大直径海上风机单桩基础水平极限承载力(HUBC)的理论计算方法研究

《International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering》：Study on the horizontal ultimate bearing capacity of offshore wind turbine monopile foundations in sand

　　

针对砂土中大直径海上风机单桩基础水平极限承载力(HUBC)的评估难题，研究人员深入分析了桩身弹性变形的影响机制，提出了一种结合修正系数μ1的半刚性桩HUBC计算方法。研究首先指出，传统“刚性桩”假设及经验法会显著高估实际承载力，且现有理论多未充分考虑大直径单桩的半刚性特征。为此，研究人员基于PISA模型建立了刚性桩泥面水平力-位移曲线，并通过最大曲率点法确定其HUBC。随后，借助ABAQUS数值模拟对大量参数组合进行分析，拟合得到用于量化弹性变形折减效应的修正系数μ1。案例研究表明，所提方法计算出的HUBC较传统规范设计值降低约32.6%，能更准确识别潜在位移风险。研究成果为考虑弹性变形的海上风机单桩优化设计提供了可靠依据。

随着海上风电向深远海发展，大直径单桩基础因施工便捷等优势被广泛应用。然而，现代大直径单桩的长径比(L/D)逐渐减小至2–4，且长期承受巨大水平荷载，导致传统设计中将其视为“刚性桩”的假设不再适用。这种假设忽略了桩身弹性变形对承载力的显著影响，易造成工程安全隐患。此外，海底坡度及复杂海洋环境进一步增加了承载力评估难度。因此，开展考虑弹性变形的半刚性单桩水平极限承载力(HUBC)理论研究具有重要的工程实用价值。

研究人员采用了理论推导、模型试验与有限元数值模拟相结合的关键技术方法。具体包括：基于PISA模型建立刚性桩受力平衡方程，引入最大曲率点法确定极限状态；开展1-g干砂模型试验验证数值模型可靠性；利用ABAQUS软件构建三维桩-土耦合模型，分析不同直径、长径比及壁厚下的力学响应，并拟合出弹性变形修正系数公式。

在论文主体部分，研究人员首先界定了刚性、半刚性及柔性桩的变形行为，通过相对刚度系数判定大直径单桩多属半刚性范畴。接着，详细推导了刚性桩HUBC的理论求解过程，涵盖竖向摩阻力转化及三种土体屈服模式下的力-位移曲线拟合。在半刚性桩研究中，通过162组数值模拟数据拟合得到了修正系数μ₁的计算公式，实现了从刚性解到半刚性解的快速转换。案例应用验证了该方法的有效性，讨论部分对比了传统经验法与设计规范的局限性，强调了弹性变形对循环荷载比的显著影响。

在结论部分，研究人员明确指出：传统刚性桩假设会显著高估HUBC；修正系数μ₁能有效实现半刚性桩承载力评估；传统0.1D位移或2°转角经验准则在半刚性条件下不适用。该研究为海上风电基础设计提供了更精确的理论支撑。