孔德森等：非均质土中海上风电单桩基础动力响应特性 .711 displacement along the pile shaft accumulates gradually with time,and with increase in the number of cycles,the time lag of the maximum displacement of the pile body at mud surface occurs.The shear force along the pile shaft appears negative.The maximum bending moment of the pile body occurs in shallow soil.The variation in the soil-resistance curve of the pile body vs time occurs at a cut- off point at approximately 2/3 of the buried depth.Additionally,the variation laws of soil resistance within the upper and lower boundaries of the cut-off point are just the opposite of each other.The soil resistance increases significantly at the interface between silt and silty soil.The load along the buried depth of the inner wall of the pile remains unchanged at different time points. KEY WORDS heterogeneous soil;offshore wind power;monopile foundation;dynamic response;horizontal cyclic load 风能源已经逐渐成为取代传统能源发电的一 有限元分析软件ABAOUS建立了非均质土中海上 种主要形式，具有无污染、可再生等特点，是一种 风电单桩基础数值计算模型进行研究，在模型中 取之不尽、用之不竭的新能源山.我国具有漫长的 将桩基础受到的波浪、洋流、风荷载等效成双向 海岸线，近海资源丰富，空间区域广阔，海上风电 对称循环荷载，对水平循环荷载作用下桩身水平 场逐渐成为风力发电的开发重点-刃大直径单桩 位移、桩身剪力、桩身弯矩、桩内外壁土抗力沿埋 基础由于其制作与安装方便快捷、相对于群桩而 深变化特性进行了研究，并对不同循环次数下桩 言受力条件明确、造价经济等优势，在海上发电领 身水平位移进行了对比分析 域得到了广泛应用.大直径单桩基础在服役期间 1数值计算模型的建立 内受到来自风、洋流、波浪等水平荷载的作用，其 水平循环受荷特性显著阿.研究大直径单桩基础在 1.1模型概况 水平循环荷载下的动力响应特性，对于消除安装 以我国东海某近海海域风电场为例，建立了 工程中的隐患，保证服役期间正常使用均具有重 非均质土中海上风电单桩基础数值计算模型，由 要意义 于荷载和结构的对称性，选择半个物理模型的桩 关于水平循环荷载下单桩基础动力响应特 土体系进行建模，数值模型为半圆柱体，为了忽略 性，国内外学者进行了相关研究，并且取得了一定 边界条件对桩土体系的影响，在几何模型上，用大 的成果.Leblanc等和Peng等利用离心试验研 尺寸来模拟半无限空间体，土体直径取20D(D为 究循环次数、桩径、荷载大小以及砂土密实度对 桩径)，土体高度取2hem(hem为桩的嵌固深度)，该 模型桩侧向位移的影响.郭鹏飞等⑧基于非饱和 尺度可满足最小边界尺寸和计算精度的要求5- 土的动力控制方程，考虑横向惯性效应，建立了三 ABAQUS中通过桩-土表面定义接触属性以模 相非饱和介质中桩的竖向动力响应连续介质模 拟桩与土之间的剪力传递和相对位移，采用主-从 型，得到了桩侧土体剪应力及竖向振动位移的表 接触算法，选择刚度大的桩体为主控面，土体表面 达式.张光建例对ABAQUS进行二次开发建立土 为从属面，桩-土法向行为采用硬接触，切向行为 体刚度衰减模型，重点研究了不同影响因素下大 采用摩尔-库伦摩擦罚函数形式，界面滑动摩擦系 直径单桩基础水平位移的发展趋势.Basack与 数选取u=tan(0.75p(p为土体内摩擦角)7，接触对 Banerjeelo基于数值模型研究了层状土中桩基础 采用面对面接触与有限滑移.边界条件是约束断 在横向荷载作用下的响应，同时利用现场试验数 面处y方向位移，约束模型侧面x和y方向位移， 据对模型进行了验证，并进行了参数化研究 模型底端为固定约束.桩体和土体都采用8节点 Bhattacharya与Adhikaril对桩-土相互作用进行 6面体线性减缩积分三维实体单元(C3D8R),采用 了实验研究，结果表明，考虑桩-土相互作用时设 扫掠的方式对网格进行划分，从而使网格更加合 计出的基础结构使用寿命更长.朱斌等研究了 理.为了减小计算误差，同时也为了缩短计算时 砂土中大直径单桩离心模型试验结果，定义了临 间，采用为边布种的方式，在桩土接触面附近单元 界循环应力比，给出了其与循环折减系数的关系 网格划分得较细，而在远离接触面的土体，网格划 Kuo等l1和Achmus等I建立了砂土的循环刚度 分的相对稀疏.在实际状况中，假定海床泥面处位 衰减模型，得到了桩-土体系在N次循环后的承载 移为零，土体内部是有应力存在的，因此在施加水 变形特性.但是对于水平循环荷载作用下非均质土 平荷载前必须进行初始地应力平衡8-本文采 中海上风电单桩基础动力响应特性的研究比较少 用ODB导入法进行初始地应力的平衡.非均质土 本文以海上风电单桩基础为研究对象，采用 中海上风电单桩基础数值计算模型如图1所示.displacement  along  the  pile  shaft  accumulates  gradually  with  time,  and  with  increase  in  the  number  of  cycles,  the  time  lag  of  the maximum displacement of the pile body at mud surface occurs. The shear force along the pile shaft appears negative. The maximum bending moment of the pile body occurs in shallow soil. The variation in the soil-resistance curve of the pile body vs time occurs at a cut￾off  point  at  approximately  2/3  of  the  buried  depth.  Additionally,  the  variation  laws  of  soil  resistance  within  the  upper  and  lower boundaries of the cut-off point are just the opposite of each other. The soil resistance increases significantly at the interface between silt and silty soil. The load along the buried depth of the inner wall of the pile remains unchanged at different time points. KEY WORDS    heterogeneous soil；offshore wind power；monopile foundation；dynamic response；horizontal cyclic load 风能源已经逐渐成为取代传统能源发电的一 种主要形式，具有无污染、可再生等特点，是一种 取之不尽、用之不竭的新能源[1] . 我国具有漫长的 海岸线，近海资源丰富，空间区域广阔，海上风电 场逐渐成为风力发电的开发重点[2−3] . 大直径单桩 基础由于其制作与安装方便快捷、相对于群桩而 言受力条件明确、造价经济等优势，在海上发电领 域得到了广泛应用[4] . 大直径单桩基础在服役期间 内受到来自风、洋流、波浪等水平荷载的作用，其 水平循环受荷特性显著[5] . 研究大直径单桩基础在 水平循环荷载下的动力响应特性，对于消除安装 工程中的隐患，保证服役期间正常使用均具有重 要意义. 关于水平循环荷载下单桩基础动力响应特 性，国内外学者进行了相关研究，并且取得了一定 的成果. Leblanc 等[6] 和 Peng 等[7] 利用离心试验研 究循环次数、桩径、荷载大小以及砂土密实度对 模型桩侧向位移的影响. 郭鹏飞等[8] 基于非饱和 土的动力控制方程，考虑横向惯性效应，建立了三 相非饱和介质中桩的竖向动力响应连续介质模 型，得到了桩侧土体剪应力及竖向振动位移的表 达式. 张光建[9] 对 ABAQUS 进行二次开发建立土 体刚度衰减模型，重点研究了不同影响因素下大 直径单桩基础水平位移的发展趋势. Basack 与 Banerjee[10] 基于数值模型研究了层状土中桩基础 在横向荷载作用下的响应，同时利用现场试验数 据对模型进行了验证 ，并进行了参数化研究 . Bhattacharya 与 Adhikari[11] 对桩‒土相互作用进行 了实验研究，结果表明，考虑桩‒土相互作用时设 计出的基础结构使用寿命更长. 朱斌等[12] 研究了 砂土中大直径单桩离心模型试验结果，定义了临 界循环应力比，给出了其与循环折减系数的关系. Kuo 等[13] 和 Achmus 等[14] 建立了砂土的循环刚度 衰减模型，得到了桩‒土体系在 N 次循环后的承载 变形特性. 但是对于水平循环荷载作用下非均质土 中海上风电单桩基础动力响应特性的研究比较少. 本文以海上风电单桩基础为研究对象，采用 有限元分析软件 ABAQUS 建立了非均质土中海上 风电单桩基础数值计算模型进行研究，在模型中 将桩基础受到的波浪、洋流、风荷载等效成双向 对称循环荷载，对水平循环荷载作用下桩身水平 位移、桩身剪力、桩身弯矩、桩内外壁土抗力沿埋 深变化特性进行了研究，并对不同循环次数下桩 身水平位移进行了对比分析. 1    数值计算模型的建立 1.1    模型概况 以我国东海某近海海域风电场为例，建立了 非均质土中海上风电单桩基础数值计算模型，由 于荷载和结构的对称性，选择半个物理模型的桩 土体系进行建模，数值模型为半圆柱体. 为了忽略 边界条件对桩土体系的影响，在几何模型上，用大 尺寸来模拟半无限空间体，土体直径取 20D (D 为 桩径)，土体高度取 2hem (hem 为桩的嵌固深度)，该 尺度可满足最小边界尺寸和计算精度的要求[15−16] . u= tan(0.75φ) φ ABAQUS 中通过桩‒土表面定义接触属性以模 拟桩与土之间的剪力传递和相对位移，采用主‒从 接触算法，选择刚度大的桩体为主控面，土体表面 为从属面，桩‒土法向行为采用硬接触，切向行为 采用摩尔‒库伦摩擦罚函数形式，界面滑动摩擦系 数选取 ( 为土体内摩擦角) [17] ，接触对 采用面对面接触与有限滑移. 边界条件是约束断 面处 y 方向位移，约束模型侧面 x 和 y 方向位移， 模型底端为固定约束. 桩体和土体都采用 8 节点 6 面体线性减缩积分三维实体单元 (C3D8R)，采用 扫掠的方式对网格进行划分，从而使网格更加合 理. 为了减小计算误差，同时也为了缩短计算时 间，采用为边布种的方式，在桩土接触面附近单元 网格划分得较细，而在远离接触面的土体，网格划 分的相对稀疏. 在实际状况中，假定海床泥面处位 移为零，土体内部是有应力存在的，因此在施加水 平荷载前必须进行初始地应力平衡[18−19] . 本文采 用 ODB 导入法进行初始地应力的平衡. 非均质土 中海上风电单桩基础数值计算模型如图 1 所示. 孔德森等： 非均质土中海上风电单桩基础动力响应特性 · 711 ·