海上风机复合式“桩-盘”基础载荷传递机理及承载特性研究

The hybrid monopile foundation takes advantages of both traditional monopile foundation and gravity foundation, which has better abilities of control settlements, reducing lateral displacements, and resisting overturning moments. However, the bearing capacity mechanism and the interaction between foundation and soil are still unclear. Based on the loading characteristics in the complex marine environment, the coupling loading model was established to study the load transfer mechanism among the pile, the wheel, and the soil. The failure mode such as overturning, sliding and large settlement under ultimate bearing capacity and cyclic load are studied. The loading transformation mechanism between each component of the hybrid monopile foundation is to be revealed through the parametric study and sensitivity study. The influences of foundation size and the connection between the wheel and the pile to the bearing capacity of the hybrid monopile foundation are investigated. The results from multi-scale tests are to be calibrated with each other to build the non-dimensional calculation method to build the analytical calculation method and the optimal design method. The result of this study can provide the theoretical basis for the design of offshore hybrid monopile foundation.

海上风机复合式“桩-盘”基础结合了传统单桩基础和重力式基础的优势，能够更好地控制风机沉降、水平失稳及倾覆失稳，然而其承载特性及基础-土体之间的耦合作用机理尚不明确。项目基于复杂海洋环境下的荷载特性，建立耦合加载模型，研究“桩-盘-土体”的载荷传递机制，明确复合式“桩-盘”基础在极限载荷及循环载荷条件下的倾覆、滑移及大沉降等破坏模式，揭示其承载特性机理。通过参数分析和敏感性分析，项目将系统研究桩、盘的尺寸比例及连接方式对基础承载性能的影响，提出“桩-盘”基础尺寸及形状的优化设计方法。通过模型实验和数值模拟计算的相互校正，提出无量纲模型比尺等效转化方法，揭示土体在外力作用下的应力应变关系及破坏准则，建立“桩-盘”基础承载特性的无量纲理论计算模型，提出的计算方法将通过实测数据的案例分析进行验证。研究结果可为海上风机复合式“桩-盘”基础的设计和计算提供理论依据。

海上风机复合式“桩-盘”基础具有高承载力的优势，适用于更大装机量的风电结构物，是海上风电领域的一种新型基础设施。本项目研究基于离心机试验、数值计算及理论分析模型开发，主要研究复合式“桩-盘”基础在复杂海洋环境条件下的承载特性及基础-土体间的耦合作用机理，为实际工程应用提供了理论支持。经过三年的探索，研究结果表明，该新型复合式在单桩和重力盘协同承载作用下，能够有效提升海上风机基础在极限载荷作用下的承载效能，相较于传统基础形式在砂土中有明显优势；研究进一步揭示了复合式“桩-盘”基础的载荷传递机制及失效破坏机理，考虑“桩-盘-土”相互作用特性，将摩擦盘在复合式“桩-盘”基础中的承载作用简化为单桩受到的额外恢复弯矩以及“盘-土”间摩擦力，通过盘下土体轴向土压力等效摩擦盘的承载作用，建立了复合式“桩-盘”基础极限状态下水平承载性能的简化计算方法，为海上风机复合式“桩-盘”基础的承载性能设计提供可靠依据；基于土结相互作用特性，对复合式“桩-盘”基础中结构建造参数开展尺寸设计优化；根据基础中各组成部件间连接方式对基础承载特性的影响机理，考虑在“水平-竖直”荷载耦合作用下“桩-盘”之间传力机制的变化规律，揭示了“桩-盘-土”三者之间的相互作用机理，完成了安装方式优化分析，极大提高了海上风机复合式“桩-盘”基础的承载效率。本研究基于理论研究，提出了复合式基础的优化设计及施工方案，为复合式“桩-盘”基础在海上风电产业的工程应用提供了可靠的设计参考。