水平受荷大直径桩基尺寸效应产生机理与特征研究

With its economic efficiency and feasibility, scaled model test is widely used as one of the most important research tools in studies on the laterally loaded monopile (piles with large diameter). It is designed by scaling the full-scale soil-structure system, e.g. length, with the pre-designed scales and performed as physical modelling. The response of field full-scale soil-structure is evaluated according to the model test results. Since effectively reducing the negative effect of scaling and reasonably analyzing the model test results are keys to the success of model test study, this program is designed to explore following topics with regard to laterally loaded monopiles: 1. Elucidating the mechanism and characteristic of scaling effect; 2. Exploring the analyzing method on scaled model test results; 3. Refining design method for laterally loaded monopiles. Series of model tests and numerical simulations with different scales, as well as field large-scale tests on laterally loaded model monopile, will be performed and analyzed in this program. The expected outputs of this program include: building a feasible research tool which is scaled model test based and recommending a reliable design method for laterally loaded monopiles.

在水平受荷大直径桩基础的研究中，缩尺模型试验作为一种经济且可行的重要研究方法得到了广泛的应用。它是依据一定的比例条件将原位足尺地基基础体系的尺寸等缩小而开展的物理模型试验。从而，基于该模型试验结果，预测原位足尺地基基础相互作用性状。能否有效的减小缩尺模型试验中存在的尺寸效应问题并合理的分析缩尺模型试验结果决定了基于该方法的研究的成败。本项目拟针对水平受荷桩基，开展三个方面的深入研究：1.阐释尺寸效应的产生机理与作用特征；2. 探讨缩尺模型试验结果的分析方法；3.提出水平受荷大直径桩基的分析设计方法。本项目拟通过一系列不同缩尺比例模型试验及数值模拟，并结合原位大比尺水平受荷桩基试验进行研究，预期建立一套完整可行的缩尺模型试验研究方法，进而提出针对于水平受荷大直径桩基的分析设计方法。

针对海上风电场广泛采用的超大直径单桩基础实际工程设计方法存在的问题，从尺寸效应的角度，本项目基于试验实测与数值模拟结果重点研究了风、浪、流等引起的水平静载与循环荷载作用下单桩基础与桩周土体的相互作用特征和机理，进而建立了考虑桩基尺寸效应的水平受荷响应分析理论与设计方法。本项目得到的重要结果有：① 明确了当前被广泛应用于海上风机桩基设计的API/DNV规范推荐的P-y模型的具体适用范围及可靠性；② 给出了水平静与循环荷载作用下，考虑桩基础尺寸效应的分析理论与设计方法；③ 首次基于试验数据给出了非柔性桩底与地基土水平向摩擦力的力-位移关系，该结果与之后开展的数值模拟计算结果吻合较好；④ 针对超大直径单桩基础给出了考虑三维效应的四弹簧模型；⑤ 给出了考虑桩基尺寸效应的循环累积变形预测模型；⑥ 完成了钙质砂中具有不同尺寸特征的桩基在水平与轴向拉拔荷载耦合作用下的模型试验并取得了初步的结论；⑦ 给出了桩基由桩周土体移动而产生的附加变形和内力计算分析方法，并开发了有限元程序；⑧ 给出了竖向荷载作用下桩基变形与安全系数之间的关系，将岩土工程变形设计和强度设计有效的结合起来，并给出了对应的基于图表的简便设计方法，此外，基于大量数值模拟，给出了针对地震荷载作用下桩基最大弯矩的计算方法。截止目前，本项目研究成果经整理发表国内外主流期刊10余篇、其中SCI/EI刊源文章11篇，培养或协助培养本硕博士生8人，参加国内外学术会议并汇报近10次。需要说明的是，本项目部分研究成果正在被写入上海同济启明星科技发展有限公司自主开发的海上风机基础设计软件FDOW中，该软件已被十余家企业应用于海上风机基础的分析与设计。可见本项目得出的结论为工程实践提供经济可靠的分析理论与设计方案，因此得到了学术界与工程界的广泛关注。