台风影响下循环加载大直径单桩侧向响应试验研究

《Results in Engineering》：Experimental investigation on lateral response of large-diameter monopile under typhoon-influenced cyclic loading

　　

研究人员针对大直径单桩在台风影响下的循环加载侧向响应开展了试验研究。基于室内1g模型试验，研究了循环荷载比（CLR）、静荷载比（SLR）和加载频率对大直径单桩侧向位移和卸载刚度退化（unloading stiffness degradation）的影响。试验结果表明，较高的循环荷载比、静荷载比和加载频率导致更大的位移和卸载刚度退化。台风荷载对大直径单桩侧向位移具有显著影响，其中第一轮加载循环期间效应最为明显。循环加载频率对滞回环面积（hysteresis loop area）无显著影响，表明不同加载频率下能量耗散（energy dissipation）特性变化有限。

研究背景方面，海上风电作为可再生能源的重要组成部分近年来快速发展，单桩（monopile）因其结构简单、施工便捷和成本较低而成为海上风电机组最普遍的基础形式之一，约占全部海上风电基础的80%。由于恶劣的海洋环境，大直径单桩在服役期内长期承受风浪引起的水平循环荷载。在侧向循环加载下，桩-土体系刚度退化（stiffness degradation）导致大直径单桩累积位移增加，其变形对基础稳定性和安全性至关重要，是设计过程中必须重点关注的问题。然而，以往研究主要通过数值模拟和离心试验手段，对台风瞬态极端加载条件下的响应机理认识不足，尤其是安装于软黏土（soft clay）场地中的单桩。与砂质地基不同，不排水黏土在高幅循环加载下可能发生超孔压快速累积、土体软化和刚度退化，直接影响单桩变形；与常规波浪荷载不同，台风在短时间内对单桩施加极端循环荷载，可能诱发灾难性变形，严重危及结构安全与稳定。鉴于此，研究人员采用1g模型试验研究单桩在常规风浪荷载和瞬态台风条件下的侧向响应，通过变化水平循环加载频率、幅值和竖向静荷载（台风荷载模拟为高幅短历时事件），研究侧向位移和刚度的演化规律，并分析等效阻尼比（equivalent damping ratio）与弹性位移之间的关系。

在关键技术方法方面，研究采用浙江理工大学岩土工程灾害模拟系统（长2 m、宽3 m、高2 m）开展1g模型试验，几何相似比取1:30。原型单桩直径6 m、长60 m、嵌入深度39 m；模型桩为6061-T6铝合金管桩，直径200 mm、长2000 mm、壁厚6 mm、嵌入深度1300 mm，L/D=10、Le/D=6.5。地基土为上层1 m厚天然高塑性软黏土（液限42.1%、塑限19.9%、塑性指数22.2）和下层0.5 m厚砂层（均匀系数5.78、曲率系数0.99），分层压实填筑，砂层相对密度约70%，黏土层填筑后静置7天并采用微型十字板剪切仪测定不排水抗剪强度以验证均匀性。采用伺服液压作动器施加水平正弦循环荷载，竖向静荷载在水平循环加载前施加，通过安装于横梁上的三个LVDT传感器配合DH3820数据采集系统实时测量桩顶侧向位移。通过竖向和水平静载试验确定竖向和水平极限承载力分别为Vu=2.25 kN和Hu=3.6 kN，据此定义静荷载比μ和循环荷载比λ。每组试验循环次数为10000次，台风工况取λ=0.7、频率0.25 Hz，常规工况取λ=0.3、频率0.5 Hz；频率影响分析设置0.1、0.25、0.5、1、2 Hz五级；共设置3轮台风加载阶段（每轮平均167次循环），每轮台风卸载后恢复常规荷载条件以模拟恢复期并允许超孔压消散。试验共设C1~C5五组。

研究结果方面，第一，累积水平位移分析表明：归一化累积峰值位移和残余位移均随静荷载比增大而增大，但当循环荷载比小（λ=0.2）时静荷载比影响可忽略；累积位移随循环次数增加呈先加速后减速直至稳定的变化，表现出安定（shakedown）行为。归一化累积峰值和残余位移均随循环荷载比增大而增大，且循环荷载比越大，达到稳定状态所需循环次数越多。归一化累积峰值和残余位移均随加载频率升高而增大，归因于高频率促进孔压显著累积导致土体渐进软化。台风荷载条件下，第一轮台风加载期间归一化累积峰值和残余位移快速增大（峰值位移从1.00增至1.26，实际增幅7.76 mm，增长26.25%；残余位移从1.00增至1.40，实际增幅9.27 mm，增长40.06%），后续同等量级台风加载产生的增量位移可忽略，归因于第一轮台风卸载后超孔压消散与再固结使土体刚度恢复甚至增强。第二，荷载-位移响应分析表明：滞回环面积随循环荷载比增大而渐进扩大，因较大循环荷载比造成更大土体损伤；随循环次数增加滞回环逐渐右移，单环面积渐减并最终稳定。不同加载频率下滞回环面积无显著相关关系，各频率下荷载-位移曲线均表现出一致非线性和滞回特性。三轮台风加载中荷载-位移曲线均右移，但第二、三轮右移幅度远小于第一轮，表明位移累积主要集中在第一轮台风事件。第三，卸载刚度分析表明：卸载刚度随循环荷载比增大而降低，各工况下卸载刚度均在初始循环快速退化后趋于稳定；卸载刚度随加载频率升高而降低，且在1000次循环后出现轻微恢复、5000次后保持相对稳定，归因于孔压消散促进土体压密。台风荷载下，第一、二轮台风期间归一化卸载刚度呈增大趋势（第二轮增速减弱），第三轮则先减小后轻微恢复，归因于前两轮台风卸载再固结恢复刚度，而反复极端台风加载使土体接近重塑状态，再固结刚度增强不足以补偿重塑效应造成的降低。第四，等效黏滞阻尼比分析表明：等效黏滞阻尼比与归一化侧向弹性位移呈近似负线性关系，拟合直线斜率基本不受循环荷载比影响，而加载频率对拟合直线斜率影响较大，随频率增大拟合线向右上方移动且斜率呈减小趋势。

讨论与结论部分，作者指出本研究采用理想化正弦荷载模拟实际海洋环境循环加载，并对复杂台风条件作了简化近似，所得结果主要反映定性趋势和演化规律，构成研究局限；研究结果可揭示单桩在常规循环加载和台风等极端荷载下侧向响应的机理与趋势，但不能直接等同于真实海上风浪条件下的精确定量模拟。此外，1g模型试验无法再现原型的原位有效应力水平，且土体刚度和强度具有应力依赖性，所得位移和刚度定量值不能直接外推至足尺单桩，结果应主要从定性趋势角度解读；但所揭示的机理仍反映基本的桩-土相互作用行为，可认为适用于足尺海上单桩。未来应通过离心试验、现场监测数据和更具代表性的不规则台风加载历程进一步验证。研究结论为：(1)增大循环荷载比、循环次数和侧向循环加载频率导致更高的峰值位移和残余位移；台风荷载引起的累积位移主要集中在第一轮台风加载；静荷载比对侧向位移的影响仅在循环荷载比超过一定阈值时才显著。(2)随循环荷载比增大，滞回环宽度和高度均增大；循环加载频率与滞回环面积之间无显著相关关系；单次滞回环面积在第一轮台风加载期间变化更为显著。(3)随循环次数增加，卸载刚度逐渐降低；增大循环荷载比会加剧卸载刚度弱化；循环加载频率亦影响卸载刚度；台风荷载对卸载刚度的影响在三轮台风加载中表现不同。(4)等效阻尼比与归一化侧向弹性位移呈负线性相关，二者拟合直线斜率不受循环荷载比影响且在持续加载中基本稳定；而水平循环加载频率显著影响拟合直线斜率。研究进一步指出，单桩设计中应明确考虑台风引起的短历时极端循环加载，因为首次极端事件可能主导累积变形。