【论文推介】V⁃H荷载作用下海洋平台吸力式桩桶桩土承载特性研究（《海洋工程》2023年第6期论文） - 海洋工程测量特点分析

论文导读与观点概要

近些年，海洋平台作为对海洋资源开采的主要建筑设施而被广泛应用。海洋平台位于海平面上，长年受到各种风浪荷载的侵蚀作用而易发生失稳现象，为解决这种意外的发生，对海洋平台基础的研究就显得尤为重要。目前，浅海区域的海洋平台基础有多种形式，其中主要的有重力式基础、单桩基础和桶形基础。重力式基础一般为钢筋混凝土沉箱结构，优点在于其结构形式较为简单，对于风浪荷载的抵抗性能较好，适用于砂土、岩土地基；缺点在于施工周期较长，且因施工环境在海平面，安装过程有所不便。世界上早期的海洋平台均采用重力式基础，如丹麦的Vindeby、瑞典的Lillgrund 0 R! B+ b. [) C/ z" h3 W Oresund、比利时的Belwind等。单桩基础多指单根钢管桩基础，优点在于结构自重较轻、造价较低，安装程序简单且无需对浅海海床进行预先准备，既适用于软土地基，也适用于岩石地基；缺点在于对海床土体扰动较大，且施工过程中需考虑各种海洋荷载对打桩的影响以免出现误差。桶形基础也称为吸力式桩桶基础，可分为单桶或多桶形式，适用于浅海或深海地质条件为砂土或黏土的海域，原理是利用桶内外的压力差将桩桶贯入海床内进行打桩，由于吸力式桩桶安装、移动过程较为灵活，造价成本较低，经过多年的发展，其实用性和便捷性已经得到了海洋工程界的广泛认可。但对于吸力式桩桶的研究，相比其他基础而言还处于初步发展阶段，如中国的三峡响水海上风电场、三峡大丰海上风电场、阳江沙扒1期、5期海上风电场等。目前，吸力式桩桶与土相互作用的研究主要有以下3种方法：理论分析法、试验分析法和有限元分析法。理论分析法主要分为弹性理论法和地基反力法，弹性理论法是利用弹性理论的原理来探讨吸力式桩桶在受到荷载时桩土之间作用力与位移之间的关系，地基反力法主要有极限分析法、弹性分析法和复合分析法，其中复合分析法又称为p-y曲线法。Mcclelland和Focht第一次提出p-y曲线法，并进行了土固结不排水三轴试验，提出了计算桩土之间抗力的方法。程泽坤基于p-y曲线法对横向力作用下高桩结构物的实施方法、特点进行了研究，并编制了相应的程序。戴国亮等基于p-y曲线法，对考虑土体流变效应的吸力式沉箱基础进行研究，结果显示长期水平荷载下考虑时间因素的p-y曲线计算结果能较好地吻合模型试验值。周建武采用新旧API规范中计算砂土的两种p-y曲线方法，与工程实例进行对比分析来得到规范计算结果的安全性。杨玉泽等将基于p-y曲线理论所建立的计算式与桩基水平静载试验结果进行对比，验证了计算式的有效性与准确性。试验分析法主要分为模型试验法和现场试验法。Davissin和Salley采用模型试验法，以铝合金管模拟水平荷载作用下桩土之间的相互作用。朱焰对吸力式桩桶与土之间的抗拔力进行研究，采用模型试验法对其进行测量且提出了初步的计算理论，并与现场试验所测得的数据进行比对，结果基本一致。张苇等通过对3种不同长径比、3种不同荷载作用角度下吸力式单桩基础进行室内模拟试验，研究了饱和砂土下吸力单桩极限抗斜拉承载力。有限元分析法是利用数学建模的方法对研究系统进行模拟，利用单元之间的相互作用，以有限量的未知单元去逼近无限量的未知单元来达到研究系统的真实性，是目前岩土工程中研究桩土相互作用的主要方法之一。Achmus和Abdel-Rahman采用有限元分析法对波浪作用下桩土相互作用以及桩基础变形程度进行了研究。刘红军等通过数值模拟对水平荷载下单桩基础的桩土相互作用进行研究。孙立强等研究了倾斜荷载作用下吸力桶不排水上拔承载特性，得出了倾斜荷载下吸力桶承载力的计算方法。孔德森等采用有限元软件ABAQUS建立了海上风电单桩基础与土相互作用数值模型，研究表明随着循环荷载比的增加，桩身位移零点和桩身剪力反弯点沿埋深逐渐下移。赵密等采用有限元分析法，建立了一种三维桩土相互作用模型，研究了在同一水体中不同桩体、土体参数下桩体位移变化。根据以前学者的研究内容可以发现，当前国外学者对于吸力式桩的研究基本处于其外形以及桩土之间的抗拔力作用，而国内学者对于吸力式桩的研究限于桩土相互作用或者单向荷载受力情况下的承载特性问题，少有人在桩土相互作用问题的基础上对联合荷载下吸力式桩桶的承载问题进行研究。因此在以前学者研究的基础上采用有限元数值模拟软件ABAQUS，对主要承受竖向和水平联合荷载下的吸力式桩桶进行三维数值模拟，以此来探讨吸力式桩桶与海底土在受到不同的竖向和水平荷载情况下的变形程度以及承载特性问题，并引出相对应的破坏包络曲线，研究结果可为后续吸力式桩桶的设计提供参考。

基本结论

运用ABAQUS有限元分析软件，绘制出了吸力式桩桶模型的p-y曲线，并与API规范中的计算方法进行比较，结果基本一致，验证了文中有限元模型的可行性。针对不同表面荷载下桩体和土体的承载特性进行探讨，得到以下结论：

1）桩体在受到荷载作用过程中的桩顶位移呈递增状态，桩身的最大应力出现在桩顶受载部分，最大弯矩由于力的传递性则出现在泥面下7.7 m左右处。

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2）土体的位移和应力均由桩体受到荷载作用后，土体受到挤压作用而导致。对于土体的应力状态而言，主要存在于桩土相互作用的表面处；对于土体的变形而言，主要存在于桩体内部以及与桩表面相互作用的土体，且变形大小以桩顶向桩底以及四周呈递减趋势传递；土的塑性应变主要分布在桩土接触面附近，随着远离接触面，土体的塑性应变可忽略不计。

3）桩体在受到倾斜角度不同的表面荷载时所绘制的破坏包络曲线大致为四分之一的椭圆形状，且倾斜角度不同，桩体所能体现的极限承载力也大不相同。根据ABAQUS有限元软件所绘制的包络图能体现出桩体的破坏区域，在实际工程中应当避免该现象的发生。

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本文引用格式：蒋建平, 孙宏涛, 高嘉若. V⁃H荷载作用下海洋平台吸力式桩桶桩土承载特性研究[J]. 海洋工程, 2023, 41(6): 1-10.  (JIANG Jianping, SUN Hongtao, GAO Jiaruo. Study on bearing characteristics of suction pile and soil of offshore platform # i* X6 Y5 d! }6 Q under V-H load[J]. The Ocean Engineering, 2023, 41(6): 1-10.  (in Chinese)）

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作者简介：蒋建平

蒋建平，男，汉族，1966年8月生，湖南隆回人，博士，上海海事大学 8 n) x) S# u# P5 i0 c2 O. J9 q. K

教授。主要从事港口航道与海岸工程方面教学研究工作，在港口海岸与海洋工程方面取得了重要成果，主持“基于地层结构效应的变刚度抗滑桩与地层协同工作宏细观研究”国家自然科学基金面上项目、“考虑泥沙淤积和疏浚影响的高桩码头中的地层结构效应研究”上海市教委科研创新项目，出版“大直径灌注桩竖向承载特性”等专著，发表“板桩码头浚深改造方案研究”等论文。

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期刊简介

Introduction

《海洋工程》是中国科协技术协会主管，中国海洋学会主办，南京水利科学研究院和上海交通大学承办的综合性中文科技期刊，双月刊，创刊于1983年，现已成为我国海洋工程领域具有较大影响力的学术期刊。报道范围涵盖深海工程、近海工程、海上风电工程、河口海岸工程、港口航道工程、海洋能源利用工程、海底矿产资源开发工程、水下工程、潜水救捞技术等。

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《海洋工程》立足于自身定位，突出刊物特色，遵循理论与实践相结合的原则，在内容上理论性与实用性兼顾。贯彻科学技术要面向生产，为国民经济建设服务和“百花齐放，百家争鸣”的方针，交流科研成果，开展学术讨论，为提高我国海洋工程的科学技术水平，促进我国海洋资源的开发利用作出积极贡献。

本刊是全国中文核心期刊，中国科技核心期刊，《中国科学引文数据库》（CSCD）核心期刊，美国《剑桥科学文摘》(CSA)、日本科学技术振兴机构数据库（JST）、科技期刊世界影响力指数(WJCI)等收录期刊，中国科技论文统计源期刊等。

先后荣获中国国际影响力优秀学术期刊、国家级优秀海洋期刊、中国科协高水平中文期刊培育项目资助等荣誉。

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