在白垩土中打入的承受侧向荷载的开端式钢桩的有限元分析

《Geomechanics for Energy and the Environment》：Finite element analysis of laterally loaded open-ended steel piles driven in chalk

开式钢管桩在白垩岩中的侧向承载性能受安装导致的岩体结构破坏影响显著。通过三维有限元分析不同直径（1.22m）、埋深（10.16m）和壁厚（44.5mm）的桩体，结合英国圣尼古拉斯场测试数据，揭示了钢材屈服先于岩体破坏的现象，并提出了考虑弹塑性的简化建模方法。研究证实有限元模型能准确预测桩的极限承载力和荷载-位移关系，为白垩岩区桩基设计提供了新方法。

　　

斯塔夫鲁拉·康托埃（Stavroula Kontoe）|朱塞佩·佩多内（Giuseppe Pedone）|恩里科·贝卢马特（Enrico Bellumat）|理查德·贾丁（Richard Jardine）

帕特拉斯大学（University of Patras）土木工程系，阿里斯托泰勒斯大道26500号，里奥（Rio），希腊

摘要

开放式钢桩常用于支撑海上风力发电结构。然而，在全球多个地区发现的非常脆弱的白垩岩中，这类桩的设计面临重大挑战。冲击驱动会导致白垩岩在桩周围发生破坏和断裂，从而严重影响其抗侧向载荷的能力。这一现象在英国最近进行的现场测试中得到了验证，测试对象包括不同长度、直径和厚度的钢桩，这些钢桩均出现了地质技术和结构上的故障。

大多数这些抗侧向载荷测试（包括对较大、较长单桩的测试）都是最近完成的，但尚未进行数值分析。本文介绍了对不同直径（最大1.22米）、嵌入长度（最大10.16米）和壁厚（最大44.5毫米）的开放式钢桩进行的3D有限元分析结果，有助于揭示现场观察到的显著尺度效应。

新的现场测试还表明，在实际尺寸的桩进行测试时，白垩岩可能在地质技术故障发生之前就出现钢材屈服现象。然而，在地质工程应用中模拟土桩相互作用时，通常忽略了钢材的屈服行为。本文旨在通过引入一种简化的建模方法来弥补这一不足，以考虑钢材的弹塑性行为。

分析结果与现场情况总体吻合良好，并揭示了影响准确预测桩-白垩岩相互作用的主要地质技术不确定性因素，尤其是桩驱动引起的白垩岩断裂程度及其对白垩岩力学性能的影响。这些研究为设计适用于白垩岩场地的大型打入桩提供了重要的指导。

引言

大直径开放式钢管桩长期以来一直被用作港口、桥梁等结构的常用基础方案，如今在海上风力发电项目中也被广泛采用。由于海上风力发电单桩主要承受侧向载荷和弯矩载荷，因此对其设计进行了大量研究，其中包括PISA（Pile Soil Analysis）联合工业项目（JIP）。PISA通过开发更精确的砂土和粘土场地侧向分析方法，为多个单桩项目提供了更经济、更可靠的设计方案（这些单桩的长度与直径比远小于10）。然而，PISA并未考虑全球潜在开发场地中日益常见的软弱岩石类型——白垩岩。北欧最常见的软弱岩石之一就是白垩岩³，这给海上风电项目的设计带来了严重困难；参见Barbosa等人的研究⁴或Carotenuto等人的研究⁵。在低至中等密度的白垩岩中，冲击驱动会导致材料在桩周围发生破坏，并在周围岩石中引发额外断裂，从而严重影响后续的承载性能；参见Muir Wood等人的研究⁶和Buckley等人的研究⁷。Alvarez-Borges等人通过X射线计算机断层扫描（X-ray computed tomography）在模型试验中研究了安装效应⁸，Previtali等人则使用颗粒有限元方法（Particle Finite Element Method，PFEM）进行了数值分析⁹。然而，白垩岩的特性和安装效应对实际服役行为的影响尚未得到系统研究。

本文旨在通过分析在英国肯特郡圣尼古拉斯（Saint Nicholas at Wade，SNW）进行的Windsupport联合工业项目（JIP）中的全部桩测试结果来填补这一知识空白。这些测试由Ciavaglia等人报告¹⁰，还包括Innovate UK JIP7、11、12项目以及综合性的ALPACA（Axial and Lateral Pile Analysis in ChAlk）和ALPACA Plus JIPs^{13, 14, 15}项目。作为这些项目测试对象的桩均打入低至中等密度的白垩岩中（干密度ρ_d=1.38-1.64 Mg/m³），根据Lord等人的分类标准属于CIRIA等级B2/B3¹⁶。该等级的白垩岩具有60至600毫米的节理间距和小于10毫米的开口，其质量水力传导率介于10^-5至10^-3m/s之间。广泛的现场特性研究表明，SNW地区的白垩岩具有明显的脆性特征，在原位应力下的三轴试验中完整试样表现出明显的应变软化现象；参见Vinck等人的研究¹⁷。Liu等人的研究表明，白垩岩的行为显著依赖于压力：在低围压下呈脆性和膨胀性，而在围压超过1 MPa时则变为延展性和收缩性¹⁸。

佩多内（Pedone）等人对ALPACA JIP中的两项侧向载荷测试进行了探索性有限元分析，这些测试涉及地质技术故障机制，属于Broms定义的短自由头桩故障机制^{20, 21}。因此，他们的建模方法未考虑钢材的弹塑性行为，而是假设钢材完全呈弹性。他们对白垩岩力学性能的建模基于Vinck²²、Vinck等人¹⁷和Liu等人^{18, 23}报告的全面现场和实验室表征数据，这些数据涵盖了完整白垩岩和完全破坏的白垩岩。桩安装引起的损伤是通过考虑白垩岩周围材料的退化力学性能间接描述的。桩周围不同损伤区域的划分基于Buckley等人的观察结果⁷，并在图1a中进行了总结。在判断受损白垩岩的力学性能时，参考了Millar²⁴、Lord¹⁶和Clayton²⁵的早期研究。

佩多内等人的初步侧向载荷分析集中研究了直径为0.508米、壁厚为20.6毫米、采用高屈服应力钢材制成的单桩，其嵌入长度为3.05米（L/D = 6）。该分析能够捕捉到现场响应和桩的纯地质技术故障。然而，作者未探讨其建模方法是否能够准确适用于更长桩长、不同直径、L/D比、钢材等级或壁厚的情况。这限制了该方法在工程设计中的应用范围，例如无法有效设计通常打入数十米深度、直径达数米的海上风力涡轮机单桩。本文旨在通过3D有限元分析探索是否能够捕捉到在白垩岩中打入的桩在侧向载荷作用下的完整载荷-位移、弯矩-旋转和弯矩-深度关系，这些桩具有不同的直径（最大1.22米）、嵌入长度（最大10.16米）和壁厚（最大44.5毫米）。

桩的侧向响应还受到钢材屈服的显著影响，而在模拟单桩行为时通常忽略这一因素，无论是在白垩岩场地¹⁹，还是在以砂土或粘土为主的场地^{26, 27}。McAdam等人在ALPACA现场测试中发现，直径为0.508米、L/D比为20的钢桩（采用高屈服应力X80钢材、壁厚为20.6毫米）在达到极限“故障”之前就发生了钢材屈服，此时桩的地面位移为10%。McAdam等人还观察到，直径为1.22米、L/D比为6的ALPACA Plus桩（采用标准低屈服应力钢材、壁厚为24.6毫米）在“故障”前也发生了钢材屈服。本文旨在引入一种简化的建模方法，以便在常规的土桩相互作用有限元分析中模拟钢材屈服现象，从而分析大位移下的桩侧向行为。

本研究首次通过3D有限元分析全面探讨了多种桩的几何形状和破坏机制，为设计在侧向载荷作用下的打入桩提供了前所未有的指导。文章首先概述了相关的侧向载荷现场测试案例，然后总结了用于模拟白垩岩和桩行为（及其相互作用）的有限元建模方法。随后展示了数值模拟结果，并将其与现场数据进行了对比，得出了关于代表性建模及其潜在缺陷的重要结论。最后，提出了进一步改进白垩岩中打入桩行为预测的研究方向。

桩测试

表1总结了所考虑的桩测试案例。这些测试包括使用高屈服应力X80钢材制成的直径为508毫米的相对刚性“单桩”（L/D = 6）和相对柔性（L/D = 20）“摩擦型”ALPACA桩。此外还包括McAdam等人描述的直径为1220毫米的ALPACA Plus TP2低碳钢“单桩”（L/D = 6），以及Windsupport项目中的直径为5.25毫米、直径为762毫米的Test 3低碳钢“单桩”（本文中称为CP3）。

几何形状和网格

本文讨论的3D有限元（FE）分析使用PLAXIS 3D V24.1软件进行，该软件采用用户定义的本构模型，其中包括屈服前的非线性弹性行为²⁹和Mohr-Coulomb型破坏准则^{30, 31}。由于研究问题是对称的，因此只对半数桩进行了建模，如图4a中LD06-11桩的网格所示。图4b展示了桩附近的网格细节。

与现场测量的比较

主要分析序列中的载荷-位移、弯矩-旋转和弯矩-深度结果与图6、图7、图8中的现场测试结果进行了对比。以LD06-11和TP2的更具代表性的弹塑性桩行为作为参考，可以看出，数值模拟在极限承载能力（图6）、弯矩-旋转响应关系（图7）和弯矩-深度分布（图8）方面与现场测试结果吻合良好。

总结与结论

在白垩岩场地设计用于抵抗侧向载荷的大型开放式钢桩面临重大挑战。在低至中等密度地层中，冲击驱动会导致桩周围材料完全破坏，并在周围岩石中引发额外断裂，从而严重影响桩的轴向和侧向承载性能。本文报告了3D有限元（FE）侧向载荷建模的成功应用。

作者贡献声明

斯塔夫鲁拉·康托埃（Stavroula Kontoe）：撰写 – 审稿与编辑、撰写原始稿件、可视化处理、验证、监督、资源管理、方法论研究、数据分析、概念化。 朱塞佩·佩多内（Giuseppe Pedone）：撰写 – 审稿与编辑、撰写原始稿件、可视化处理、验证、监督、资源管理、项目协调、方法论研究、资金获取、数据分析、概念化。 恩里科·贝卢马特（Enrico Bellumat）：撰写 – 审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢其所在大学的同事以及ALPACA和ALPACA Plus项目的资助方和赞助商。同时感谢Ross McAdam博士和Andrea Diambra教授在ALPACA和Windsupport现场测试中提供的帮助，以及特伦托大学通过Pedone的资助项目（编号40202493）对贝卢马特的支持。