海上風(fēng)機(jī)吸力基礎(chǔ)的水平受荷研究綜述

李大勇，陳慶劍，張雨坤，陳福全

(1. 福州大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 福州 350108; 2. 山東科技大學(xué) 山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266590)

傳統(tǒng)的化石能源燃燒不但造成了嚴(yán)重環(huán)境污染和溫室效應(yīng)，而且面臨著枯竭問題，因此清潔能源的開發(fā)利用受到全球高度重視。海上風(fēng)能具有風(fēng)速高、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是大力開發(fā)的一種清潔能源[1]。海上風(fēng)機(jī)塔架的基礎(chǔ)造價(jià)及施工費(fèi)用是導(dǎo)致海上風(fēng)能開發(fā)成本普遍較高的一個(gè)主要因素[2]，合理優(yōu)化基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)以及開發(fā)新型基礎(chǔ)形式對(duì)于降低基礎(chǔ)造價(jià)具有重要意義。目前海上風(fēng)機(jī)塔架的基礎(chǔ)主要形式有重力式基礎(chǔ)、單樁基礎(chǔ)、吸力基礎(chǔ)、三腳架基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)、系泊基礎(chǔ)等形式(圖1)。

圖1 海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)Fig. 1 Offshore wind turbine foundation

吸力基礎(chǔ)的研究最早始于20世紀(jì)60年代[3]。吸力基礎(chǔ)(圖2(a))是一種倒置的桶形結(jié)構(gòu)，又稱吸力桶，通常由鋼材制造。其安裝步驟是：首先在自重作用下沉至海底，部分桶體切入海床，從而在桶內(nèi)形成密閉水體，然后使用抽水泵逐漸抽出封閉水體，使基礎(chǔ)產(chǎn)生內(nèi)外壓差(即吸力)，繼續(xù)貫入。當(dāng)基礎(chǔ)頂板與土體接觸時(shí)，基礎(chǔ)沉貫終止。Houlsby和Byrne[4]、丁紅巖等[5]研究證實(shí)吸力基礎(chǔ)適合應(yīng)用于海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，吸力基礎(chǔ)具有質(zhì)量輕、受運(yùn)輸工具的限制較小、安裝時(shí)間快、現(xiàn)場(chǎng)施工適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)等[6]。與海上風(fēng)機(jī)重力式基礎(chǔ)和單樁基礎(chǔ)等形式比較，相同的荷載作用下，吸力基礎(chǔ)更為經(jīng)濟(jì)等[7]。隨著已建海上風(fēng)場(chǎng)的升級(jí)改造，海上風(fēng)機(jī)功率增大(已有單機(jī)功率12 MW的報(bào)道)，葉片尺寸增大，原有基礎(chǔ)不能滿足承載力要求，對(duì)傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)的改進(jìn)引起了人們重視：如李大勇等[8]提出了一種稱為裙式吸力基礎(chǔ)的新型吸力基礎(chǔ)(圖2(b))，裙式吸力基礎(chǔ)在常規(guī)吸力基礎(chǔ)上增加了裙結(jié)構(gòu)，從而降低了主桶周圍受沖刷的程度，并大幅提升了基礎(chǔ)的承載能力；之后，Bienen等[9]的復(fù)雜裙邊基礎(chǔ)，李洪江等[10]的傘形吸力基礎(chǔ)，以及柳曉科等[11]的低裙式吸力樁基礎(chǔ)，都是在裙式吸力基礎(chǔ)上發(fā)展而來。

圖2 吸力基礎(chǔ)示意Fig. 2 Sketch of suction caisson

吸力基礎(chǔ)1982年被首次應(yīng)用到工程實(shí)際中[12]，挪威國(guó)家石油公司(Statoil)1994年在北海的水深70米立管平臺(tái)Draupner E，采用了直徑12米、長(zhǎng)6米的吸力基礎(chǔ)作為其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)[13-14]，1996年又在北海安裝了第二個(gè)吸力基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)(Sleipner T)，其直徑達(dá)15米[15-16]。直到2002年，吸力基礎(chǔ)在丹麥Frederikshavn海岸首次應(yīng)用于風(fēng)機(jī)(功率3.0 MW)，其長(zhǎng)度6 m，直徑12 m[17-18]。我國(guó)2010年首次在江蘇啟東吸力基礎(chǔ)應(yīng)用于2.5 MW海上風(fēng)機(jī)，并進(jìn)行了相關(guān)的安裝試驗(yàn)[19]。

與海上石油天然氣等平臺(tái)基礎(chǔ)相比，海上風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)所受豎向荷載較小，對(duì)應(yīng)比例的水平荷載及彎矩較大[20]。因此，海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)受水平荷載是其主控荷載。首先介紹了海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)要求和影響因素，分析了海洋環(huán)境水平荷載的特點(diǎn)和受荷形式。分別對(duì)水平單調(diào)荷載、水平循環(huán)荷載和不同荷載組合下的吸力基礎(chǔ)承載能力及破壞機(jī)理進(jìn)行了分析。最后，對(duì)提出的影響水平承載性狀的因素進(jìn)行了討論，指明了下一步的研究方向。

1 海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)受荷分析

海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)要考慮兩個(gè)關(guān)鍵問題[21]：一是基礎(chǔ)的承載能力，目的是保證海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在海洋環(huán)境中不發(fā)生破壞，保證海上風(fēng)機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行；二是上部結(jié)構(gòu)的容許位移，現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)要滿足上部結(jié)構(gòu)的位移與傾斜小于一定閾值[22-23]。上述兩個(gè)問題可統(tǒng)稱為基礎(chǔ)的承載性狀。影響基礎(chǔ)承載性狀的因素有很多，包括荷載形式、土體性質(zhì)、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)等[24-26]。土體性質(zhì)是指基礎(chǔ)所處的土體類型(包括砂土、黏土、粉土等)，以及土體參數(shù)、土體強(qiáng)度沿深度的分布等。Oh等[1]已對(duì)不同土體性質(zhì)下基礎(chǔ)的承載性狀進(jìn)行了歸納及總結(jié)，提出土體性質(zhì)是影響海上基礎(chǔ)承載性狀的重要因素?；A(chǔ)結(jié)構(gòu)主要指不同的基礎(chǔ)類型，針對(duì)吸力基礎(chǔ)而言，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)還包括針對(duì)吸力基礎(chǔ)的改進(jìn)。Wang等[27]已針對(duì)不同基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的水平承載性狀做了相關(guān)總結(jié)，結(jié)果表明吸力基礎(chǔ)可以較好的適用于海上風(fēng)機(jī)環(huán)境。荷載形式對(duì)基礎(chǔ)的承載性狀具有至關(guān)重要的影響[28-29]，但鮮見荷載形式影響的研究。因此，有必要對(duì)不同荷載形式下基礎(chǔ)的承載性狀進(jìn)行歸納。

海上風(fēng)機(jī)所受的荷載形式主要有豎向荷載及水平荷載，豎向荷載主要是基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)的自重荷載，而水平荷載的類型包括風(fēng)荷載、波浪荷載、潮流荷載、海冰荷載、地震荷載等(圖3)[30]。風(fēng)荷載主要作用于風(fēng)機(jī)上部，雖然荷載值較小，但對(duì)基礎(chǔ)產(chǎn)生較大的彎矩；波浪荷載主要作用于風(fēng)機(jī)水下部分，荷載值較大；潮流荷載一般與所在海域有關(guān)，隨時(shí)間變化不大，可視為一種靜態(tài)荷載。此外，風(fēng)機(jī)在服役期間還可能受海冰荷載和地震荷載的作用，海冰荷載主要發(fā)生于冬季緯度較高的海域，地震則具有偶發(fā)性，在風(fēng)電場(chǎng)選址時(shí)已考慮盡可能遠(yuǎn)離斷裂帶，因此在風(fēng)機(jī)的使用壽命中并不常見，設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮風(fēng)荷載、波浪荷載和潮流荷載。

圖3 海上風(fēng)機(jī)所受荷載Fig. 3 Loads on an offshore wind turbine

風(fēng)、波浪、潮流等水平荷載在初步分析時(shí)，常常將其統(tǒng)一視為水平單調(diào)荷載，使用力控制模式或位移控制模式施加于基礎(chǔ)之上。根據(jù)荷載類型的不同，潮流荷載等可視為水平單調(diào)荷載；風(fēng)和波浪荷載則可視為水平循環(huán)荷載。另外，海洋環(huán)境荷載復(fù)雜，風(fēng)波浪等荷載往往不在一條直線上，同時(shí)基礎(chǔ)還受上部結(jié)構(gòu)自重的荷載影響，因此需要考慮不同荷載組合下的承載性狀。

2 水平單調(diào)荷載下的承載性狀

吸力基礎(chǔ)受水平單調(diào)荷載的研究是其承載性狀研究的重要形式。通過吸力基礎(chǔ)受水平單調(diào)荷載的研究，可以確定基礎(chǔ)的水平承載力及荷載位移曲線，得到海上吸力基礎(chǔ)的水平承載力，進(jìn)而為吸力基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)提供參考。在水平單調(diào)荷載方面，吸力基礎(chǔ)所受不同荷載形式的影響主要體現(xiàn)在水平荷載大小、加載高度(偏心率)和荷載作用方向等方面。

2.1 水平荷載大小的影響

在不同的水平荷載下，吸力基礎(chǔ)將呈現(xiàn)不同的水平承載性狀。Bolton[31]通過研究發(fā)現(xiàn)，水平荷載下吸力基礎(chǔ)的水平荷載—側(cè)向位移關(guān)系與土體應(yīng)力水平呈非線性關(guān)系。Chen等[32]測(cè)量了吸力基礎(chǔ)旋轉(zhuǎn)中心及荷載位移曲線，認(rèn)為吸力基礎(chǔ)受波浪荷載作用下，在變形較小時(shí)，吸力基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)視為平動(dòng)；在變形較大時(shí)，吸力基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)視為轉(zhuǎn)動(dòng)。Zhang等[33]認(rèn)為，在水平承載能力極限狀態(tài)時(shí)，吸力基礎(chǔ)表現(xiàn)為旋轉(zhuǎn)，而不是平動(dòng)。Zhu等[34]采用原型試驗(yàn)對(duì)吸力基礎(chǔ)的安裝和安裝后的水平承載能力進(jìn)行了研究，并對(duì)基礎(chǔ)安裝過程阻力、旋轉(zhuǎn)中心位置、基礎(chǔ)側(cè)面土壓力、基礎(chǔ)彎矩承載能力進(jìn)行推導(dǎo)。

基礎(chǔ)在水平單調(diào)荷載下的承載性狀可以通過荷載位移曲線反應(yīng)。Li等[35]與Zhang等[36]通過系統(tǒng)研究，將荷載位移曲線分為三個(gè)階段：準(zhǔn)彈性階段、塑性階段、破壞階段。在準(zhǔn)彈性階段內(nèi)，基礎(chǔ)位移及土體變形很小，對(duì)應(yīng)的最大位移約為基礎(chǔ)直徑的1%，其位移可以視為平動(dòng)；在塑性階段內(nèi)，基礎(chǔ)的位移主要是平動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)的組合，荷載位移曲線的形式很大程度上取決于基礎(chǔ)外裙長(zhǎng)及荷載偏心率，基礎(chǔ)位移及土體變形較大；在破壞階段內(nèi)，基礎(chǔ)的位移主要視為轉(zhuǎn)動(dòng)。

通過荷載位移曲線，可以確定基礎(chǔ)的極限承載力。Hung和Kim[37]對(duì)吸力基礎(chǔ)的極限承載力進(jìn)行了一系列研究，將極限承載力定義為：1)在荷載沒有進(jìn)一步增加的情況下，位移不斷增加的荷載；2)造成了超出實(shí)用性極限位移的負(fù)荷；3)荷載位移曲線部分變直時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載；4)彈性階段和破壞階段兩條切線交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載。Hung等[38]和Kim等[39]采用切線交點(diǎn)法確定承載能力，其是對(duì)荷載位移曲線起始與終止位置各引各引兩條切線，切線的交點(diǎn)定義為基礎(chǔ)承載力。根據(jù)Hung等[37-38]的研究成果，切線交點(diǎn)法確定的承載力約有2%～5%的偏差。Wang等[40]系統(tǒng)的研究了確定吸力基礎(chǔ)水平極限承載力的方法：1)在標(biāo)準(zhǔn)化累計(jì)旋轉(zhuǎn)達(dá)到3%時(shí)，基礎(chǔ)水平承載破壞；2)繪制標(biāo)準(zhǔn)化水平位移增量和荷載增量圖，可用三段直線擬合，第一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)臨界荷載，第二個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)臨界荷載。Wang等[40]提出，在吸力基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)化累計(jì)變形達(dá)到3%時(shí)，其水平承載力近乎不變。Zhang等[30]亦采用三條切線的方法確定基礎(chǔ)承載能力，在對(duì)荷載位移曲線作圖時(shí)，斜率變化的第一個(gè)點(diǎn)為臨界側(cè)向承載力值，第二個(gè)點(diǎn)是極限側(cè)向承載力值。

目前對(duì)吸力基礎(chǔ)受不同單調(diào)荷載大小下的承載特性研究較為成熟，但其主要關(guān)注吸力基礎(chǔ)的承載能力峰值，忽視了吸力基礎(chǔ)的變形。事實(shí)上，大部分海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在達(dá)到其極限承載力之前，上部結(jié)構(gòu)已超出其容許變形。因此，需加強(qiáng)關(guān)于吸力基礎(chǔ)在達(dá)到一定承載力時(shí)的變形和在固定變形下的承載力研究，更好地符合工程實(shí)際。

2.2 加載高度(偏心率)的影響

吸力基礎(chǔ)受水平荷載時(shí)，由于風(fēng)、波浪等荷載并不作用在基礎(chǔ)形心上，基礎(chǔ)將額外受到一個(gè)彎矩荷載。作用點(diǎn)越高，產(chǎn)生的彎矩荷載越大。不同高度的水平荷載對(duì)基礎(chǔ)承載性狀的影響可以通過加載高度(偏心率)量化。Kumar和Rao[41]認(rèn)為吸力基礎(chǔ)的側(cè)向承載力與荷載偏心率有關(guān)。Li等[35, 42]認(rèn)為隨著荷載偏心率的增大，吸力基礎(chǔ)的水平承載力逐漸減小，土體變形范圍逐漸增大。Andersen等[43]給出了考慮各種偏心距和幾何形狀影響的吸力基礎(chǔ)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)結(jié)果的比較。Zhang等[36]發(fā)現(xiàn)荷載偏心率對(duì)吸力基礎(chǔ)的荷載位移曲線的形式影響很大，極限狀態(tài)下裙式吸力基礎(chǔ)旋轉(zhuǎn)中心至頂蓋的距離隨著荷載偏心率的增加而減少。Li等[44]認(rèn)為裙式吸力基礎(chǔ)的旋轉(zhuǎn)中心隨著荷載偏心率的增加而上升，旋轉(zhuǎn)中心與基礎(chǔ)中心線的距離幾乎不受荷載偏心率的影響。

吸力基礎(chǔ)的彎矩承載能力的概念能更好反映受荷載偏心率的影響。Zhu等[34]認(rèn)為海上基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是彎矩的承載能力，其提出了吸力基礎(chǔ)受彎矩承載力的理論公式。Kourkoulis等[45]認(rèn)為可以對(duì)吸力基礎(chǔ)施加較小的豎向荷載和較大的水平荷載，模擬較大功率風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的受荷形式(基礎(chǔ)受純彎荷載)。Barari和Ibsen[46]結(jié)合試驗(yàn)和數(shù)值分析研究了黏土中桶形基礎(chǔ)對(duì)彎矩荷載的響應(yīng)，并給出了描述破壞荷載組合的屈服軌跡。

加載高度(偏心率)是影響吸力基礎(chǔ)水平單調(diào)承載性狀的主要因素。隨著海上風(fēng)機(jī)功率的逐漸增大，荷載作用高度不斷提高，大偏心水平承載的研究逐漸受到廣泛重視。因此，需系統(tǒng)研究偏心率(尤其是大偏心水平荷載)對(duì)基礎(chǔ)承載性狀的影響，為工程設(shè)計(jì)提出改進(jìn)方案。

優(yōu)化供應(yīng)鏈，掌控大數(shù)據(jù)，目的是為提高經(jīng)營(yíng)效率。但是如果提升的部分被上漲的成本淹沒，那么創(chuàng)新價(jià)值便會(huì)被大打折扣。這正是新零售試水者們普遍遭遇的問題。

3 水平循環(huán)荷載下的承載性狀

水平循環(huán)荷載更接近于海洋環(huán)境真實(shí)荷載，吸力基礎(chǔ)的水平循環(huán)承載性狀是重要的研究領(lǐng)域。循環(huán)荷載的研究主要涉及循環(huán)荷載頻率、循環(huán)荷載次數(shù)、循環(huán)荷載幅值、循環(huán)荷載方向等。

3.1 循環(huán)荷載頻率的影響

循環(huán)荷載頻率主要通過影響基礎(chǔ)附近土體的超孔隙水壓力，進(jìn)而影響基礎(chǔ)的承載性狀。Ansal和Erken[47]和Wang等[48]認(rèn)為基礎(chǔ)附近黏土的超孔隙水壓力隨著循環(huán)荷載頻率而發(fā)生變化。Yang等[49]在粉質(zhì)土中進(jìn)行了傘形吸力基礎(chǔ)受循環(huán)荷載的研究，當(dāng)循環(huán)荷載幅值為單調(diào)水平極限承載力的0.6倍，荷載頻率為0.2 Hz時(shí)，土體的累計(jì)變形逐漸穩(wěn)定于基礎(chǔ)直徑的0.3倍；當(dāng)循環(huán)荷載幅值為單調(diào)水平極限承載力的0.6倍，荷載頻率為2.5 Hz時(shí)，傘形吸力基礎(chǔ)的變形急劇增大，基礎(chǔ)迅速失穩(wěn)。Sathialingam等[50]提出，無黏性土中單樁基礎(chǔ)對(duì)0.02～0.2 Hz的循環(huán)荷載頻率不敏感；但是對(duì)于黏性土而言，隨著土體應(yīng)變的增大，黏土的強(qiáng)度和剛度有明顯的增大趨勢(shì)。周建和龔曉南[51]認(rèn)為循環(huán)荷載頻率會(huì)影響飽和軟黏土的應(yīng)變軟化，其軟化程度隨著循環(huán)荷載頻率的降低而上升，當(dāng)循環(huán)荷載頻率低于0.1 Hz時(shí)，土體的軟化較為明顯。蔣軍[52]認(rèn)為黏土的應(yīng)變速率隨著循環(huán)荷載頻率的增大而增大，但應(yīng)變速率的衰減率與循環(huán)荷載頻率無關(guān)。

循環(huán)荷載頻率是吸力基礎(chǔ)的承載性狀的重要影響因素，循環(huán)荷載的頻率對(duì)黏土中的基礎(chǔ)影響較大，對(duì)砂土中基礎(chǔ)的影響較小。因此，需進(jìn)一步豐富各種循環(huán)荷載頻率下吸力基礎(chǔ)的承載性狀研究，明確其對(duì)吸力基礎(chǔ)承載性狀的影響機(jī)理。

3.2 循環(huán)荷載次數(shù)的影響

循環(huán)荷載次數(shù)會(huì)顯著影響基礎(chǔ)的累計(jì)變形，從而導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)提前達(dá)到正常使用極限狀態(tài)，對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行循環(huán)荷載次數(shù)影響的研究十分關(guān)鍵。Long等[28]認(rèn)為第一次循環(huán)對(duì)基礎(chǔ)的水平承載性狀影響最大，后續(xù)循環(huán)的影響逐漸減小，循環(huán)荷載下基礎(chǔ)的累計(jì)變形與循環(huán)荷載次數(shù)在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)軸下成正比。Leblanc等[29]亦得到了相似的結(jié)論。Lin等[24]認(rèn)為單樁基礎(chǔ)在循環(huán)荷載下的累計(jì)旋轉(zhuǎn)與lnN成正比。Byrne和Houlsby[53-54]認(rèn)為吸力基礎(chǔ)在服役期間受到的第一次風(fēng)暴荷載將導(dǎo)致基礎(chǔ)發(fā)生較大的變形，其變形量占到基礎(chǔ)總累計(jì)變形的絕大部分。Foglia等[55]利用宏觀單元法(macro-element approaches)研究了砂土中桶形基礎(chǔ)在循環(huán)荷載作用下的響應(yīng)，結(jié)果表明宏觀單元法可以較好地預(yù)測(cè)基礎(chǔ)在水平荷載下的累計(jì)變形問題，通過與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)隨著循環(huán)次數(shù)的增加基礎(chǔ)位移的積累速度減少。Wang等[56]認(rèn)為隨著循環(huán)荷載次數(shù)的增加，土體的永久變形逐次減少，第一次循環(huán)的變形占前十次循環(huán)累計(jì)變形的60%～80%。Hung等[57]認(rèn)為黏土中吸力基礎(chǔ)在循環(huán)荷載下的累計(jì)旋轉(zhuǎn)隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增加，但增大的速率在前100次循環(huán)較大，其后隨循環(huán)次數(shù)的增加逐漸減小。

隨著基礎(chǔ)累計(jì)變形的增加，土體的剛度也發(fā)生了改變。Byrne和Houlsby[53-54]認(rèn)為土體的剛度在循環(huán)荷載的作用下逐漸降低。但Kramer等[58]認(rèn)為僅有很少一部分樁受循環(huán)荷載時(shí)抗彎剛度發(fā)生明顯退化，土體剛度受循環(huán)荷載的影響不明顯。Zhu等[59]認(rèn)為在循環(huán)荷載幅值一定的情況下，土的循環(huán)側(cè)向剛度受循環(huán)荷載次數(shù)的影響很小。Wang等[56]認(rèn)為在第一個(gè)循環(huán)周期，土體剛度顯著下降，之后幾乎保持不變。Hung等[57]認(rèn)為卸載剛度隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增加。Wang等[40]認(rèn)為前5次循環(huán)的側(cè)向位移和剛度變化較大，當(dāng)吸力基礎(chǔ)的無量綱化累計(jì)變形從0%變化至1%時(shí)，土體的剛度發(fā)生較大降低，隨后降低的速率逐漸減??；當(dāng)吸力基礎(chǔ)的無量綱化累計(jì)變形達(dá)到3%之后，土體剛度下降可以忽略。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，海上風(fēng)機(jī)的吸力基礎(chǔ)在25年中將經(jīng)歷約1 000萬次循環(huán)荷載[60]。隨著循環(huán)荷載次數(shù)的增大，基礎(chǔ)的累計(jì)變形逐漸增大，附近土體的剛度發(fā)生改變。吸力基礎(chǔ)受不同循環(huán)次數(shù)的定性研究已較為充分，下一步應(yīng)針對(duì)吸力基礎(chǔ)的水平承載性狀與循環(huán)次數(shù)展開定量的研究。

3.3 循環(huán)荷載幅值的影響

循環(huán)荷載的幅值是指所施加的循環(huán)荷載的峰值大小，常見的循環(huán)荷載幅值可見圖4。其中，MR是吸力基礎(chǔ)通過水平單調(diào)試驗(yàn)測(cè)得的極限承載力。為便于研究循環(huán)荷載幅值的影響，常常用Mmin表示循環(huán)荷載的幅值最小值，用Mmax表示循環(huán)荷載的幅值最大值。將ζb、ζc定義為：

圖4 循環(huán)荷載的幅值Fig. 4 Amplitude of cyclic load

(1)

(2)

循環(huán)荷載的大小對(duì)基礎(chǔ)的累計(jì)變形及附近土體的剛度均具有較大的影響。Lin和Liao[24]對(duì)不同幅值循環(huán)荷載下的性質(zhì)展開了研究，提出了一個(gè)簡(jiǎn)要表達(dá)式計(jì)算變幅循環(huán)荷載下基礎(chǔ)的累計(jì)變形。Hung等[57]提出了一種計(jì)算吸力基礎(chǔ)累計(jì)旋轉(zhuǎn)的理論公式，發(fā)現(xiàn)吸力基礎(chǔ)在循環(huán)荷載作用下的累計(jì)旋轉(zhuǎn)隨荷載大小的增加而增加，當(dāng)施加的循環(huán)荷載大于疲勞極限荷載的一半時(shí)，土體的應(yīng)變較明顯。Achmus等[61]利用數(shù)值模擬研究了荷載大小、相對(duì)密度和埋入比對(duì)桶形基礎(chǔ)在循環(huán)荷載作用下的行為的影響。Hirai[62]認(rèn)為循環(huán)試驗(yàn)的破壞荷載均小于靜載試驗(yàn)的破壞荷載，在較低幅值的循環(huán)荷載作用下，基礎(chǔ)破壞時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的位移和旋轉(zhuǎn)。另外，需要注意的是循環(huán)荷載幅值對(duì)黏土和砂土的卸載剛度影響不一致。Houlsby等[63]進(jìn)行了黏土中吸力基礎(chǔ)的低頻循環(huán)彎矩試驗(yàn)，結(jié)果表明在低振幅時(shí)基礎(chǔ)表現(xiàn)為剛性響應(yīng)，隨著振幅逐漸增大，剛度逐漸減小。另外，Houlsby等[64]發(fā)現(xiàn)砂土在小應(yīng)變下的剪切模量小于大應(yīng)變下的剪切模量，砂土中吸力基礎(chǔ)在循環(huán)荷載下的剛度隨著荷載振幅的增大而增大。Hirai[62]考慮了循環(huán)荷載幅值、循環(huán)荷載歷史等因素下土體的循環(huán)荷載破壞機(jī)理，闡明了循環(huán)荷載作用下黏土的總應(yīng)力、有效平均主應(yīng)力、應(yīng)力差和孔隙壓力之間的關(guān)系。Hung等[57]提出了一種根據(jù)初始卸載剛度、循環(huán)次數(shù)等參數(shù)計(jì)算卸載剛度的理論公式，認(rèn)為黏土的卸載剛度隨著循環(huán)荷載大小的增加而減少。Kelly等[20]進(jìn)行了一系列現(xiàn)場(chǎng)原型試驗(yàn)和試驗(yàn)室模型試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在小幅值的循環(huán)加載中土體剛度較大，在大幅值的循環(huán)加載中土體剛度較小。

循環(huán)荷載對(duì)稱性對(duì)基礎(chǔ)承載性狀的影響較為顯著，但涉及吸力基礎(chǔ)的研究有限，可以通過海上單樁基礎(chǔ)的研究初步總結(jié)相關(guān)規(guī)律。Leblanc等[65]建立了隨機(jī)雙向循環(huán)荷載作用下剛性樁累積旋轉(zhuǎn)的預(yù)測(cè)模型，表明在海上風(fēng)機(jī)的使用壽命中，樁身累積旋轉(zhuǎn)主要受最不利載荷的控制。Long等[28]探討了Mmin/Mmax對(duì)基礎(chǔ)累計(jì)變形的影響，結(jié)果表明單向水平循環(huán)荷載下的p-y曲線退化較明顯，土體的變形與基礎(chǔ)的傾斜較大，因此單向水平循環(huán)荷載(ζc=0)較雙向水平循環(huán)荷載(ζc=1)產(chǎn)生的累計(jì)變形大。Zhu等[66]認(rèn)為單向循環(huán)荷載產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)較雙向循環(huán)荷載產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)大。Lin等[24]認(rèn)為單向水平循環(huán)荷載較雙向水平循環(huán)荷載產(chǎn)生更大的循環(huán)應(yīng)變。Leblanc等[29]推導(dǎo)了單樁基礎(chǔ)的無量綱化荷載位移公式，發(fā)現(xiàn)不完全對(duì)稱循環(huán)荷載(ζc=-0.6)的累計(jì)變形是單向循環(huán)荷載(ζc=0)的4倍，不完全對(duì)稱循環(huán)荷載將導(dǎo)致更大的基礎(chǔ)累計(jì)變形。Zhu等[59]認(rèn)為不完全對(duì)稱循環(huán)荷載產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)較單向循環(huán)荷載產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)大。Nanda等[67]發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)在雙向循環(huán)荷載作用下的累計(jì)變形隨著循環(huán)次數(shù)先增大后略微減小，之后再增大，其認(rèn)為單向循環(huán)荷載較雙向循環(huán)荷載會(huì)產(chǎn)生更大的水平位移。

海洋環(huán)境中的風(fēng)荷載隨著離岸距離的增大而增大，波浪荷載亦隨著水深的增大而增大[68]。Sahin[69]認(rèn)為海上風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)必須能夠抵抗較大的風(fēng)波浪潮流荷載，而這些循環(huán)荷載的方向和幅值隨時(shí)間不斷變化。針對(duì)吸力基礎(chǔ)在不同循環(huán)荷載幅值下的承載性狀研究尚不充分，循環(huán)荷載方向性的研究主要針對(duì)海上單樁基礎(chǔ)，下一步應(yīng)針對(duì)吸力基礎(chǔ)受循環(huán)荷載幅值的影響展開系統(tǒng)研究。

3.4 循環(huán)荷載方向的影響

循環(huán)荷載方向的影響是指海洋環(huán)境循環(huán)荷載的作用方向?qū)A(chǔ)承載性狀的影響。隨著海洋環(huán)境的變化，風(fēng)波浪潮流荷載的方向會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。Leblanc等[65]認(rèn)為在風(fēng)暴期間較大的荷載循環(huán)可能是單向的，如ULS(承載能力極限狀態(tài))和SLS(正常使用極限狀態(tài))，此時(shí)多采用ζc≥0的循環(huán)荷載進(jìn)行分析；而在海況較好的情況下，風(fēng)機(jī)所受的循環(huán)荷載由于風(fēng)向的變化將是全方位的，如FLS(疲勞極限狀態(tài))，此時(shí)多采用變方向的循環(huán)荷載進(jìn)行分析。關(guān)于吸力基礎(chǔ)受不同方向水平循環(huán)荷載的研究有限，而針對(duì)海上單樁基礎(chǔ)已進(jìn)行了部分研究。Rudolph等[70]研究了單樁基礎(chǔ)受變角度水平循環(huán)荷載作用的變形響應(yīng)，認(rèn)為在荷載大小相同時(shí)，荷載方向的變化可能會(huì)加大基礎(chǔ)的變形，而荷載方向改變導(dǎo)致的循環(huán)荷載累計(jì)變形增加倍數(shù)(較固定方向循環(huán)荷載)，在松散砂中為1.9，在密實(shí)砂中為1.5。Nanda等[67]認(rèn)為變角度水平循環(huán)荷載較定向水平循環(huán)荷載將產(chǎn)生更大的累計(jì)位移，單向循環(huán)荷載中變角度加載可以提高土體剛度，雙向循環(huán)荷載中變角度加載會(huì)降低土體剛度，土體剛度的減小將導(dǎo)致水平循環(huán)荷載作用下的基礎(chǔ)抬升增大。Zhu等[71]發(fā)現(xiàn)當(dāng)荷載方向在0°～90°間變化時(shí)，吸力基礎(chǔ)的受荷響應(yīng)近似于受單向循環(huán)荷載的情況，當(dāng)荷載方向變化超過90°時(shí)，吸力基礎(chǔ)的累計(jì)變形較單向循環(huán)荷載時(shí)小，另外轉(zhuǎn)向加載時(shí)土體的卸載剛度較定向加載時(shí)顯著不同，因此吸力基礎(chǔ)在循環(huán)荷載下的響應(yīng)受荷載方向的影響較大。

循環(huán)荷載方向?qū)Ｉ匣A(chǔ)的水平承載性狀的研究有限。已有的針對(duì)單樁基礎(chǔ)的研究均表明，變方向的水平循環(huán)荷載將導(dǎo)致基礎(chǔ)產(chǎn)生更大的累計(jì)變形。因此，下一步應(yīng)針對(duì)吸力基礎(chǔ)受變方向水平循環(huán)荷載展開相關(guān)研究。

4 不同荷載組合下的承載性狀

吸力基礎(chǔ)在服役過程中不僅受水平荷載，還受到豎向荷載。同時(shí)，由于海洋環(huán)境復(fù)雜多變，海上風(fēng)和波浪荷載往往沒有作用在一條直線上。因此，吸力基礎(chǔ)所受荷載等效為單一荷載存在一定的局限性，采用多種荷載同時(shí)作用的形式更符合于實(shí)際情況。吸力基礎(chǔ)在不同荷載組合下的承載性狀可分為豎向荷載的影響和水平荷載非共線的影響兩方面進(jìn)行討論。

4.1 豎向荷載對(duì)水平承載性狀的影響

吸力基礎(chǔ)在服役過程中將受到豎向荷載作用，豎向荷載主要為基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的自重。豎向荷載對(duì)基礎(chǔ)的承載能力有顯著影響。Martin和Houlsby[72]認(rèn)為當(dāng)基礎(chǔ)所受豎向荷載為零時(shí)，基礎(chǔ)的水平承載力為零。然而Cassidy等[73]認(rèn)為即使基礎(chǔ)所受豎向荷載為零，基礎(chǔ)也可以承擔(dān)一定的水平荷載。Fu等[74]通過數(shù)值模擬，分析了低豎向荷載作用下兩沉箱單元矩形混合地基水平彎矩承載力及破壞機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上提出了描述矩形混合地基破壞包絡(luò)線的表達(dá)式。Byrne和Houlsby[54]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)吸力基礎(chǔ)上作用有恒定豎向荷載時(shí)，基礎(chǔ)同時(shí)受到彎矩荷載將發(fā)生較大沉降，特別是在彎矩荷載施加的起始階段。Hung等[38]的分析表明，吸力基礎(chǔ)的荷載包絡(luò)線在V/V0≤0.5時(shí)輕微下降。Yun和Bransby[75]認(rèn)為當(dāng)豎向荷載小于豎向承載力的40%時(shí)，水平和彎矩聯(lián)合承載力的下降可以忽略不計(jì)，當(dāng)V/V0≥0.5時(shí)，組合荷載的包絡(luò)線顯著下降。Zhang等[76]認(rèn)為水平和豎向荷載聯(lián)合作用下，單樁基礎(chǔ)的水平極限承載力隨著豎向荷載的增加先增大后減小，分界點(diǎn)大致在0.3倍豎向極限承載力，豎向荷載在一定程度上增大了單樁基礎(chǔ)水平承載能力，包絡(luò)面近似于橢圓。Yang等[49]認(rèn)為彎矩對(duì)豎向承載力的影響小于豎向荷載對(duì)彎矩承載力的影響，同時(shí)兩者的相互影響較小。

豎向荷載對(duì)水平承載性狀影響的研究已較為完善，可以通過繪制包絡(luò)面反應(yīng)其影響程度。海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的豎向荷載相對(duì)較小，因此需加強(qiáng)在低豎向荷載下水平承載性狀的研究。

4.2 水平荷載非共線的影響

Byrne和Houlsby[77]認(rèn)為風(fēng)荷載和波浪荷載的方向不一定完全一致，二者間存在一定的夾角。Seidel[78]認(rèn)為海上風(fēng)機(jī)在其服役期間，風(fēng)波浪潮流引起的巨大水平循環(huán)荷載的方向不固定，風(fēng)波浪荷載的夾角可能達(dá)到90°。陳勝等[79]通過深入觀察海面風(fēng)和波浪性質(zhì)，認(rèn)為海面風(fēng)向與風(fēng)荷載方向不一致，其最大夾角可以達(dá)到80°。因此，海上風(fēng)機(jī)上作用的風(fēng)、波浪荷載不能簡(jiǎn)單視為單一荷載，二者存在一定的角度，見圖5。

圖5 風(fēng)波浪荷載示意Fig. 5 Wind wave load diagram

Fischer等[80]對(duì)海上風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)受風(fēng)波浪非共線荷載的承載性狀進(jìn)行了分析，認(rèn)為風(fēng)波浪荷載非共線會(huì)顯著影響基礎(chǔ)的疲勞效應(yīng)，進(jìn)而降低基礎(chǔ)的適用年限，但是對(duì)浮式基礎(chǔ)平臺(tái)的研究結(jié)論相反。Philippe等[81]通過對(duì)浮式海上風(fēng)機(jī)進(jìn)行耦合動(dòng)力分析，研究了風(fēng)的波動(dòng)方向?qū)ο到y(tǒng)的影響。Bachynski等[82]對(duì)海上風(fēng)機(jī)張力腿平臺(tái)(TLP)和半潛式海上平臺(tái)進(jìn)行了風(fēng)波浪荷載非共線的分析，結(jié)果表明風(fēng)波浪荷載共線時(shí)將對(duì)平臺(tái)產(chǎn)生較大的疲勞荷載和彎矩。Karimirad等[83]對(duì)海上浮式V形風(fēng)機(jī)進(jìn)行了風(fēng)波浪荷載非共線作用的分析，結(jié)果表明風(fēng)波浪荷載非共線對(duì)浮式風(fēng)機(jī)的影響很小，系統(tǒng)具有足夠的魯棒性。另外，夏可和萬德成[84]研究了波浪和波流方向不一致時(shí)淺海導(dǎo)管架風(fēng)機(jī)平臺(tái)的受荷情況，結(jié)果表明平臺(tái)所受荷載隨著波流夾角的增大先略微增大，然后減小。

海上風(fēng)機(jī)在服役過程中將受到風(fēng)荷載和波浪荷載，二者存在一定角度。針對(duì)吸力基礎(chǔ)受風(fēng)波浪荷載非共線的影響尚不明確，下一步應(yīng)針對(duì)吸力基礎(chǔ)受風(fēng)波浪荷載非共線的情形展開系統(tǒng)研究。

5 結(jié) 語

海洋環(huán)境中的吸力基礎(chǔ)將承受較為復(fù)雜的水平荷載，已有的研究主要針對(duì)吸力基礎(chǔ)受單調(diào)荷載的承載性狀，以及對(duì)循環(huán)荷載和不同荷載組合的定性分析，下一步應(yīng)針對(duì)吸力基礎(chǔ)受不同循環(huán)荷載及不同荷載組合下的承載性狀展開定量分析，得到的結(jié)論和展望如下：

1) 吸力基礎(chǔ)受水平單調(diào)荷載的研究較為充分，但相關(guān)研究主要關(guān)注吸力基礎(chǔ)的極限承載能力。實(shí)際工程中，吸力基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)往往由上部結(jié)構(gòu)的容許變形控制。因此，需注重吸力基礎(chǔ)荷載—位移關(guān)系的起始段研究。另外，加載高度(偏心率)也是基礎(chǔ)破壞性狀的重要影響因素。隨著海上風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量的不斷增大，風(fēng)機(jī)受荷偏心率逐漸增大，需要對(duì)加載高度(偏心率)的影響展開系統(tǒng)性的研究。

2) 吸力基礎(chǔ)受水平循環(huán)荷載的研究主要采用固定頻率和固定幅值的正弦循環(huán)荷載，這與海洋環(huán)境實(shí)際荷載差異較大。下一步應(yīng)針對(duì)吸力基礎(chǔ)受不同頻率循環(huán)荷載、不同幅值循環(huán)荷載，以及較多循環(huán)次數(shù)和不同循環(huán)荷載方向上開展研究。

3) 吸力基礎(chǔ)受不同荷載組合的研究有限，相關(guān)研究大多將基礎(chǔ)所受荷載簡(jiǎn)化為單一荷載。事實(shí)上，由于海洋環(huán)境的復(fù)雜多變，風(fēng)波浪荷載往往不作用于同一方向，另外基礎(chǔ)還受上部結(jié)構(gòu)自重荷載的影響。因此，需對(duì)吸力基礎(chǔ)受不同荷載組合下的水平承載性狀展開研究，闡明基礎(chǔ)破壞機(jī)理。