑的20倍，豎直方向為樁端以 下一倍樁長，并以此種方式對土體水平方向邊界及中心軸施加水平方向進行約束。 選用8節點四邊形單元進行網格劃分，在樁的附近土體網格加密，在樁-土界面 上，樁、土共節

11、點，沒有考慮樁-土界面的相互滑移。土體水平方向邊界和中心軸 處施加水平方向約束，模型底部為固定約束（見圖3）。圖3單樁有限元計算模型6.2有限元計算在海上風電多樁基礎豎向承載力循環弱化有限元計算結果的分析過程中，當 循環荷載等級維持在0.20時，樁基礎頂部循環位移不隨循環次數的增長而發生變 化，且循環位移的位移曲線為一條直線；當循環荷載水平力大于一定程度后，循 環荷載力的位移曲線呈現出滯回圈。隨著海上風電樁基礎循環次數的增加，滯回 圈也出呈現出快速增長并向右移動的方式，最后導致樁基礎結構到達承載能力極 限值。有限元計算過程分別見圖4（a）、（b）、（c）。圖4單樁循環荷載-位移曲線（循環次數N

12、 =100次）7、海上風電多樁基礎豎向承載力循環弱化性的建議在依據多樁基礎土體結構循環弱化特征及飽和軟粘土不排水塑性模型的構建 情況下，可得到以下結構：在海上風電多樁基礎承受循環荷載力的情況下，位移 水平較小，受到基樁極限承載力沒有發生明顯變化。當海上風電多樁基礎循環位 移水平較大時，所承受循環的基樁極限承載力較大。當海上風電多樁基礎承受循 環位移水平達到最大值時，樁基周邊土體結構完全重塑，基樁極限承載力降低且 趨于穩定。同時，為提升海上風電多樁基礎穩定性，可采用循環荷載作用下的基 樁的特性進行計算，確保工程安全。總結：總而言之，通過對海上風電多樁基礎樁基豎向承載力循環弱化機理進 行深入研究，

13、不難發現，海上風電多樁基礎承載力的弱化對海上風電項目建設及 后期應用的安全性產生一定影響。因此，在現階段海上風電多樁基礎施工方案的 規劃過程中，設計人員就應從選址區域風電場的荷載等級及土體結構等特征的分 析入手，提升海上風電多樁基礎樁基豎向承載力，降低工程風險，確保海上風電 項目運行的長效可靠性。參考文獻：1馬宏旺，楊峻，陳龍珠.長期反復荷載作用對海上風電樁基礎受力性能影響A. 中國力學學會、上海交通大學（SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY）.中國力學大會 -2015論文摘要集C.中國力學學會、上海交通大學（SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY）:,2015:1.胡浩,殷德順.水平循環荷載下海上風機樁基礎抗拔力的模擬試驗研究A. 中國力學學會環境力學專