海洋环境荷载下软土钢管桩多足基础多向耦合循环承载机理与灾变分析

Steel-pile multi-leg foundation is the main form for the wind turbines in the offshore soft seabed with water depth ranging from 30m to 50m in China，such as tripod and tetrapod jackets pile foundations. Partial horizontal loads caused by wind and current would be transferred to axial loads by the tetrapod or tripod jackets, such that the steel piles would bear inclined cyclic uplift or compression. An attempt will be made by this research project to study the bearing mechanisms of the multi-leg foundation for the wind turbine in offshore soft clay. The studies focus on the cyclic uplift capacity, the long-term mutli-directional cyclic behavior and dynamic response of a steel-pile multi-leg foundation under wave and extreme storm load conditions using the theoretical, numerical and experimental method. Based on a continuous strain field around the multi-leg foundation under coupled cyclic lateral and compressive or tensive axial loads, a cyclic load-transfer method will be first established with the consideration of a clay strength softening model. Also, efficient numerical methods will be put forward to predict the cumulative deformation and dynamic response of multi-leg foundations, respectively. The purpose of the proposed research is to provide scientific support for safer and more economic design for steel-pile multi-leg foundation.

我国近海软弱地层中，钢管桩多足基础（三脚架和导管架基础）因可提供较大的整体水平刚度而成为较大水深（30-50m）风电场址中广泛采用的基础形式。三脚架或导管架会把由风浪形成的水平荷载部分转化为竖向荷载，多足基础的钢管桩顶部实际承受偏拉压耦合循环作用，但目前对多足基础的多向耦合循环弱化特性缺乏系统性研究。本项目针对近海软粘土中钢管桩多足风电基础的海洋环境载荷效应展开研究，重点考察钢管桩多足基础拉拔循环承载特性、极端风浪瞬时动力响应和长期低幅多向耦合循环承载机理。通过物理模型试验、理论分析和数值模拟，构建考虑粘土循环弱化的拉拔多向耦合循环荷载传递曲线，建立极端风浪下多足风电基础时域动力响应的理论和整体动力有限元分析方法，发展多足风电基础长期循环累积变形的高效理论和数值分析方法，提出钢管桩多足基础受瞬时动力加载和长期低幅循环的灾变分析方法，为提升风机运行安全性和降低经济成本提供科学支撑。

软弱海床中钢管桩多足基础（三脚架和导管架基础）因可提供较大的整体水平刚度而成为较大水深风电场址中广泛采用的基础形式。导管架会把由风浪形成的水平荷载部分转化为竖向荷载，多足基础的钢管桩顶部实际承受偏拉压耦合循环作用，但目前对多足基础的 多向耦合循环弱化特性缺乏系统性研究。本项目开展试验研究讨论了导管架钢管桩基础向耦合循环承载机理，并建立了考虑土体小应变特性和弱化特性的p-y和τ-z曲线分析方法，形成了海上风电导管架钢管桩基础强风暴荷载下导管架基础整体动力响应分析方法。取得主要的研究成果有：（a）自主研发桩基多向耦合循环加载试验装置，开展桩基水平和倾斜向拉拔静力及循环加载物理模型试验，揭示了累积变形规律与加载角度、荷载幅值、荷载峰值的关系;（b）推导了基于轴对称的流线速度场通用公式，并形成了闭口桩与开口管桩的上限分析方法，得到了考虑长径比、桩壁粗糙程度、土体强度非均匀性的闭口桩的抗拔承载力预测公式，以此为基础建立了土塞高度效应的开口桩承载力影响因子图表;（c）提出了考虑土体小应变特性的非线性弹性应力应变关系，结合虚拟上限加载原理建立了考虑土体小应变特性的p-y和τ-z曲线，建立考虑土体弱化和运动硬化概念的循环荷载传递曲线方法，二次开发实现该小应变模型在商业有限元中的接入，通过与整体有限元分析法对比验证了荷载传递曲线分析方法的合理性;（d）联合利用专业风机时域计算开源程序，建立了风暴荷载作用下导管架基础海上风机动力响应和共振频率分析方法。本项目的研究成果可为提升海上风电导管架桩基础累积变形和动力响应提供理论依据。