刘红军， 王永玮， 王建收

( 1.中国海洋大学山东省海洋环境地质工程重点实验室，山东 青岛 266100; 2. 中国海洋大海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 266100;3.青岛地质工程勘察院，山东 青岛 266071)

综 述

既有竖向荷载对单桩水平承载特性影响的研究进展*

刘红军1，2， 王永玮1， 王建收3

( 1.中国海洋大学山东省海洋环境地质工程重点实验室，山东 青岛 266100; 2. 中国海洋大海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 266100;3.青岛地质工程勘察院，山东 青岛 266071)

单桩基础是海上风电场的一种重要基础形式。海上风电场单桩基础首先需要承担上部结构传递的竖向荷载，然后还需要承受波浪、海流、地震等作用下的水平荷载，而既有竖向荷载对单桩的水平承载特性会产生重要影响。本文阐述了既有竖向荷载对单桩水平承载特性影响的研究进展。通过对比不同学者的研究成果，分析了既有竖向荷载对单桩水平承载力特性的影响规律、影响原因及影响因素。针对目前国内外学者对该问题研究的不足，提出了若干思考和展望，认为有必要进行影响因素分析和水平循环荷载影响的探究。

竖向荷载；水平承载特性；影响因素；循环荷载

能源供需紧张、环境污染是目前人类发展道路上遇到的难题，而风能作为一种清洁能源走进了人们的视野。海上风力发电具有可再生、不占用陆上土地、污染小、建设周期短等优点，因此受到了世界各国的重视。近年来，风力发电在中国电力总装机中的比重已超过7%，成为仅次于火电、水电的第三大电力来源，2015年中国海上风电新增达36万kW，新增装机量位居全球第三，累计装机跃居全球第四[1]。风力发电机组基础部分占成本约30%[2]，是风电机组的重要组成部分。海上风电场的基础形式主要有单桩基础、重力式基础、导管架基础、承台式基础，而单桩基础具有结构简单、受力明确、施工周期短、钢桩加工制造工艺简单等优点，是最常见的风电场基础形式，在国内外风电场基础形式所占比例在65%以上[3]。海上风电场中，单桩基础主要受波浪、海流、冰、风等水平荷载的影响，但桩基在承受水平荷载之前需要先承受上部结构传递来的竖向荷载的作用。竖向荷载、水平荷载共同作用下的桩基，因受到桩长、荷载大小等多种因素的影响，其受力性状比较复杂[4-6]，目前常用的分析方法是按照小变形原理将竖向荷载和水平荷载分别单独作用下对桩基产生的内力和变形进行简单叠加[7-8]。但研究[9-11]认为，组合荷载作用下，各荷载分量对桩基的承载能力会相互影响，不考虑竖向荷载水平荷载间相互作用的桩基设计是不安全的[11]。对承受较大水平荷载的桩基来说，应用小变形原理叠加是不合理的[12]。本文将对既有竖向荷载对单桩水平承载特性影响的研究进展进行介绍。

1 既有竖向荷载对单桩水平承载特性影响规律

既有竖向荷载对桩基的水平承载特性会产生重要影响，但具体是怎样影响的，目前国内外研究学者的结论是不一致的，有些是互相冲突的。单桩的水平承载特性可以通过水平荷载作用下桩基的位移、桩顶转角、水平承载力等指标来反映。

相当一部分学者的研究结果认为，竖向荷载会对单桩的水平承载特性会产生有利影响，但是这部分学者的研究结果还是有一定的差别。郑刚[13]通过有限元模拟分析认为，预先施加竖向荷载可以减小水平荷载下桩顶的侧移量，且存在一个最优竖向荷载(见图1)，使得桩基在相同水平荷载下的桩顶侧移量最小，这与李海涛[14]研究结论相似。文献[13]还介绍了竖向荷载对桩顶侧移的影响与水平荷载大小有关，水平荷载较大时，竖向荷载对桩顶侧移的有利作用更明显。华卫君[15]根据室内静荷载试验结果也认为，竖向荷载可以提高单桩的水平承载力，但是桩顶竖向荷载的变化和水平承载力的变化是呈幂函数增长的关系趋势(见图2)，竖向荷载增加到单桩竖向设计承载力的50%后，竖向荷载对单桩水平承载力的增长效果开始减弱，这与冯凯等[16]的有限元数值分析结果类似。Karasev等[17]认为，竖向荷载的施加对单桩桩身水平位移有减小作用。陈正等[18]根据有限元数值模拟分析发现，随着预先施加竖向荷载的不断增大，单桩的水平承载能力不断增强，而且竖向荷载对减小桩顶侧移的影响主要发生在水平荷载加载后期，即水平荷载较大的时候。类似的，张国勋等[19]有限元数值模拟研究认为竖向荷载有利于单桩水平承载能力提高，且随着竖向荷载的增大，临界水平荷载增大，但对桩身开裂点位置影响不大。Guo等[10]通过模型试验研究了上层土体横向运动对桩弯矩、土反力的影响，发现当桩顶有竖向荷载作用时，上层土体运动引起的桩身最大变形、最大弯矩及土反力都明显小于桩顶没有竖向荷载的情况。郭院成等[20]现场试验结果分析认为，后注浆灌注桩在桩顶预先施加竖向设计荷载与桩顶未施加竖向荷载的情况相比，桩基的水平临界荷载Hcr和水平极限荷载Hult分别提高12.3%、26%。赵春风[21-22]室内试验研究认为，预先施加竖向荷载可以提高单桩的水平承载力，水平承载力随桩顶竖向荷载的增加而增加，且在同一水平荷载作用下，预先施加竖向荷载越大，桩身弯矩值越小，但竖向荷载对地面以下桩身弯矩的分布规律以及弯矩最大值出现位置和弯矩零点位置影响不大。

图1 桩顶作用不同竖向荷载时荷载-侧移曲线[13]

图2 不同竖向荷载作用下单桩水平极限荷载曲线[15]

还有一部分学者研究认为，需要满足一定条件下，竖向荷载对单桩的水平承载特性才会产生有利影响，否则会产生不利影响。高笑娟等[23-24]根据模型试验结果认为，在水平动荷载数值较小时，竖向荷载的存在能够适当降低桩身弯矩值，对桩水平动承载性能有利; 但当桩身水平动荷载数值增大，竖向荷载会因为增大桩身弯矩而变为不利因素。Karthigeyan等[12]讨论了土的类型对研究结果的影响，利用有限元程序GEOFEM3D分析了均匀砂土及黏土中混凝土方桩桩顶竖向荷载对桩水平承载力的影响，认为在竖向荷载下，砂土中桩的水平承载力可以得到提高，而黏土中桩的水平承载力是降低的。Chatterjee等[25]通过有限元分析发现，随着竖向荷载由零到竖向极限荷载变化时，密砂中桩基的水平承载能力不断提高，而松砂土中桩基在相同水平荷载条件下的弯矩却增大。而李向东等[26]利用有限元数值分析，研究了单桩水平承载力与桩基竖向荷载水平荷载比值nc的关系，认为存在一个临界比值nc。当n≤nc时，桩的水平承载力增大，增幅较小；当n≥nc时，水平承载力逐渐减小。文松霖[9]的研究结论与之相似。

还有部分学者研究认为，竖向荷载会对单桩的水平承载特性产生不利影响。例如Hazzara等[11]利用三维有限差分分析认为竖向荷载并对砂土(尤其是松砂土)中桩基的水平承载能力产生不会太大影响，但是竖向荷载对黏土中桩基的水平受力是不利的。Kesavan等[27]的软土柔性桩实验结果与之相似。Meera[28]、Lee[29]、Zhang[30]等和Liang等[31]的研究结果也认为单桩承受竖向荷载降低了单桩水平承载力，增大了单桩的水平位移。

还有学者认为，竖向荷载对桩的水平承载特性影响不大。例如皇明甫[32]利用模型桩试验及三维有限元分析认为，竖向荷载对桩的水平承载特性影响不大。

2 既有竖向荷载对单桩水平承载特性影响原因分析

郑刚[13]、Karthigeyan[12]、 Hussien[33]等认为，竖向荷载会对单桩水平承载特性产生有利影响,是因为竖向荷载会增大桩侧土体的水平应力，从而使桩侧摩阻力增加，而桩侧摩阻力和土体的水平应力对桩身的弯曲起到了抵抗力矩的作用(见图3)，所以减小了桩身的弯矩和位移。而亓乐[34]则认为水平加载下，桩基转动中轴偏向远离加载一侧，此时竖向荷载起到了约束转动的作用，所以单桩的水平承载力增大。高笑娟[23]认为竖向荷载能降低桩侧土压力值，桩身受压侧土压力值降低，延缓了土体的屈服，使土对桩保持了足够的抗力。黄亮亮等[35]认为单桩在水平荷载作用下，既有竖向荷载在桩身内产生的预压应力会抵消部分弯曲拉应力，从而提高桩的水平极限承载力。皇明甫等[32]和赵明华[36]认为水平荷载使桩身产生一定的弯矩和挠曲变形后，竖向荷载因为桩身挠曲变形的出现而对桩身会产生附加弯矩M( 即所谓的“P-△”效应，见图4) ，该附加弯矩又使得桩身的弯曲变形进一步增加。赵春风[37]研究认为，一方面预先施加的竖向荷载使得桩身压应力增大，压应力通过侧摩阻力施加到桩周土中，使得桩侧土体压力增大，提高了桩周土抗力，从而增大了单桩的水平承载力；另一方面对于产生水平位移的单桩来说，桩顶竖向荷载会对桩身产生附加弯矩，即P-△效应。在两种影响的共同作用下，必定存在一个最优竖向荷载对单桩的水平承载最有利。上述理论虽有一定的科学解释和实验验证，但还缺乏较为公认和规范的科学计算方法来支撑结论，有学者给出了倾斜荷载作用下的理论分析和解析解[38-41]。Liang等[42]提出了一种海洋桩基在竖向荷载和水平荷载共同作用下的受力模型，借助Mindlin解法分析土体反应，利用最小势能原理分析桩体反应。Meera[43]介绍了一种液化土中竖向和水平向受荷桩的简化分析方法。因为土中应力分布是十分复杂的，目前难以给出桩基竖向荷载作用下水平承载力的解析[18]。关于既有竖向荷载下单桩水平受力和变形的理论计算方面的研究还十分欠缺。

结合目前国内外学者的研究分析可以看出，既有竖向荷载对单桩的水平承载特性会同时产生有利影响和不利影响。而两种影响的相对大小将最终决定竖向荷载是有利于还是不利于单桩水平承载能力的提高。有利影响的产生一方面是因为预先施加的竖向荷载会对桩身产生预压应力，从而限制水平荷载下桩身受拉一侧的弯曲变形。但是随着桩身水平位移的增大，桩身的弯曲变形影响了预压应力在桩身内部的传递，竖向荷载对桩身受拉一侧产生的预压应力逐渐变小，其有利影响就会随之减弱。有利影响的产生另一方面是因为竖向荷载在单桩内部会产生压应力，压应力通过桩身侧摩阻力使得桩周土的压力增大，从而增加了桩周土抗力。而侧摩阻力和桩周土抗力对桩身的弯曲有抵抗力矩作用，这部分抵抗力拒可以抵消部分水平荷载对桩身产生的弯矩，所以单桩的水平承载能力得到了提高。不利影响的产生是因为竖向荷载会对桩身的挠曲变形产生附加弯矩，即 “P-△”效应。“P-△”效应会随着桩身水平位移的增大而逐渐变大，附加弯矩会逐渐抵消抵抗力拒的有利作用，当桩身达到一定水平位移时，竖向荷载对单桩水平承载特性的不利影响开始大于有利影响，此时竖向荷载对单桩水平承载特性的整体影响就从有利开始变为不利了。因此，判断竖向荷载对单桩水平承载能力影响的关键是比较有利影响和不利影响的相对大小。

图3 单桩在水平荷载下侧摩阻力及土抗力示意图[12]

图4 单桩“P-△”效应示意图

3 既有竖向荷载对单桩水平承载特性影响因素分析

既有竖向荷载对单桩的水平承载特性的影响效果与许多因素有关，因此不同研究学者在不同的试验条件下得到了不一样的研究结论。当桩身自由段长度及竖向荷载较大时,P-△效应对桩身弯矩的影响是不容忽视的[5]。例如赵春风[37]研究认为，泥面以上桩体水平位移导致P-△效应出现，其影响会随着竖向荷载以及泥面以上桩体自由段长度的增加而越来越明显；与之相似的，Lee的试验[29]也因为砂面以上桩自由段长度较大，竖向荷载对桩身产生的附加弯矩较大，导致竖向荷载对桩基水平承载能力的提高作用无法体现，而Kesavan等[27]认为竖向荷载对桩基水平承载能力的影响与桩的埋深有关。此外，桩周土的性质因为直接影响到桩身土抗力的分布模式，从而会影响桩身水平位移[44]，桩周土模量增大可以提高桩基的水平承载力[45]。郑刚[13]研究认为，在土质条件较好的情况下竖向荷载对桩顶侧移的有利影响不如土质条件较差时那样明显。Hazzara等[11]认为竖向荷载对单桩水平承载力的影响与桩基穿过的土体及桩端下附近的土体的性质都有关系，Chatterjee等[25]的结论与之相似。另外郑刚[13]与Karthigeyan 等[12]将研究结果进行对比认为，桩的长细比不同，桩基的变形特点不同，所以猜测可能竖向荷载对单桩水平承载能力的影响与长细比有关。Liang等[42]认为竖向荷载对海洋桩基水平承载的影响与竖向荷载与水平荷载大小之比、桩的长细比及抗弯刚度有关。文献[13]介绍到竖向荷载对提高桩基水平承载力的能力受到桩侧摩阻力、土中水平应力、桩身侧移及水平荷载的加载过程等因素的综合影响。Hussien等[33]还认为群桩中竖向荷载对每根桩的水平承载能力的影响与每根桩所在的位置有很大关系。

从目前已有的研究来看， 既有竖向荷载对单桩的水平承载特性的影响十分复杂，可能与桩身自由段长度、竖向荷载大小、土质、桩身抗弯刚度、桩长细比等多种因素有关。

4 思考与展望

(1)目前国内外学者对本文问题研究的重点主要集中在两个方面：一是竖向荷载的大小变化对单桩水平承载特性的影响；另一方面是竖向荷载不变时，水平荷载由小到大变化对单桩水平承载特性的影响。而目前对影响因素的针对性研究较少，缺少试验研究。了解各种因素对研究问题的影响规律，可以帮助我们更合理的设计桩基。根据已有的研究成果，对桩抗弯刚度、桩自由段长度、长细比及土质等影响因素的研究工作有待于进一步开展。

(2)影响海上风电场单桩基础的水平荷载，如风荷载、波浪荷载、地震荷载等，都是水平循环荷载。而目前国内外学者在既有竖向荷载对单桩水平荷载承载特性影响的问题研究中，无论是采用室内模型试验、现场试验的方法，还是采用有限元数值模拟的方法，绝大多数试验中对桩基施加的水平荷载都是静荷载，这显然与单桩基础的实际受力情况有所差别。水平循环荷载作用下既有竖向荷载对单桩的水平承载特性影响规律在以后的研究中值得探索。

(3)因为桩基在竖向荷载及水平荷载的耦合作用下的受力和变形十分复杂，目前关于既有竖向荷载下单桩水平受力和变形的理论计算方面的研究还十分欠缺，最常采用的方法还是按照小变形原理将竖向荷载和水平荷载对桩基分别单独作用下产生的内力和变形进行简单叠加，但这种方法对于受水平荷载影响较大的桩基来说，并不符合其实际的受力和变形。针对目前的研究现状，对于既有竖向荷载下单桩水平受力和变形的理论计算的研究工作有待于进一步加强。

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责任编辑 庞 旻

Recent Advance of Existing Vertical Load’s Effect on Horizontal Bearing Capacity of Single Pile

LIU Hong-Jun1,2, WANG Yong-Wei1, WANG Jian-Shou3

(1. Shandong Provincial Key Laboratory of Marine Environment and Geological Engineering，Ocean University of China, Qingdao 266100，China; 2.Key Lab of Marine Environmental Science and Ecology, Ministry of Education,Qingdao 266100, China ; 3. Qingdao Institute of Marine Geological Engineering Explorations,Qingdao 266071, China)

The single pile foundation is one of the most important basic forms of offshore wind farm. Firstly,the single pile foundation of offshore wind farm should bear the vertical load delivered from the upper structure, then it needs to bear the horizontal load generated by wave, ocean current, earthquake and so on. However, the horizontal bearing characteristics of single pile can be influenced by existing vertical load. In this paper, recent advance of existing vertical load's effect on horizontal bearing capacity of single pile is presented.By comparing the research results of different scholars, the influence rule, influencing reasons and influencing factors of verti-cal load to horizontal bearing capacity of single pile are analysed. In view of the shortcoming of the research problems, some thoughts and prospects are put forward.It is necessary to do the research on analysis of the influencing factors and the influence of the horizontal cyclic load.

vertical load; horizontal load characteristics; influence factors; cyclic load

国家自然科学基金项目(41572247)；山东省科技攻关项目(2014GGX104007)资助 Supported by National Natural Science Foundation of China(41572247);Shandong Programs for Science and Technology Development(2014GGX104007)

2016-11-15;

2017-03-07

刘红军(1966-)，男，教授，博导，主要从事岩土工程与海洋工程地质方面的工作。 E-mail:hongjun@ouc.edu.cn

TU473

A

1672-5174(2017)08-119-07

10.16441/j.cnki.hdxb.20160382

刘红军，王永玮，王建收.既有竖向荷载对单桩水平承载特性影响的研究进展[J].中国海洋大学学报(自然科学版), 2017, 47(8): 119-125.

LIU Hong-Jun, WANG Yong-Wei, WANG Jian-Shou.Recent advance of existing vertical Load’s effect on horizontal bearing capacity of single pile[J].Periodical of Ocean University of China, 2017, 47(8): 119-125.