在多弹簧模型中量化土壤弹性对横向受载单桩的影响

《Ocean Engineering》：Quantifying contribution of soil spring in multi-spring models for laterally loaded monopiles

单桩基础设计中的长细比阈值与多弹簧模型贡献分析。研究采用Abaqus三维模型，通过参数化分析发现低长细比（<6）单桩的底部剪切力和弯矩贡献显著，而高长细比桩侧阻力主导，验证了多弹簧模型在准确反映土-单桩三维互作中的必要性。

　　

吴雅军|李梦雪|李伟超|周泽峰|杨敏|罗伦波

上海大学土木工程系，中国上海200444

摘要

单桩被广泛用于支撑海上风力涡轮机，主要承受来自风、波浪和海流的侧向载荷。由于其直径可达10米，且细长比（即嵌入长度与直径之比，L_em/D）约为6，单桩表现出刚性行为。目前最常用的单桩设计方法是API推荐的P-y方法，该方法最初是为细长桩（L_em/D ≥ 30）开发的，适用于海上石油和天然气领域。然而，该方法无法充分考虑三维相互作用效应，例如桩尖处产生的侧向剪力。为了解决这一问题，人们推荐了多弹簧模型。尽管多弹簧模型在物理描述上有所改进，但各弹簧的贡献程度尚未得到定量评估。本研究在Abaqus软件中实现了多弹簧模型，并系统地研究了各弹簧在抵抗侧向载荷中的作用。通过参数分析，研究了这些贡献随细长比的变化情况。结果表明，对于细长比较低（L_em/D < 6）的单桩，桩尖和桩身的抗弯/抗剪能力具有不可忽视的作用，因此多弹簧模型对于准确捕捉土-单桩相互作用至关重要。而对于更细长的桩，侧向阻力占主导地位，简化模型可能就足够了。最后，本文引入了细长比阈值，以指导高效可靠的单桩设计。

部分摘录

背景

海上风能是一种绿色、清洁且可持续的能源，近年来在全球范围内得到了广泛发展。单桩是海上风力涡轮机最常用的基础形式，通常由直径超过5米甚至达到10米的开放式钢管构成。其嵌入长度一般为直径的5到7倍，总重量可达到2000吨（BOSLAN，2022）。单桩的设计主要取决于其侧向响应特性（Yang等人，2016年）。

三维数值模型的构建

本研究采用商业有限元软件Abaqus进行数值分析，重点关注受侧向载荷作用的单桩的三维（3D）建模。先前的研究已经证明了3D建模在研究桩-土相互作用方面的适用性（Yang等人，2016年、2020年；Chen等人，2023年；Wang等人，2024a年）。为了消除边界条件的影响，将土体域的直径设置为单桩直径的20倍。

验证

为了验证所推荐的方法，我们使用了来自三个地点的测试数据，这些地点包含黏土层和密砂层。关于这些测试的详细信息见第2.2节。图4显示，计算结果与侧向载荷测试中的测量结果吻合良好，证明了从土-单桩界面得到的相互作用力的有效性，以及代表这些相互作用的弹簧模型的正确性。

参数研究

为了更好地理解用于海上风力涡轮机的单桩在侧向载荷作用下的桩-土相互作用特性，我们进行了一系列参数研究。这些分析重点关注单桩直径和细长比对四个弹簧组分的相对贡献的影响：侧向抗弯力（P-y）、桩身抗弯矩（M_s-θ_s）、桩尖抗剪力（Q_b-y_b）和桩尖抗弯矩（M_b-θ_b）。研究对象包括三种直径的单桩（2米、6米和10米）。

结论

作为海上风力涡轮机最常用的基础形式之一，单桩的外径通常可达10米，细长比约为6。这类单桩主要承受风、波浪和海流引起的侧向载荷，并围绕地面以下某一点旋转。这种响应方式与海上石油和天然气平台常用的细长桩有所不同。然而，当前的设计方法仍然沿用最初为细长桩开发的方法。

作者贡献声明

吴雅军：撰写初稿、方法论设计、数据整理。李梦雪：撰写初稿、正式分析、数据整理。李伟超：审稿与编辑、监督工作、方法论设计、资金筹集、正式分析、概念构思。周泽峰：审稿与编辑、验证工作、方法论设计。杨敏：验证工作、监督工作、方法论设计。罗伦波：审稿与编辑、验证工作。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：41972275、42272320）的支持。