内约束板对开口管桩轴向承载性能的影响机制及离心模型研究

针对大直径开口管桩(OEPP)土壤堵塞效应弱化导致的承载力不足问题，研究人员通过离心模型试验，系统研究了内约束板(IRP)对管桩(PPIRP)抗压与抗拔性能的增强机制。结果表明IRP通过优化桩端土压力分布显著提升单位面积抗拔阻力，并提出了基于外部摩擦的竖向承载力简化评估方法，为海上风电桩基设计提供了理论支撑。

　　

随着全球能源结构转型加速，海上风电作为清洁能源的重要组成，其装机容量呈现指数级增长。然而，随着单机功率突破15MW，支撑巨型风机的桩基系统面临前所未有的力学挑战——尤其在60米以上深水海域，传统开口管桩(OEPP)因土壤堵塞效应(soil plug effect)不稳定，导致抗拔承载力难以满足台风工况下的安全需求。这一"卡脖子"问题直接制约着中国东部深远海风电场的经济性开发。

温州超重力离心实验室团队在《Ocean Engineering》发表的研究，通过创新性地在OEPP内部加装约束板(Interior Restraint Plate, IRP)，构建了PPIRP新型桩基体系。研究采用100g离心加速度下的对比试验，同步监测4组模型桩(1组OEPP+3组不同开孔方案的PPIRP)在静力加载下的荷载-位移曲线及土压力分布。关键技术包括：多通道数据采集系统实时记录桩-土相互作用参数，机器人操纵器精准控制抗压/抗拔工况，以及基于离散元原理的土拱效应(soil arching)数值反演。

压缩试验结果
荷载-位移曲线显示，IRP使PPIRP的极限抗压承载力提升37%，其强化机制表现为：桩端中心区土压力保持稳定，但桩周1.5D范围内土压力梯度显著增大，形成"压力环带"。四孔IRP因优化了土体流动路径，较单孔方案承载力再增12%。

单位抗拔阻力
抗拔试验揭示PPIRP呈现双峰阻力特性：初始峰值对应土体弹性阶段(位移0.05D)，二次峰值出现在位移0.3D处，反映IRP激发的渐进式土拱强化效应。四孔IRP单位面积抗拔阻力达OEPP的2.1倍。

外部摩擦与端承力
通过分离内外摩擦分量，发现IRP使外部摩擦占比从OEPP的68%提升至82%。提出的简化计算模型将端承力修正系数α与IRP开孔率建立量化关系，误差控制在±8%。

张力承载力
基于圆柱剪切破坏理论，推导出考虑IRP几何参数的抗拔力公式：Q_u=πDL(σ'_vK_stanδ)+0.5γ'L²πDK_u，其中K_u为IRP形状系数，实测验证R²>0.91。

该研究首次阐明了IRP通过重构桩端土压力场来增强土拱效应的力学本质，建立的"压力环带"模型为深水导管架基础设计提供了新范式。团队提出的四孔IRP标准化方案已在平潭海上风电试点工程中应用，使单桩极限抗拔力提升210%，验证了技术的工程价值。未来研究可结合DEM-CFD耦合方法，进一步揭示波浪荷载下PPIRP的孔隙水压力演化规律。