饱和土中海上桩-桶复合基础横向动力特性的解析解研究

推荐：针对海上风电单桩基础承载效率不足的问题，研究人员通过建立饱和土中桩-桶复合基础的水平振动理论模型，结合半刚性节点模拟灌浆连接段，采用势函数法、算子分解法等解析手段，首次提出桩头水平位移的闭合解。该模型通过有限元验证，揭示了灌浆段参数、桶径等对复合基础阻抗及自振频率的影响机制，为超大型海上风电基础动态设计提供理论支撑。

　　

随着全球能源结构向低碳化转型，海上风电已成为可再生能源发展的重点领域。根据全球风能理事会数据，到2025年海上风电机组单机容量将突破15.0 MW，叶片长度超过140 m。然而，风机大型化对单桩基础的承载性能提出了更高要求。传统单桩基础在单纯增大尺寸时，其建设成本与承载力提升效率严重失衡。为此，海上风电行业积极发展复合单桩基础技术，其中桩-桶复合基础通过结合单桩竖向承载优势和吸力桶水平抗侧性能，在循环荷载、抗冲刷及极端环境荷载下展现出显著优势。

中国地质大学（武汉）"CUG Scholar"团队在《Ocean Engineering》发表的研究，针对风机对振动敏感的特性，首次建立了饱和土中桩-桶复合基础水平振动的理论模型。该研究将灌浆连接段理想化为半刚性节点，通过局部边界条件和连续性要求实现吸力桶与管桩的动力耦合，运用势函数法、算子分解法、变量分离法和矩阵传递法，推导出桩头水平位移的解析解。关键技术包括：采用动态Winkler模型模拟灌浆连接区；基于Biot多孔弹性理论构建饱和土-结构相互作用模型；通过有限元法验证理论模型的合理性。

研究结果显示：

1. 与传统管桩基础对比：吸力桶的加入使复合基础水平刚度提升30%-50%，一阶自振频率向高频偏移约15%，有效避开1P/3P激振频率带。
2. 灌浆连接段影响：当灌浆段刚度系数α_i从10⁶ N/m增至10⁸ N/m时，系统阻尼比增加22%，表明半刚性连接能有效协调桩-桶变形。
3. 几何参数敏感性：桶径从20m增至30m可使水平阻抗实部提高40%，而桶高超过7m后对频率调节作用趋于平缓。

讨论部分指出，该模型首次系统量化了桩-桶复合基础在饱和土中的动力阻抗特性，其创新性体现在：

1. 提出灌浆连接段的半刚性简化方法，克服了传统刚性/铰接假设的局限性；
2. 通过引入Biot理论参数（如流体密度ρ_fi、固相剪切模量G_si），更准确反映孔隙水压力对动力响应的影响；
3. 验证了吸力桶通过荷载重分布机制（load redistribution mechanism）降低桩身最大弯矩达35.3%的工程效应。

这项研究为200米级以上超大型海上风电基础的动力优化设计提供了理论工具，其提出的解析方法计算效率较三维有限元提升两个数量级，特别适用于方案比选阶段。未来研究可进一步考虑土体径向非均质性（radial heterogeneity）和安装扰动效应的影响。