王玉斌，苏浩然，陆界屹，苏 凯，3，4

（1.华能国际江苏能源开发有限公司清洁能源分公司，江苏 南京 210000；2.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072；3.武汉大学水工岩石力学教育部重点实验室，湖北 武汉 430072；4.武汉大学海绵城市建设水系统湖北省重点实验室，湖北 武汉 430072）

0 引 言

近年来，超长大直径单桩基础在海上风电、大跨度桥梁及深水港口等工程中应用越来越多。但到目前为止，对复杂海上环境下单桩基础轴向承载特性的认识尚有所局限。

在桩基础轴向承载特性方面，API 规范［1］推荐了黏土和砂土中轴向承载力的计算方法。由于API规范考虑到海洋环境的复杂性，对承载力的计算做了很多限制，设计安全裕度较大时，使得其设计值保守。诸多研究人员对海上风电机组单桩基础的轴向承载特性进行了系列研究工作。Paik［2］等通过在砂土地基中的相关模型试验研究了土塞高度增长率对大直径单桩竖向承载力的影响；姚泽良［3］系统地介绍了轴向荷载作用下单桩轴向承载力计算方法的研究方法；骆光杰［4］等基于FLAC3D 软件，研究了不同深度地层的大直径钢管桩基础承载性能；蔡英鹏［5］等基于FLAC3D 软件，开展了对钢管桩竖向承载特性的研究，并且通过规范方法以及现场高应变桩基检测验证了结果；柴源［6］等基于室内模型试验，研究了胶结钙质砂地层中钢管桩的竖向承载特性及其影响因素；张磊［7］等基于ABAQUS软件，研究了承台尺寸对软弱土中单桩承台基础竖向承载特性的影响；张明远［8］等用三维连续介质快速拉格朗日法方法研究了超长大直径钢管桩在FLAC3D 软件中轴向承载特性与实测结果的差别；黄周泉［9］等对海上风电桩桶复合基础的轴向承载性能进行了研究；彭文韬［10］等探讨了影响单桩轴向承载力的主要因素；余棚［11］等考虑泊松效应对桩-土界面法向应力的影响，研究了单桩竖向承载变形特性；张乾青［12］基于单桩现场静载试验结果，研究了竖向抗压单桩荷载-沉降曲线（Q-s 曲线）、桩身轴力分布规律等，提出了群桩中的双曲线荷载传递函数；李金良［13］等基于ABAQUS 软件，研究了竖向荷载作用下岩溶地貌对单桩承载以及变形特性的影响规律以及桩侧与桩端的荷载传递特性；纠永志［14］等提出了开挖条件下非均质地基中竖向受荷单桩非线性计算方法，并研究了开挖前后单桩竖向承载特性的变化；张聪［15］等基于土工离心模型试验，开展了在近断层条件下对桥梁桩基础的竖向承载特性演化规律的研究；Ma［16］等建立了不同条件下含渣缺陷钻孔灌注桩的荷载传递计算模型，分析了泥沙厚度等参数对桩基础竖向承载特性的影响；Feng［17］等基于有限元软件，分析了不同溶洞跨度对桥梁基础竖向承载特性的影响；Tao［18］等基于单桩复合地基荷载试验以及数值模拟手段，分析了桩长、桩径、桩间距、垫层厚度等因素对复合地基竖向承载特性的影响。

目前关于非均质成层地基环境中影响单桩基础轴向承载特性的因素还缺乏深入系统研究。因此，研究单桩基础轴向承载特性的影响因素，针对非均质成层地基环境下单桩及地基土体特有的变形模式及轴向承载力的变化，提出相关优化方案，对于海上风机单桩基础的设计与施工具有重要的意义。

1 工程背景及数值计算模型

1.1 工程背景

本文基于江苏某800MW 海上风电场项目，借助有限元分析软件ABAQUS，建立单桩基础有限元模型。该风电场所在海域地貌属黄海滨海相沉积地貌单元，海底泥面高程在-18.6～0 m（85 高程）之间，海底地形起伏明显。其土层物理力学参数如表1所示。

表1 土层物理力学参数表Tab.1 Physical and mechanical parameters of soil layer

1.2 三维有限元模型建立及工况设定

本文中地基土模型水平范围取为10 倍桩径，纵向范围为2倍基础埋深以避免边界效应。整个模型均采用C3D8R 三维八节点六面体单元进行划分。桩-土及分层地基模型如图1所示。其中，D、MCD分别表示桩径和埋深。根据工程资料，以桩顶直径D=6.0 m，埋深MCD=52 m，单桩泥面以上高度26 m，总桩长78 m，壁厚70 mm的单桩作为典型桩进行研究。

图1 单桩基础模型示意图Fig.1 Schematic diagram of monopile foundation model

1.3 模型边界条件与材料参数设置

本文中均使用Mohr-Coulomb 弹塑性屈服准则来模拟地层土体的力学性质。地层土体底部约束其全部位移，同时约束地基土侧面的径向位移，地基土体顶部为自由面。单桩基础和地层土体之间均采用表面与表面接触。桩体与地基土之间的接触属性法向为“硬接触”，切向类型为“罚”摩擦函数，摩擦系数设为0.3。根据工程实测资料设钢管桩的弹性模量E=210 GPa，泊松比ν=0.30，密度ρ=7.80 g∕cm³。

2 单桩基础轴向承载特性分析

对于摩擦-端承桩而言，单桩极限轴向荷载指当桩侧摩阻力和桩端阻力导致桩周及桩端土体都达到塑性状态时桩顶轴向荷载值，此时较小的轴向荷载增量将引起较大的沉降量。学术界与工程界以及不同行业、国家地区对于确定摩擦-端承桩极限荷载目前并没有一个较为统一的标准，但仍然总结出了以下两种主流判别方法：①根据Q-S 曲线平缓段与陡降段的拐点来确定桩轴向极限承载力。此类方法受Q-S 曲线比例尺影响较大，须选用合理的比例尺，以求得较为合理的轴向极限荷载。②根据桩顶沉降量来确定极限荷载。本文参考相关文献［19］以Q-S 曲线中出现较为明显陡降段时的转折点所对应的竖向荷载的大小来确定桩基础的极限承载力。图2为单桩轴向受荷示意图，单桩轴向承载力由桩内外摩阻力和桩端反力构成。

图2 轴向承载力组成示意图Fig.2 Schematic diagram of composition of axial bearing capacity

在单桩桩顶处梯度施加0～150 MN 荷载并提取其各轴向承载力分量得到梯度荷载下轴向承载力分布图如图3所示。

图3 轴向承载各分量组成随桩顶荷载变化Fig.3 Diagram of variation of axial load components with load applied to pile top

当桩顶荷载在44.74 MN 以内时，单桩轴向承载主要由外侧摩擦力构成，当桩顶荷载达到44.74 MN 时，桩外侧摩阻力、内侧摩阻力、桩端反力分别占轴向承载力的82.8%、10.8%、7.0%。随着桩顶荷载增大，外侧摩阻力占比下降较快，内侧摩阻力及桩端阻力逐渐增大，当桩顶荷载达到140.9 MN 后，单桩内侧阻力占比反超单桩外侧摩阻力占比。

图4、5分别是梯度荷载下桩内外摩阻力从泥面到底端沿桩身分布情况。单桩外侧摩阻力随着深度增加而逐渐增大，在距离桩底1.5～2 m 处达到最大值，当桩顶荷载为150 MN 时在距桩底1.8 m 处取得最大值205 kPa。桩内侧摩擦力在泥面以下31 m（0.6倍埋深）范围内数值较小且增长缓慢，均未超过相同荷载下最大值的10%。随后随着深度增加快速增长，在距桩底3～4 m左右达到最大值。当桩顶荷载为150 MN时在距桩底4.1 m处取得最大值424 kPa。由此可以看出桩端附近土体对单桩轴向承载特性的影响较大。

图4 外侧摩擦力沿桩身分布图Fig.4 Diagram of external side friction along the pile

图5 内侧摩擦力沿桩身分布图Fig.5 Diagram of internal side friction along the pile

3 单桩基础轴向承载特性优化研究

3.1 桩径及埋深影响分析

（1）桩径。考虑多个桩径方案，研究桩径增加对轴向承载力的提升效果。如图6所示为非均质地基中不同桩径荷载-沉降曲线，图7为对应的极限承载力，从中可知，非均质地基中单桩轴向承载力随着桩径增加而显著增加，且同样基本为线性增长。单桩桩径从6 m 增加到9 m，其轴向承载力从44.74 MN 增加到72.08 MN，增长了61.1%。

图6 非均质地基中不同桩径荷载-沉降曲线Fig.6 Load-settlement curves of different pile diameters in heterogeneous foundation

图7 非均质地基中轴向承载力随桩径变化曲线Fig.7 Variation curve of axial bearing capacity with pile diameter in heterogeneous foundation

（2）埋深。与桩径条件变化类似，保持桩径6 m 不变，设置20～80 m多个埋深方案进行加载计算，其荷载-沉降曲线见图8，对应的极限承载力见图9。埋深的增大亦能使桩土接触面积逐步增大，单桩轴向承载力同样随埋深增加而显著增加。在埋深50～80 m 的这个范围内，轴向承载力一直在增加，没有达到一个稳定的数值。当埋深从50 m 增加到80 m 时，轴向承载力也从40.5 MN增长到了119.2 MN，增长了194.3%。

图8 非均质地基中不同埋深荷载-沉降曲线Fig.8 Load-settlement curves of different buried depths in heterogeneous foundation

图9 非均质地基中轴向承载力随埋深变化曲线Fig.9 Variation curve of axial bearing capacity with buried depth in heterogeneous foundation

3.2 桩身磨砂处理影响分析

囿于生产工艺及经济成本问题，不能无限制地增大单桩自身几何尺寸。桩端附近土层相对于其他土层对单桩轴向承载力有较大的影响，所以提高桩端附近土层与桩身之间的摩擦是性价比较高的选择。然而深层土体位于泥面以下较深位置，难以对其加固提高其各项泥质参数，因此可以通过对靠近桩端部分桩身作磨砂处理以提高单桩与地基土体之间的摩擦系数从而提高单桩的轴向承载力。

参考相关文献［20］，采用提高单桩基础桩端一定长度桩身与土体间摩擦系数的方法来模拟桩身磨砂效果，取磨砂部分桩土摩擦系数为0.8。保证典型桩单桩尺寸及地基分层参数不变，竖直方向上分别设置1D～4D四个桩身磨砂长度，研究不同桩身磨砂长度对桩轴向承载特性的影响。图10是各优化方案下的单桩模型示意图。

图10 不同磨砂方案单桩三维有限元模型Fig.10 Three-dimensional finite element model of monopile with different grinding schemes

图11和图12分别为不同磨砂方案下的荷载-位移曲线和对应的极限承载力。由图可知，对桩端附近桩身进行磨砂处理能够较大地提升单桩轴向承载力，当磨砂长度为1D（6 m）时，单桩轴向承载力从未磨砂处理方案（0D）中的44.74 MN 增长到52.11 MN，增长了16.5%。由于内外侧摩阻力更多地分布在桩端附近，当磨砂深度从3D增加到4D时，单桩轴向承载力从71.04 MN增长到77.29 MN，增长了8.8%。轴向承载力的提升速度随着磨砂长度的逐渐增加而有一定程度的减缓。

图11 不同磨砂长度轴向荷载-沉降曲线Fig.11 Axial load-settlement curves of different lengths of grinding

图12 轴向承载力随磨砂长度变化曲线Fig.12 Variation curve of axial bearing capacity with length of grinding

为得到不同方案下单桩及地基轴向变形特性，取桩磨砂长度4D方案所对应的轴向荷载77.29 MN 作为同级荷载，施加在各磨砂长度方案桩顶。如图13、14所示，各方案单桩内外摩阻力整体分布存在着一定的差异。随着桩身深度的增加，桩外摩阻力逐渐增长，在桩端以上一定位置达到最大值。未经磨砂处理的单桩方案中桩外摩阻力的增长较为均匀，而在单桩磨砂各方案中，由于表面光滑程度的不同，在单桩桩身磨砂与未磨砂交界处其桩外摩阻力发生较大幅度的突变提升。而对于桩内侧摩阻力而言，桩身磨砂处理对其分布规律的影响不甚明显，与未处理方案类似，内侧摩阻力主要集中在桩端附近，在泥面至泥面以下40 m范围内数值较小，在靠近桩端部分增长幅度较大，这是因为桩内土体主要产生的是压缩变形，与桩外土体产生的剪切变形特征不同。

图13 不同磨砂方案外侧摩擦力沿桩身分布Fig.13 The distribution of external side friction along the pile with different grinding schemes

由于桩身磨砂能够有效提高单桩桩外摩阻力，因此与未处理方案对比，当深度达到桩身磨砂段之后，其轴力快速下降。当磨砂处理长度从0D（未处理）增加到4D时，桩端轴力从15.5 MN下降到5.6 MN，下降了63.9%。

4 结 论

图14 不同磨砂方案内侧摩擦力沿桩身分布Fig.14 The distribution of internal side friction along the pile with different grinding schemes

图15 不同磨砂方案轴力沿桩身分布Fig.15 The axial force distribution along the pile with different grinding schemes

（1）在单桩轴向承载特性分析中，单桩桩身轴力在泥面以下由于桩内外摩阻力的存在，随深度增加其衰减速率变快，同时桩端处仍存在着较小轴力，说明桩内外摩阻力不能完全抵消桩顶荷载，桩端阻力也是轴向承载力的组成部分。摩擦型桩桩身轴力随深度的增加而逐渐减小，其减小速率与桩侧摩阻力有较大关系，二者为正相关关系。

（2）单桩轴向承载力主要由桩内外摩阻力及桩端阻力承担，当桩顶荷载较小时轴向承载力主要由外侧摩阻力承担，桩内侧摩阻力及桩端阻力较小。当桩顶荷载逐渐增长使得桩顶沉降超过变形控制标准时，桩内侧阻力及桩端阻力占比出现增长。内外侧摩阻力随着桩顶荷载的增加存在“错位发挥”趋势。

（3）桩外土体所产生的剪切变形沿桩身分布相对均匀，而桩内土体主要产生的压缩变形随着深度增加而逐渐增大，只有当压缩变形足够大时，桩内侧土体才会产生相对于钢管桩内壁的向上位移，从而使得内侧摩擦力开始发挥。所以在空间分布上，桩外侧摩擦力随深度增加的增长速率较为均匀。桩内侧摩阻力在泥面以下上部桩身部分数值较小，其主要集中在单桩下部发挥作用。

（4）在轴向承载力影响因素方面，桩径及埋深对轴向承载力有着决定性的影响，增大桩径或埋深能有效提高桩的承载能力。桩身磨砂可以较为有效地提高单桩轴向承载性能尤其是外侧摩阻力，同时还能减小桩身截面上的轴力。实际工程中应考综合考虑多种因素确定单桩桩径及埋深，亦可对单桩靠近桩端部分的外表面进行磨砂等处理以提高单桩轴向承载性能。