海上风电机组超大直径高桩水平循环累积变形特性研究

大力发展海上风能，对于改善我国能源结构及实现经济和社会的可持续发展具有重要意义。直径3～5m的超大直径单桩基础（monopile）是目前海上风电机组的主要基础型式，其在风压倾覆弯矩与风暴潮循环荷载耦合作用下的累积变形特性是需解决的关键科学问题。. 本项目从海上风电机组超大直径单桩基础受荷特性出发，根据相应的高桩大比例模型试验和三维非线性数值分析方法，提出水平单调荷载作用下超大直径高桩基础受力和变形的分析模型；在此基础上开展针对海上风电机组高桩基础的水平循环大比例模型试验，结合基于室内循环三轴试验结果的数值分析方法，深入揭示海上大型风电机组高桩基础的桩周土反力循环弱化机理及循环累积变形特性，并提出相应的高桩循环累积变形分析和设计方法，无疑将极大地丰富和发展复杂荷载作用下桩基的水平变形分析理论，为海上风电机组桩基础设计提供必要的科学依据，具有重要的科学意义和应用价值。

直径为3-8m的超大直径单桩基础是目前国际上应用最广泛的海上风机基础型式。风机机组对倾斜度有严格的控制要求，使得风浪长期循环荷载作用下基础变形控制成为风机超大直径单桩基础设计的关键问题。. 通过测风塔实测了近海持续一年的风荷载，提出了海上风机基础静力和循环荷载计算方法。针对目前通用API规范p-y曲线不适用于分析大直径桩基的缺陷，通过理论分析和实测桩土横向相互作用力，揭示了API规范p-y曲线初始刚度过大的不足，发现了单桩水平地基反力常数与桩身变形和直径比值在对数坐标上的线性关系，分别提出了粉土和砂土地基中超大直径单桩基础的水平地基反力常数表达式，为超大直径单桩受力变形分析提供了有效的桩土相互作用分析模型。在此基础上，建立了超大直径刚性桩水平荷载-位移关系解析分析方法及柔性桩弹性地基梁简化分析方法，得到了大型物理模型试验的验证，为超大直径单桩工程设计提供了一整套分析方法。研发了基础长期循环加载装置，分别开展了刚性桩常重力循环加载模型试验、柔性桩超重力循环加载模型试验及现场海洋大直径桩基循环加载试验，获得了风机超大直径单桩循环累积变形与刚度偏移规律并建立了相应的分析方法，提出了超大直径单桩加翼控制变形关键技术。集成了《大型近海风机荷载分析及基础设计软件（OWTLFDesign）》。研究成果成功应用于我国渤海、黄海、东海和南海四大海域的河北乐亭、江苏射阳、浙江拷门、广东桂山等海上风电场工程，解决了我国海上风电场建设中的关键技术难题，取得了良好的社会和经济效益。. 在国内外重要学术期刊和会议上发表相关论文12篇（均标注本项目资助），项目负责人均为第一作者，其中在《Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE》、《Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering, ASCE》及《Canadian Geotechnical Journal》上发表论文4篇（SCI收录），在《岩土工程学报》上发表论文5篇（EI收录）。另投稿国际期刊论文2篇、国内期刊论文3篇。获授权国家专利3项，获国家计算机软件著作权登记证书1部。作为重要科技创新内容获2011年高等学校科学技术进步二等奖（项目负责人排名第2）。