海洋软弱土层中海上风电新型大直径单桩-桶复合基础破坏模式和循环变形机理研究

Supported by two real offshore wind farms, this project innovatively combines a monopile with a suction caisson to develop a new foundation type for offshore wind turbine in soft soil. Subjected to large surges and typhoons, the new foundation, which carries 200-meters-high wind turbines, should stand straightly without excessive incline and failure. In view of the afore-mentioned issues, this project, in the perspective of the property of offshore soft soil unit, the deformation of supporting soil layer and the failure mechanism of new composite foundation, comprehensively carries out centrifuge tests with PIV analysis, soil element tests considering the complex shear model and finite element analysis using hypoplastic model, which aims at: ① revealing the influence mechanism on monopile-caisson behaviours, namely the displacement field around the foundation and the transformation of soil failure modes subjected to cyclic loadings; ②introducing engineering measures to prevent the corresponding foundation failure; ③establishing a design model to integrally reflect the monopile-caisson-soil interaction, which promotes the practice and detailed design of the new type foundation for offshore wind farm development in southeast coastal areas of China.

本项目依托浙江、福建海域两个实际海上风电工程项目（嘉兴1#风电场和平海湾三期风电场），通过将大直径单桩和桶形基础相结合，提出适用于我国软弱土地质条件的新型海上风电基础形式。为满足我国东南沿海厚淤泥、大涌浪、强台风等复杂环境的考验，确保该新型基础稳定可靠地支撑高耸于海上近200米的风电机组而不发生倾斜、破坏，本项目从海洋软弱土单元特性、持力层土体变形机理、新型复合基础循环特性和灾变机理三个不同层面进行研究，并综合采用结合粒子图像测速技术的离心模型试验、复杂剪切模式下的土单元循环加载试验，基于亚塑性本构的三维有限元模拟等手段，结合工程项目实测数据和申请人已开展的部分工作基础：①完整地呈现基础的破坏模式和循环变形机理；②提出应对新型复合基础失效的工程策略；③建立大直径单桩-桶-土耦合的三维计算分析模型，为我国东南海域海上风电新型大直径单桩-桶复合基础的精细化设计提供科学依据。

我国东、南海海域地质条件复杂，海上风电传统大直径单桩基础的适用性受到极大挑战。本项目研发了新型大直径单桩-桶复合基础，并以新型复合基础的主要持力层土体破坏模式为切入点，采用离心模型试验结合粒子图像测速技术，还原真实的土体应力场，捕捉真实的土体位移场演化，从土体的变形和破坏本质上呈现了基础的“强化单区域”破坏模式和循环累积变形机理；结合理论分析、室内土工试验，采用修正的亚塑性本构，建立考虑基础破坏模式和循环累积变形的数值模拟手段；其次，采用室内模型加载试验，呈现新型基础的水平承载特性，并基于此建立工程适用的简化修正模型；再次，在Euler-Bernoulli梁理论分析的基础上，推导了风机结构第一阶固有频率的计算方法；最后基于以上的研究和建立的模型、算法，并依托实际海上风电工程，对新型桩-桶复合基础进行全面、系统地设计和分析，实现该新型基础的精细化设计。基于本研究的综合成果，最终实现了世界首台大直径单桩-桶复合基础的工程示范应用，创造了多项世界第一的工程业绩，获评“2021年度中国十大海洋科技进展”。在世界首台基础成功实施后，项目组又将优化后的复合基础应用于浙江台州1#号、大连庄河、福建平海湾等多个海上风电项目，创造较大经济效益，并切实为我国海上风电工程技术进步提供了原创性的、具有自主知识产权的核心技术解决方案。此外，基于项目研发成果，项目组发表SCI论文15篇，EI论文3篇，授权专利16项，获“浙江省科技进步一等奖”、“海洋工程科学技术一等奖”、“2022年岩土工程技术创新应用成果一等奖”等多项科技奖励。