《Ocean Engineering》：Offshore wind monopile bearing capacity prediction method based on CPTU: Research on the axial bearing mechanism by CPTU
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海上风电单桩轴容预测方法研究基于锥贯仪测试（CPTU）和离心机模型试验，揭示安装引起的土壤位移效应对单桩承载能力的影响规律，提出包含异质性指数和土壤位移系数的新型预测框架，相较传统方法预测误差降低超30%，为海上风电基础优化设计及退役再利用提供非破坏性评估工具。
Jie Zhou|Chengjun Liu|Zhenming Shi|Panpan Shen|Yingkang Zhong
同济大学土木工程学院岩土工程系，上海，200092，中国
摘要
对于新建的海上风力单桩以及可再生能源项目中现有基础的再利用，都需要准确的轴向承载力预测。传统方法主要基于小直径桩，忽略了大直径单桩安装对土壤造成的显著扰动，导致设计过于保守且往往不准确。本研究提出了一种单桩轴向承载力预测框架，该框架明确考虑了基于圆锥贯入试验（CPTU）的安装引起的土壤位移效应。通过在沙土、软黏土和层状土壤中进行的一系列离心模型试验，在不同距离处对单桩施加逐渐增加的轴向荷载，并进行CPTU测试。结果表明，CPTU参数存在明显的距离依赖性增强现象，这种增强通过新定义的差异指数进行了量化。研究建立了一个土壤位移系数，用于将可访问位置的CPTU测量值与未受扰动位置的等效值进行关联。将所提出的方法的结果与标准方法和数字-物理集成建模结果进行了比较，发现所提方法的预测误差降低了30%以上。本研究为评估新建设区和退役场景下的单桩轴向承载力提供了一种实用且非破坏性的工具，具有显著潜力减少过度保守的设计，并支持海上风电的可持续发展。
引言
海上风能已成为全球可再生能源战略的关键支柱。主要制造商不断推出更高容量的风力涡轮机模型，推动了发电能力的边界。然而，这种加速的创新在确保结构安全、运行可靠性和成本效益方面带来了重大挑战。根据最新的行业报告，中国推出了22-26兆瓦的突破性风力涡轮机——这是迄今为止最大的功率等级，其转子直径为300米，扫掠面积相当于10个标准足球场（全球风能理事会，2025年）。这类巨大的海上风力涡轮机对基础承载能力和结构安全提出了前所未有的要求。鉴于海上风电基础占总项目成本的很大一部分，对其经济优化对于维持该行业的快速发展至关重要。最近，基础成本占海上风电项目的25%至34%，而相同安装容量的海上风电塔架和基础的总成本是陆上项目的2.5倍（Díaz和Guedes Soares，2020年；Jindal等人，2024年）。这不仅是因为海上荷载较大，还因为基础承载力计算的不准确性导致了设计上的冗余。
目前，单桩是最常用的海上基础类型（Musial等人，2022年）。但由于承载力预测方法的不准确，设计过于保守，直接导致了材料使用过度和成本增加。当前海上风力单桩的设计主要遵循API RP 2GEO标准（API，2014年），该标准最初是为石油和天然气平台开发的。然而，将其应用于大直径海上风力单桩的有效性仍存在疑问，因为它依赖于来自有限区域经验的经验性土壤参数。现场测试表明，桩的压缩和抗拉承载力分别比API方法预测的高出约20%和65%（Jardine等人，1998年）。同样，Kallehave等人（2015年）证明，根据现场特定条件优化单桩设计可以将钢材使用量减少10-25%，这突显了当前行业实践的保守性和低效率。Tu等人（2025年）强调了由于复杂的土壤堵塞效应导致的桩承载力预测困难，现有模型未能充分描述这一现象。在地质条件多样的地区，如中国的海上区域，API基方法的局限性尤为明显，这些地区广泛分布着厚黏性土壤（Zhou等人，2024年）。依赖局部经验相关性会导致承载力预测的显著不确定性，常常导致设计过于保守和成本不必要的增加（Wu等人，2019年）。这不仅削弱了海上风电项目的经济可行性，也阻碍了海上风电行业的可持续增长。因此，开发更准确且普遍适用的设计方法对于克服这些挑战和推进下一代风力涡轮机的成本效益型单桩基础至关重要。
另一方面，随着全球早期海上风电场达到使用寿命，其退役问题越来越受到关注。来自七个退役欧洲海上风电场的案例研究表明，完全拆除的成本非常高（Shafiee和Adedipe，2022年），而翻新（在现有基础上更换旧涡轮机）则是一种更经济的解决方案（Spielmann等人，2021年）。然而，这种方法需要对单桩的承载能力进行彻底重新评估。目前，还没有专门用于评估退役海上单桩剩余承载能力的成熟方法。迫切需要开发一种可靠的非破坏性测试方法来评估其承载性能，以促进单桩的经济高效再利用和海上风电场的升级。
圆锥贯入试验（CPTU）是一种先进的原位测试方法，它结合了孔隙压力测量和传统的圆锥贯入试验（CPT），已成为海上岩土工程中最广泛采用的研究技术（Eslami等人，2019年）。正如API方法所认可的，应使用高质量样本的强度测试、模型试验或打桩性能记录来提供单桩承载力计算所需的关键参数。圆锥贯入和单桩荷载传递行为之间的物理相似性激发了许多基于CPT/CPTU的单桩承载力预测方法（Shirani等人，2023年）。在贯入过程中，圆锥模拟了一个微型桩，其测得的尖端阻力（qc）、套筒摩擦力（fs）和孔隙压力（u2）共同表征了与桩性能相关的地层和强度特性，从而确定了桩的尖端/杆身阻力（White和Bolton，2005年；Kempfert和Becker，2012年）。
CPT在预测桩承载力方面的应用起源较早，包括LCPC（Bustamante和Gianeselli，1982年）、ICP（Jardine等人，2005年）、UWA（Lehane等人，2005年）、“统一”方法（Lehane等人，2022年）等。CPTU测量圆锥处的孔隙水压力，使其比传统CPT对圆锥应力状态更敏感（Eslami等人，2025年）。研究人员很早就认识到它预测桩承载力的潜力。Almeida等人（1996年）提出了一种基于CPTU的黏土中单桩轴向承载力预测方法。Eslami和Fellenius（2004年）提出了广泛应用的“UniCone”方法。这两种方法都基于qc来预测单位端部和单位杆身阻力。它们的主要区别在于对qc的校正方法，且两种方法都没有充分利用fs数据。基于CPTU方法的最新进展结合了数据中心和机器学习技术，以细化圆锥参数与桩承载力之间的相关性（Ardalan等人，2009年；Eslami和Ebrahimipour，2024年；Ebrahimipour和Eslami，2024年）。现有的CPT/CPTU方法主要基于在均匀土壤条件下从小直径桩获得的数据。由于桩直径和嵌入深度的尺度效应，它们对于大直径海上风力涡轮机桩在复杂夹层沙-黏土地层中的适用性和准确性仍存疑问（George和Meyerhof，1983年）。因此，这些方法没有明确考虑土壤应力-应变状态的显著和持续变化，包括大直径单桩安装引起的残余应力的发展。在评估现有或退役桩的承载力时，这种忽视尤其关键，因为土壤-桩系统已经经历了安装引起的变化。
为了解决这些限制，本研究提出了一种使用附近收集的CPTU数据来预测单桩承载力的方法，特别是针对退役的海上单桩。当单桩受到垂直荷载时，周围土壤的性质会因单桩的安装和位移而改变。这些土壤性质的变化——即土壤位移效应——可以通过CPTU指数检测出来，并与单桩的轴向承载力相关联。本研究试图通过离心实验澄清CPTU数据与单桩轴向承载力之间的关系。通过分阶段对模型单桩施加垂直荷载，并比较不同距离处的同步CPTU数据，分析了土壤位移效应。
原型和实验程序
合适的原型对于离心模型实验的设计至关重要。然而，全尺寸单桩的轴向承载力极高，超出了现有海上加载设备的加载能力，使得基于全尺寸单桩的离心模型验证变得困难。此外，工程设计中的垂直加载试验也是在小直径单桩上进行的。考虑到这个问题，选择了位于中国福建南里岛附近的一个试验单桩作为
桩顶位移和轴向力
传统的桩承载机制分析使用垂直荷载-沉降（Q-s）曲线。在离心模型实验中，获得的Q-s曲线显示出不同土壤类型下的渐进变形特性，没有观察到明显的拐点（图8）。这种行为表明桩承载力是逐步发展的，而不是突然失效的。然而，当使用比例关系（长度比例因子：N
基于CPTU的单桩轴向承载力预测方法
为了建立一种考虑安装效应的基于CPTU的单桩承载力预测方法，本研究利用了单桩安装后通过CPTU数据测得的土壤位移模式。这种方法能够在考虑安装引起的土壤变化的情况下，重新计算单桩承载力，这些变化改变了土壤-桩的相互作用机制。
结论
本研究进行了离心实验，以研究海上风力单桩的承载机制。模型桩在沙土、软黏土和沙-黏土层状土壤中受到逐渐增加的垂直荷载。每次荷载增加后，都在不同距离处对单桩进行了CPTU测试。主要结论总结如下：
(1)离心实验结果表现出很强的规律性，模型桩的Q-s曲线显示出渐进的转变
CRediT作者贡献声明
Jie Zhou：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理、方法论、资金获取、正式分析、概念化。Chengjun Liu：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、方法论、研究、正式分析、数据管理、概念化。Zhenming Shi：监督、项目管理、资金获取。Panpan Shen：资源管理、资金获取、概念化。Yingkang Zhong：可视化、软件开发、研究，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究工作得到了国家自然科学基金（编号：42477182）的支持。
