海洋粘土中用于海上风力涡轮机的半刚性单桩横向承载能力的评估

《Ocean Engineering》：Assessment of lateral capacity of semi-rigid monopile for offshore wind turbines in marine clay

半刚性单桩在黏土中极限侧向承载力研究，提出三区耦合破坏机制的上界解法，通过动床法构建考虑桩身刚度的复合速度场，推导单侧/双侧楔形破坏的上界公式，经离心试验与3D FE验证，揭示土体强度与偏心距对破坏模式转换的影响规律。

　　

林明珂|秦长兵|易江涛|余一良|丁宣明

重庆大学土木工程学院，中国重庆，400045

摘要

offshore单桩直径的不断增加使其行为从柔性转变为半刚性，从根本上改变了侧向荷载下周围黏土的破坏机制。目前的上限方法主要针对柔性或刚性桩，对于具有独特三重破坏模式的半刚性桩存在研究空白：浅楔形破坏、中间全流破坏和深层旋转破坏。本研究提出了一种新的上限解法，用于评估黏土中半刚性桩的极限侧向承载能力。建立了一个运动学上可行的速度场，严格考虑了半刚性桩的平移-旋转变形模式以及楔形-全流-旋转破坏机制。分析考虑了不同土层内部、桩土界面以及破坏层之间的能量耗散。根据土体强度特性，分别推导了有活跃楔形破坏（单侧和双侧破坏）情况下的上限解。所提出的方法通过已发表的离心试验和三维有限元模拟进行了验证，结果显示吻合良好。参数分析进一步明确了荷载偏心率对桩承载能力的影响，以及土体强度对单侧和双侧楔形破坏机制转变的影响。该方法为预测黏土中半刚性桩的侧向承载能力提供了一个理论上的严谨工具。

引言

由于全球对清洁能源需求的增长，海上风电因海上丰富的风能资源而迅速发展。在近海环境中，单桩因其较高的承载能力和高效的安装方式而成为首选。为了满足大容量涡轮机的需求，单桩的直径已从4米增加到10米或更大（Zheng等人，2024年）。这种增加提高了桩土系统的相对刚度，使得单桩的行为从柔性转变为半刚性甚至刚性（Cao等人，2021年）。这从根本上改变了桩周围的土流机制。值得注意的是，半刚性桩（介于柔性与刚性之间）的相对刚度范围为0.0025至0.208（Poulos和Hull，1989年；Hong等人，2017年），其独特的变形模式引发了复杂的土流行为，给桩土相互作用分析带来了挑战。

针对侧向荷载下半刚性桩的复杂桩土相互作用机制，学者们进行了离心试验（Hong等人，2017年）和数值模拟（Cao等人，2021年；Zhang等人，2025年），重点研究桩周围土体的流动破坏模式。研究表明，半刚性桩会引起独特的三重破坏区：浅楔形破坏、中间全流破坏和深层旋转破坏（Hong等人，2017年）。这与柔性桩的典型楔形流动破坏和刚性桩的楔形旋转破坏有显著不同（Wang等人，2020年）。Cao等人（2021年）通过有限元分析表明，随着桩直径的增加，楔形破坏区和旋转破坏区的范围逐渐扩大，而全流破坏区则减小。除了桩的几何形状外，土体强度特性也对桩周围的土破坏模式有显著影响（Yu等人，2017年）。离心试验表明，土体的固结状态对桩后方的间隙形成起着关键作用：在超固结黏土中，桩的变形会导致单侧楔形破坏（Zhang等人，2011年）；而在正常固结黏土中，表面软黏土会与桩同时变形，从而阻止间隙形成（Jeanjean，2009年；Khemakhem等人，2012年）。间隙的形成显著改变了桩周围土体的承载模式（Senanayake，2016年）。这些现象突显了桩土相对刚度在控制破坏机制中的决定性作用。目前尚缺乏一种可靠且普遍适用的理论方法来准确评估半刚性桩的极限侧向承载能力。

在评估桩的极限承载能力时，上限定理因其严谨的理论基础而被广泛采用（Randolph和Houlsby，1984年；Murff和Hamilton，1993年；Martin和Randolph，2006年；Klar和Randolph，2008年；Yu等人，2015年，2021年）。该方法涉及构建一个运动学上可行的速度场来计算内部能量耗散率和外部功率，从而确定极限承载能力。对于黏土中的柔性桩，Murff和Hamilton（1993年）提出了一个上限破坏机制，包括上部的三维圆锥形楔形破坏和下部的全流破坏。在此基础上，Klar和Randolph（2008年）通过结合Klar和Osman（2008年）提出的全流机制，实现了完全兼容和连续的变形场。Yu等人（2015年）考虑了上下速度不连续面上的能量耗散，为柔性桩建立了更准确的破坏机制。对于刚性桩，Yu等人（2021年）利用楔形旋转破坏模式推导出了相应的上限解。然而，现有的上限研究主要针对柔性桩和刚性桩；针对黏土中半刚性桩的承载能力进行系统性的上限方法仍有待开发。

为填补这一空白，本研究旨在基于楔形-全流-旋转三重破坏机制，开发一种用于评估黏土中半刚性单桩极限侧向承载能力的上限解。首先，阐明了侧向荷载下不同土体强度下半刚性桩的土破坏机制。其次，将建立一种考虑深度效应的三维破坏机制，具体描述楔形破坏区的径向演变。基于半刚性桩的特征变形行为，构建一个运动学上可行的速度场，确保沿深度的变形机制完全兼容，并考虑速度不连续性处的能量耗散。在此基础上，将推导出适用于单侧和双侧楔形破坏机制的上限公式。最后，通过有限元模拟和已发表的离心试验验证当前方法，并进行全面的参数分析。

部分内容摘录

半刚性桩的变形模式和土破坏机制

为了更全面地了解半刚性桩的侧向变形特性对周围土体破坏机制的影响，使用ABAQUS软件进行了弹塑性有限元分析。在有限元模型中，黏土被表示为具有相关流动规则的Tresca材料。此外，选择泊松比为0.495以满足不排水条件。

现有文献结果的验证

为了全面验证本研究提出的用于预测黏土中半刚性桩极限侧向承载能力的上限解，选取了四个现有案例的结果进行对比分析：Hong等人（2017年）和Lai等人（2020年）的离心试验，以及Cao等人（2021年）使用三维有限元分析和p-y方法的验证。

Hong等人（2017年）对直径为0.8米、嵌入深度为13.2米的原型桩进行了离心试验。

结论

本研究提出了一种评估黏土中半刚性桩极限侧向承载能力的新上限方法。侧向荷载下的半刚性桩会引起独特的三维破坏机制，包括浅楔形流动、中间全流和深层旋转流动区。建立了严格运动学上可行的速度场，明确考虑了半刚性桩的平移-旋转变形模式。速度场考虑了径向

CRediT作者贡献声明

林明珂：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、方法论、概念化。秦长兵：撰写——原始草稿、监督、资源协调、项目管理、资金获取、正式分析、概念化。易江涛：监督、概念化。余一良：验证、软件。丁宣明：监督、概念化。

数据可用性声明

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利益冲突声明

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致谢

本工作得到了中央高校基本科研业务费（资助编号：2025CDJZKZCQ-05和2023CDJKYJH036）的财政支持。