水平荷載下海上風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)樁土相互作用研究*

劉紅軍， 尹燕京， 常季青

(1.海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266100； 2. 中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 山東 青島 266100；

3.青島市勘察測(cè)繪研究院， 山東 青島 266032)

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水平荷載下海上風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)樁土相互作用研究*

劉紅軍1， 尹燕京2， 常季青3

(1.海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266100； 2. 中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 山東 青島 266100；

3.青島市勘察測(cè)繪研究院， 山東 青島 266032)

摘要：海上風(fēng)電作為一種清潔綠色的能源越來(lái)越受到人們的關(guān)注，海上風(fēng)機(jī)會(huì)承受風(fēng)、浪、流等水平荷載的作用，因此水平荷載下海上風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)樁土相互作用一直是人們研究的熱點(diǎn)。本文對(duì)水平荷載作用下海上風(fēng)機(jī)單樁基土相互作用進(jìn)行研究，通過(guò)ABAQUS有限元數(shù)值分析軟件建立樁土模型。結(jié)果顯示：樁頂水平極限位移約為11.25 cm，海床面以下1～5 m范圍為樁身彎矩和樁身mises應(yīng)力較大的區(qū)段；隨著樁頂水平位移的逐漸增大，樁身?yè)锨饾u向深處發(fā)展，樁體位移零點(diǎn)位置逐漸向下；樁體的水平位移會(huì)對(duì)樁側(cè)土體產(chǎn)生擠壓作用，這種擠壓作用會(huì)使土體塑性屈服區(qū)逐漸向下發(fā)展，土體水平位移呈半圓形放射狀分布，淺層土體mises 應(yīng)力產(chǎn)生非對(duì)稱分布。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)機(jī)； 單樁基礎(chǔ)； ABAQUS； 水平荷載； 樁土相互作用

LIU Hong-Jun， YIN Yan-Jing， CHANG Ji-Qing. Research on the Pile-Soil Interaction of Monopile Foundation Under Horizontal Load for Offshore Wind Turbine [J]. Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(3): 113-120.

海上風(fēng)電是一種清潔的綠色能源，而且儲(chǔ)量豐富，據(jù)統(tǒng)計(jì)，海上風(fēng)電儲(chǔ)量約為7.5億kW。海上風(fēng)電與陸上發(fā)電相比具有建設(shè)周期短、運(yùn)營(yíng)成本低的優(yōu)點(diǎn)，因此全世界很多國(guó)家都在大力建設(shè)海上風(fēng)電場(chǎng)[1]。近些年來(lái)，中國(guó)也逐步投入大量資金發(fā)展海上風(fēng)電。位于山東半島的黃河三角洲地區(qū)具有得天獨(dú)厚的自然條件，地勢(shì)平坦無(wú)阻礙，風(fēng)力密度均勻，是發(fā)展海上風(fēng)電的極佳地區(qū)[2]。

目前海上風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)形勢(shì)有多種，其中單樁基礎(chǔ)占了相當(dāng)大的比例，單樁基礎(chǔ)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝迅速的優(yōu)點(diǎn)，具有很大的開(kāi)發(fā)利用前景。目前對(duì)于水平荷載作用下樁土相互作用的研究主要有m法、p-y曲線法、有限單元法等，其中m法是一種線彈性地基反力法，主要適用于樁側(cè)土體處于彈性變形階段范圍內(nèi)的求解，其計(jì)算結(jié)果往往和實(shí)際情況有一定差距。p-y曲線法是一種彈塑性地基反力法，可以適用于計(jì)算大變位時(shí)樁身受力狀態(tài)，不僅能夠考慮靜荷載，還能考慮循環(huán)荷載、土的軟化、土抗力折減等，有效地克服了m法的缺陷。Matlock[3]最早提出了軟黏土的p-y曲線、Reese[4]、O’Neill[5]分別提出了硬粘土和砂土的p-y曲線，三種經(jīng)典p-y曲線已經(jīng)被列入美國(guó)石油協(xié)會(huì)規(guī)范[6]。有限單元法的核心是將復(fù)雜的研究對(duì)象離散為一個(gè)個(gè)微小的單元，根據(jù)最小勢(shì)能原理來(lái)求解剛度矩陣方程。有限元法具有適用于解決非線性非均質(zhì)問(wèn)題并能模擬材料復(fù)雜的本構(gòu)關(guān)系的優(yōu)點(diǎn)。劉冰雪等[1]通過(guò)建立三維有限元模型，重點(diǎn)研究了樁徑、樁長(zhǎng)等因素對(duì)樁基水平及豎直承載性能的影響。Abdel-Rahman等[7]重點(diǎn)關(guān)注了波浪荷載下樁基水平變形特征，并將計(jì)算結(jié)果與p-y曲線法做了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)p-y曲線法得到的研究結(jié)果偏于保守。以往有限元法應(yīng)用于海上風(fēng)電樁基的研究中，往往注重于單樁基礎(chǔ)本身的水平承載能力，而對(duì)樁土相互作用研究相對(duì)較少。在實(shí)際情況中海上風(fēng)電樁基的水平失穩(wěn)往往不是樁基自身的破壞，而是樁側(cè)土體的破壞，因此樁土相互作用研究是樁基水平承載性能的研究核心。針對(duì)這一問(wèn)題，本文以黃河三角洲地區(qū)工程地質(zhì)條件為背景，利用大型有限元分析軟件ABAQUS研究了水平荷載作用下海上風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)樁土相互作用，對(duì)樁基水平極限承載力、樁身內(nèi)力和變形以及土體變形等進(jìn)行了深入分析，研究成果可以為海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)提供一定參考。

1有限元模型

有限元模型建立的正確與否直接影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，模型以黃河三角洲地區(qū)為背景，以下將從模型部件及物理參數(shù)、分析步設(shè)置、 網(wǎng)格剖分以及模型驗(yàn)證4個(gè)方面介紹有限元模型。

1.1 模型部件及物理參數(shù)

模型樁采用鋼管樁，模型在樁土之間留出50mm的空隙做混凝土灌漿處理，土層厚度一般取樁入土深度的1.25倍，模型取H=20m，土體半徑約為樁半徑的36倍，可以忽略邊界效應(yīng)的影響，模型參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　部件及物理參數(shù)

1.2 分析步設(shè)置

模型水平加載采用位移控制法，部件全部采用浮重度進(jìn)行計(jì)算，在模型中規(guī)定全局直角坐標(biāo)系z(mì)軸正方向?yàn)橹亓Ψ较?，荷載位移沿y軸施加，數(shù)值以y軸正方向?yàn)檎怠Ｔ趯?shí)際狀況中，假定海床泥面處位移為零，土體內(nèi)部是有應(yīng)力存在的，因此在施加水平荷載前必須進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡。但是知道土體內(nèi)部應(yīng)力的真實(shí)數(shù)值是很困難的，為此采取的方法為：施加水平荷載前，將樁、混凝土灌漿材料的密度設(shè)置為與土體一致，對(duì)整個(gè)模型施加重力荷載，得到的土體內(nèi)部應(yīng)力作為初始條件寫入模型中，再施加重力以平衡，然后對(duì)樁和混凝土材料設(shè)置施加體力荷載分析步以彌補(bǔ)密度差異。經(jīng)驗(yàn)算，這種方法計(jì)算出來(lái)的初始地應(yīng)力與實(shí)際狀況基本一致。

關(guān)于樁土間接觸分析，為解決由于接觸狀態(tài)劇烈改變而導(dǎo)致求解過(guò)程不收斂問(wèn)題，模型專門設(shè)置靜力分析步使接觸關(guān)系平穩(wěn)建立起來(lái)，這樣不僅解決了收斂問(wèn)題，還提高了求解效率。

1.3 網(wǎng)格剖分

在ABAQUS中，網(wǎng)格劃分方式與網(wǎng)格疏密程度對(duì)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性影響重大。由于本模型涉及樁和土體的扭曲變形以及樁土間接觸分析，因此采用8節(jié)點(diǎn)6面體線性縮減積分三維實(shí)體單元(C3D8R),此類單元相比于其他單元更適用于接觸分析，對(duì)位移求解精度更高而且單元扭曲變形時(shí)不會(huì)產(chǎn)生剪切自鎖問(wèn)題。網(wǎng)格劃分后的模型見(jiàn)圖1。

圖1　網(wǎng)格剖分示意圖

1.4 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型的合理性，本文采用文獻(xiàn)[8]中試驗(yàn)實(shí)測(cè)粉土p-y曲線，根據(jù)樁的撓曲方程采用有限差分方法求解樁身彎矩和位移，并與本模型有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到100kN水平荷載作用下樁身彎矩位移分布對(duì)比圖(見(jiàn)圖2)。

圖2　有限元計(jì)算樁身彎矩位移與p-y曲線法結(jié)果比較

圖2表明有限元解與p-y曲線解基本一致，因此可以認(rèn)為本模型是合理可靠的。

2計(jì)算結(jié)果分析

2.1 樁基水平極限承載力分析

樁基礎(chǔ)的水平極限承載力，可用p-s曲線法來(lái)確定[11]。為了簡(jiǎn)化計(jì)算和大致模擬樁頂風(fēng)機(jī)所受到的風(fēng)荷載等水平荷載，通過(guò)控制樁頂位移來(lái)實(shí)現(xiàn)加載，然后根據(jù)模型輸出的樁頂反力得到樁基水平荷載-位移曲線。達(dá)到極限荷載時(shí)樁基水平位移往往已經(jīng)超過(guò)了頂部建筑物的容許位移，此時(shí)通過(guò)借鑒等效塑性應(yīng)變(PEEQ)云圖來(lái)輔助判斷基礎(chǔ)是否達(dá)到了極限荷載破壞狀態(tài)。有限元計(jì)算模型樁基礎(chǔ)p-s曲線見(jiàn)圖3。

圖3　樁基p-s曲線

圖3表明當(dāng)樁頂水平位移為11.25cm時(shí)，樁基p-s曲線出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，此位置對(duì)應(yīng)的樁頂水平荷載即為單樁基礎(chǔ)水平極限承載力，即P=375.22kN。等效塑性應(yīng)變大于零即代表土體已經(jīng)屈服，結(jié)合此時(shí)的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D(見(jiàn)圖4)可以判斷單樁基礎(chǔ)底部土體形成半圓形破壞區(qū)域，但并未貫通至土底；淺層與樁體接觸的土體也產(chǎn)生了較大的剪切破壞，破壞深度約為6.2m，從而導(dǎo)致樁體背向施力一側(cè)與土體分離，泥面處的水平分離長(zhǎng)度約為4.19cm。

圖4　水平極限荷載作用下有限元模型等效塑性應(yīng)變?cè)茍D

2.2 樁體內(nèi)力分析

在ABAQUS中，無(wú)法直接在CAE模型中設(shè)置輸出樁身彎矩，但是通過(guò)在模型inp文件中寫入 “define cutting surface”與“section print”命令即可解決這一問(wèn)題。由2.1已知樁基達(dá)到水平極限承載力時(shí)對(duì)應(yīng)的樁頂水平位移為11.25cm，因此采用位移控制法，設(shè)置樁頂水平位移u分別為1、3、5、7、9和11.25cm的6個(gè)分析步(具體分析步設(shè)置見(jiàn)表2)，每個(gè)分析步均輸出樁身彎矩，得到樁身彎矩分布如圖5所示。

表2　分析步設(shè)置

圖5　不同樁頂位移下樁身彎矩分布

規(guī)定海床面處z坐標(biāo)為0，圖5表明樁身彎矩隨著樁頂水平位移的增大而增大，樁頂位移越大，代表有限元計(jì)算模型施加在樁頂?shù)乃胶奢d越大。每一級(jí)加載樁身彎矩最大值出現(xiàn)在海床面以下3m左右，達(dá)到極限承載力時(shí)，樁身最大彎矩約為2217kN·m。隨著樁頂水平位移的不斷增大，樁身最大彎矩基本呈線性增長(zhǎng)，即樁頂水平位移每增加1cm，樁身最大彎矩增大約為212kN·m。在同一樁頂水平位移條件下，樁身彎矩由樁頂開(kāi)始向下逐漸增大，達(dá)到最大彎矩位置后隨深度增加而減小。

在材料力學(xué)中，mises應(yīng)力是根據(jù)第四強(qiáng)度理論得到的一種等效應(yīng)力，常用來(lái)描繪聯(lián)合作用下復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，是衡量應(yīng)力水平的主要指標(biāo)。其計(jì)算公式為：

其中：σzs為mises應(yīng)力；σ1、σ2、σ3分別為第一、二、三主應(yīng)力。樁身mises應(yīng)力云圖(見(jiàn)圖6)表明：隨著樁頂水平位移的不斷增大，擠壓土體一側(cè)的樁身應(yīng)力以海床面以下3m深度為中心向樁基兩端不斷發(fā)展增大，樁頂?shù)竭_(dá)極限水平位移時(shí)，樁身最大應(yīng)力為56MPa。樁頂和樁底應(yīng)力較小，最小應(yīng)力出現(xiàn)在樁最上端，約為5.77MPa。

圖6　不同樁頂位移下樁身mises應(yīng)力云圖對(duì)比

在ABAQUS visualization(可視化后處理)模塊中提供了多種顯示分析結(jié)果的方式，其中通過(guò)定義節(jié)點(diǎn)路徑，可以很方便的顯示沿路徑mises應(yīng)力的變化。因此，為了進(jìn)一步研究樁身mises應(yīng)力的變化，在ABAQUS后處理中建立樁體擠壓土體一側(cè)由樁頂至樁底的豎直方向節(jié)點(diǎn)路徑，得到不同樁頂位移下沿路徑的mises應(yīng)力變化對(duì)比圖(見(jiàn)圖7)。綜合圖6、7表明，樁身最大應(yīng)力出現(xiàn)在海床面以下3m左右，與樁身最大彎矩位置相同，并隨著樁頂位移的增大而迅速增大。在同一樁頂水平位移條件下，樁身應(yīng)力由樁頂開(kāi)始向下逐漸增大，達(dá)到最大應(yīng)力位置后隨深度增加而減小，與樁身彎矩變化一致。綜合分析得出海床面以下1~5m范圍為樁身彎矩和應(yīng)力較大的區(qū)段，因此根據(jù)本模型的研究，在黃河三角洲地區(qū)單樁基礎(chǔ)海上風(fēng)機(jī)建設(shè)中，海床面以下1~5m范圍內(nèi)的鋼管樁區(qū)段可能會(huì)發(fā)生疲勞破壞，成果為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)者提供了一定參考。

2.3 樁體變形分析

樁體承受水平荷載時(shí)，樁身的變形主要表現(xiàn)為水平向的撓曲變形，隨著水平荷載的不斷增大，樁身?yè)锨饾u向深處發(fā)展。樁體在海床面處不同分析步對(duì)應(yīng)水平位移如圖8所示。

由2.2中表2可知不同分析步對(duì)應(yīng)不同樁頂?shù)乃轿灰?，圖8表明樁頂水平位移線性增長(zhǎng)時(shí)，海床面處水平位移同樣也呈線性增長(zhǎng)，但是海床面處水平位移小于樁頂水平位移，每一級(jí)加載完成后，海床面處水平位移與樁頂水平位移數(shù)值對(duì)比見(jiàn)表3。

圖7　不同樁頂位移下沿路徑mises應(yīng)力對(duì)比

圖8　不同分析步海床面處水平位移

分析步①3456789樁頂位移②/mm01030507090112.5海床面位移③/mm05.30716.10327.06138.21446.87464.169比值④0.5310.5370.5410.5460.550.558

Note:①Step；②Displacement at the pile top；③Disp lacement at the mud sruface；④Ratio

表3表明海床面處位移約占樁頂位移的50%，但是隨著樁頂荷載的不斷增大，泥面處位移與樁頂位移比值呈微弱增長(zhǎng)趨勢(shì)，可能的原因是隨著土抗力的逐漸發(fā)揮，海床表層土逐漸產(chǎn)生塑性屈服，導(dǎo)致位移增長(zhǎng)速度加快。

圖9為不同加載條件下沿樁身水平位移的變化，結(jié)合不同加載條件下樁身位移零點(diǎn)坐標(biāo)(見(jiàn)表4)可以判斷隨著水平荷載的不斷增大，樁身水平位移逐漸增大，樁身水平位移零點(diǎn)不斷向下發(fā)展。當(dāng)水平荷載較小時(shí)，土抗力主要由淺層土承擔(dān)，隨著荷載逐漸增大，表層土產(chǎn)生塑性屈服，深層土抗力逐漸發(fā)揮，導(dǎo)致樁身水平位移零點(diǎn)逐漸向下發(fā)展。

表4　不同加載條件下樁身位移零點(diǎn)坐標(biāo)

Note：①Displacement at the pile top； ②Zero displacement coordinate of pile

與研究樁身應(yīng)力相似，同樣建立樁體擠壓土體一側(cè)由樁頂至樁底的豎直方向節(jié)點(diǎn)路徑path1(壓應(yīng)變)，與背向施力方向樁頂至樁底的豎直方向節(jié)點(diǎn)路徑path2(拉應(yīng)變，取絕對(duì)值)，得到極限荷載作用下樁身應(yīng)變圖(見(jiàn)圖10)。

圖9　沿樁身水平位移曲線

圖10　沿樁身應(yīng)變曲線

圖10表明樁體在水平極限荷載作用下無(wú)論是擠壓土體一側(cè)還是背向施力一側(cè)，樁身應(yīng)變都表現(xiàn)為從樁頂至樁底先增大后減小的趨勢(shì)，但是應(yīng)變數(shù)值均很小，最大樁身應(yīng)變出均現(xiàn)在泥面以下3m左右，與2.2中樁身最大應(yīng)力位置相同。但是對(duì)比分析path1與path2，可以判斷背向施力側(cè)的樁體應(yīng)變要遠(yuǎn)大于受壓側(cè)樁體，前者應(yīng)變最大值約為后者的3.26倍。

2.4 土體變形分析

當(dāng)在樁頭附近施加水平荷載時(shí)，淺層土體由于強(qiáng)度低，首先達(dá)到塑性破壞，進(jìn)而樁身?yè)锨粩嘞蛏钐幇l(fā)展，造成深處土體不斷受到樁的擠壓，隨著荷載的增大，深處土體同樣產(chǎn)生塑性屈服。圖11為樁頂水平位移u=3cm時(shí)土體等效塑性應(yīng)變?cè)茍D，表明此時(shí)淺層土體和樁底部土體已經(jīng)出現(xiàn)了塑性屈服，由于樁端是綁定約束，因此樁基對(duì)“施力側(cè)”土體擠壓作用有限，而模型中默認(rèn)土體不抗拉，因此出現(xiàn)樁頂由于受壓而破壞，樁端由于受拉而破壞情況。對(duì)比圖11與圖4可以判斷隨著樁頂水平位移的增大，土體塑性屈服區(qū)域由淺層土逐漸向深處發(fā)展，樁頂達(dá)到極限水平位移時(shí)，塑性區(qū)發(fā)展至海床面以下約6.2m。

圖11　樁頂水平位移u=3cm時(shí)等效塑性應(yīng)變?cè)茍D

在樁體的擠壓作用下，受擠壓側(cè)的土體會(huì)發(fā)生水平位移。由于樁體的水平擠壓作用而導(dǎo)致海床面處的水平位移U2分布云圖如圖12所示。根據(jù)圖12可以判斷幾乎整個(gè)半圓形土體區(qū)域均受到樁體擠壓作用而產(chǎn)生水平位移U2。但是海床面處距樁心不同距離處受擠壓的程度不同，U2呈半圓形放射狀分布，即距離樁心相同半徑的水平位移U2幾乎相同，距離越遠(yuǎn)，受擠壓作用影響越小，在與樁心距離約3 m范圍內(nèi)，土體水平位移U2隨半徑增大而急劇減小。

圖12　海床面處水平位移U2云圖

為進(jìn)一步研究不同深度土體水平位移U2的分布情況，海床面以下5m范圍內(nèi)每隔1m建立如圖12中紅色箭頭所示的節(jié)點(diǎn)路徑，每一深度處沿節(jié)點(diǎn)路徑土體位移U2的變化如圖13所示。

圖13　不同深度處沿路徑土體位移U2分布

根據(jù)圖13可以判斷隨著深度z的增加，距樁心相同半徑處土體水平位移U2的數(shù)值逐漸減小，但是減小速度隨著半徑的增大而迅速下降。在同一深度處，土體水平位移U2分布與距樁心的半徑R有關(guān)，半徑R=3m范圍內(nèi)，U2數(shù)值下降速度非?？欤霃?m以外U2下降速度較慢。

土體mises應(yīng)力云圖(見(jiàn)圖14)也可以說(shuō)明樁對(duì)土體的擠壓作用。以鋼管樁槽為中心的土體兩側(cè)mises應(yīng)力呈現(xiàn)非對(duì)稱分布，即深度5m范圍內(nèi)，被擠壓側(cè)土體的應(yīng)力明顯大于背向施力一側(cè)土體，這種非均勻分布隨著深度增大而逐漸消失，2.3中根據(jù)圖9可以表明深度越大樁體水平位移越小，因此對(duì)土體擠壓作用越小，所以導(dǎo)致mises應(yīng)力非均勻分布逐漸消失。因此綜上所述，根據(jù)本模型的研究，海床面下5m范圍內(nèi)土體變形受樁體水平擠壓影響較大。

圖14　土體mises應(yīng)力云圖

3結(jié)論

本文利用ABAQUS有限元分析軟件建立樁土模型，針對(duì)海上風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)的水平極限承載力，不同樁頂位移條件下樁體內(nèi)力變形以及土體變形進(jìn)行了深入研究。針對(duì)本文模型，得到的結(jié)論如下：

(1) 運(yùn)用位移控制法，根據(jù)樁頂荷載-位移曲線得到了模型樁單樁水平極限承載力約為375.22kN，此時(shí)對(duì)應(yīng)樁頂水平位移為11.25cm。

(2) 不同樁頂位移條件下樁身最大彎矩和最大mises應(yīng)力均出現(xiàn)在海床面以下3m左右，樁頂達(dá)到極限水平位移時(shí)樁身彎矩最大值約為2217kN·m，最大mises應(yīng)力值約為56MPa。綜合彎矩與應(yīng)力分布可以得出海床面以下1~5m范圍為樁體易發(fā)生疲勞破壞的區(qū)段。

(3) 不同加載條件下海床面處樁體位移約為樁頂位移的50%。隨著水平荷載的增大，樁體水平位移逐漸增大，位移零點(diǎn)逐漸往深處發(fā)展。水平極限荷載作用下背向施力側(cè)樁體應(yīng)變遠(yuǎn)大于受壓側(cè)樁體應(yīng)變。

(4) 隨著樁頂水平位移的逐漸增大，樁體撓曲不斷向深處發(fā)展，導(dǎo)致深層土受到擠壓作用，進(jìn)而使土體塑性屈服區(qū)逐漸加深。樁的擠壓作用導(dǎo)致土體水平位移U2呈半圓形放射狀分布，隨著深度z的增加，距樁心相同半徑處水平位移U2逐漸減小。樁的擠壓作用也導(dǎo)致了土體內(nèi)部mises應(yīng)力呈現(xiàn)非對(duì)稱分布，但是這種非對(duì)稱性隨著深度增加而逐漸消失。

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責(zé)任編輯龐旻

Research on the Pile-Soil Interaction of Monopile Foundation Under

Horizontal Load for Offshore Wind Turbine

LIU Hong-Jun1， YIN Yan-Jing2， CHANG Ji-Qing3

(1. The Key Lab of Marine Environmental Science and Ecology, Ministry of Education, Qingdao 266100, China; 2. College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China； 3. Qingdao Geotechnical Investigation and Surveying Research Institute, Qingdao 266032, China)

Abstract:As a kind of clean and green energy, more and more attention are paid to the offshore wind power. The offshore wind turbine will be subjected to the horizontal loads from wind、wave and flow, so the research of pile-soil interaction of monopile foundation is becoming a hot issue. By ABAQUS finite element analysis, according to this model, research shows that the ultimate horizontal displacemnent at the pile top is about 11.25cm; the bending moment and mises stress is much larger 1-5 meters below the mud surface; pile deflection and the zero displacement position stretch downward with the increase of horizontal displacement at the pile top; the soil squeezing action will cause the development of the plastic yielding range of soil, the semicircular distribution of soil horizontal displacement and the asymmetric distribution of mise stress of shallow soil.

Key words:offshore wind turbine； monopile foundation； ABAQUS；horizontal load； pile-soil interaction

DOI：10.16441/j.cnki.hdxb.20150288

中圖法分類號(hào)：X144

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-5174(2016)03-113-08

作者簡(jiǎn)介：劉紅軍(1966-)，男，教授，博導(dǎo)， 主要從事海洋工程地質(zhì)方面的科研工作。E-mail:hongjun@ouc.edu.cn

收稿日期：2015-08-18；

修訂日期：2015-10-26

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“波浪作用下海上風(fēng)電場(chǎng)樁基土體液化響應(yīng)研究-以黃河三角洲為例”(41572247)；山東省科技攻關(guān)項(xiàng)目“黃河三角洲海上風(fēng)電場(chǎng)樁基設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究”(2014GGX104007)資助

引用格式：劉紅軍， 尹燕京， 常季青. 水平荷載下海上風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)樁土相互作用研究[J]. 中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)， 2016, 46(3): 113-120.

Supported by Research on Liquefaction Reponse of Soil Body Around Pile Foundation of Offshore Wind Turbine under Wave Conditions-Taking Yellow River Delta as the case(41572247); Research on Key Techniques in Pile Foundation Design of Offshre Wind Farm in Yellow River Delta(2014GGX104007)