1.3　桶形基础承载特性研究现状

1.3.1　桶形基础发展概况

桶形基础像一只倒扣的钢桶，由带裙板的重力式基础发展而来，得到了全球海洋工程界的高度关注，被挪威专家誉为“导管架平台基础工程技术新时代的曙光”。桶形基础的产生和发展与吸力锚技术密不可分，最早可以追溯到1958年，1996年采用桶形基础建成Sleipner Vest平台后开始进入工业化生产阶段，2003年丹麦人首先将其应用于海上风电开发。国外桶形基础的发展历程大致见表1.4。

与国外相比，我国对桶形基础的研究和应用相对较晚，20世纪70年代才开展实质性的研究，但近年来桶形基础的研究和应用一直是国内学术界关注的焦点。天津大学、国家海洋局第一海洋研究所、中国海洋石油总公司、大连理工大学、胜利油田管理局、浙江大学、中科院力学研究所、道达重工等单位开展了大量的工作，形成了系列的研究成果，极大地推动了桶形基础在海洋工程中的应用和发展。2010年道达重工联合天津大学在江苏启东某码头附近采用桶形基础安装了一台2.5MW的海上风电机组（图1.3、图1.4），虽然与真实的海洋环境存在一定的差别，但也论证了我国近海风机采用桶形基础的可行性，用事实说明了桶形基础相对于其他基础易于施工、造价低等系列优越性，极大地推动了国内海上风电桶形基础的研究。2017年三峡新能源响水海上风电场成功安装了首台海上风机复合桶形基础，据报道安装垂直度达到千分之一，超过设计要求。国内桶形基础的发展历程大致见表1.5。

桶形基础作为新型的海洋平台基础，在近海边际油田开发中得到了很好的应用，大量的研究成果集中在采油平台等领域。但风机桶形基础与采油平台桶形基础在荷载条件和使用要求方面均有较大的区别，主要体现在：①海洋采油平台相对较低，而近海风机属高耸结构，且风机运行时较大的叶轮要捕获风能，造成风荷载数值大、作用点高的特点，对基础设计影响较大，甚至起主要作用；②海洋采油平台领域多采用直径小、深度大的桶形基础，从受力和施工角度分析，大直径、小高度桶形基础更适应于黏土地基上的风机，两种类型的基础型式破坏模式可能存在差异；③海洋采油平台基础设计时以抗倾覆为主，以荷载-位移曲线拐点确定桶形基础极限承载力。对于近海风机桶形基础，不仅从结构安全角度上讲需无条件满足以上要求，而且风力发电机组运行时对垂直度有较高的要求，反映在基础结构上通常要求倾斜率不得大于5‰（有的风机要求更为严格，甚至为1‰或2‰）。

我国海上风电开发与欧洲相比具有较大的差异性，主要体现在：①我国东部沿海多有淤泥，且深度通常大于10m；②我国东南部沿海受台风影响，且每年均会出现多次。这些差异性造成我国近海风机桶形基础的发展需考虑地层条件差、极端荷载大的情况，使得我国近海风机桶形基础的应用发展面临更多的难题。

1.3.2　桶形基础极限承载特性研究现状

承载特性是基础发挥作用之根本，目前近海风机桶形基础极限承载特性研究主要集中在试验研究、极限平衡法（极限分析法）和有限元法等方面。

1.试验研究

自桶形基础出现以来，国内外学者进行了大量的模型试验，为后续的研究工作积累了经验、奠定了基础。

在国外，1985年，挪威土工技术研究所采用高23m、直径6.5m的钢桶分别在黏性土和砂性土中做了沉放试验，记录了大量孔隙水压力、土压力等数据；1992—1993年，Bye等对砂土地基上的桶形基础做了模型试验和现场试验，结果表明砂土的剪胀性和试验时间是控制因素；1993年，Dyvik、Andersen和Hansen等对黏土地基桶形基础做了现场沉放试验和静、动力试验，分析了静、动力作用下土体抗剪强度，提出了桶形基础抗拔力计算方法和破坏模式；1998—1999年，Gharbswy等在墨西哥湾黏土地基上做了拉拔承载力模型试验，模型高径比为2、4、6、12，结果表明基础承载特性明显受超孔隙水压力的影响，荷载作用的角度和频率对基础有较大的影响；1993年，Clukey做了黏土地基桶形基础静抗拔试验，结果表明被动吸力的存在增大了桶形基础的极限抗拔力，且得到的沉降变形与现场试验相吻合；1998年，Randolph在海底现场取样，并进行了静水平荷载作用下的离心模型试验，结果认为水平荷载达到峰值时土体会发生软化，桶基后侧土体会出现裂缝，导致吸力丧失；1997—2000年，Waston利用离心机对钙质粉土地基上原型直径12m的桶形基础进行了研究，分析了在竖向、水平、弯矩荷载作用下桶形基础的承载特性，探讨了加载速率对竖向承载力的影响，结果表明承载力实验值比理论分析值偏高；2000年，Allersma等通过离心机模型试验对荷兰砂和高岭土地基中桶形基础的静承载力进行了分析，结果表明水平荷载作用点对承载力影响较大，作用点越低极限承载力越大，承载力随地基土体密度的增大而线性增大。

在国内，1999年年初，新杰针对单桶和四桶形基础做了静载荷条件下的稳定性试验，结果表明在瞬时荷载作用下桶内负压对桶形基础抗拔承载力有较大的影响，对长期荷载作用下的承载力影响较小；施晓春对水平荷载作用下的桶形基础做了室内试验、现场模型试验，分析了基础变形及桶土作用关系，认为水平荷载作用下桶形基础的破坏形式主要为转动；孙大鹏通过软土地基模型试验，研究了竖向荷载、水平荷载作用下桶形基础的极限承载力，结果表明桶形基础竖向荷载大于极限承载力时地基土体发生整体剪切破坏，水平荷载较大时桶形基础发生转动和平动，且以转动为主；2000年，刘振纹在浅海滩涂做了单桶模型试验，研究了水平荷载作用下桶形基础的破坏模式和极限承载力，结果表明水平荷载作用下主动区一侧桶壁土压力较小，被动区一侧土压力较大，主动区一侧土体随着荷载的增大会产生分离。

2.极限平衡法（极限分析法）

极限平衡法是近似求解土力学稳定问题的传统方法，模型简单，易于理解，且有大量的工程经验（尤其是在边坡稳定分析中），在岩土工程中应用较为广泛。极限分析法是应用理想弹塑性体（或刚塑性体）处于极限状态的普遍定理（上限定理和下限定理）求解极限荷载的一种分析方法。国内外许多学者采用极限平衡法和极限分析法对桶形基础的极限承载力做了大量的研究工作，此处将其合并在一起进行论述。

在国外，1972年，Finn等提出桶形基础抗拔承载力的上限值可通过极限平衡法进行拟合；1984年，Randolph针对黏土地基无限长圆柱体进行了研究，在三维问题简化为平面应变问题的条件下得到了光滑和粗糙条件下的极限承载力系数；1993年，Murff提出了有限长圆桶结构水平承载力的三维极限分析上限解法，其缺点是没有考虑平面应变流动区上下表面的内能耗散率；2000年，Deng在室内试验、现场试验和有限元分析的基础上，通过极限平衡法得到了桶形基础竖向抗拔极限承载力的半经验理论解；2001年，Aubeny假定桶形基础上土压力的分布形式，提出了一种简化极限分析上限解法；2003年，Aubeny采用Hill屈服准则考虑了软土地基强度各向异性对承载力的影响，表明软土各向异性对承载力的影响小于10％。

在国内，1999年施晓春在模型试验的基础上，推导出了一种桶形基础水平承载力的近似计算方法，且计算值与实验值吻合较好，对仅承受水平荷载的桶形基础承载力计算具有一定的应用价值；2000年，刘振纹参照极限平衡法Engle假设，提出了一种桶形基础水平承载力计算式；2001—2004年，在离心模型试验验证的基础上，吴梦喜提出了基于极限平衡理论的桶形基础极限承载力计算方法，并采用该法分析了垂直反力承担倾覆弯矩对水平承载力的影响，比以往的方法更为合理；2006年，基于上限定理建立了黏土地基水平荷载作用下桶形基础承载力分析模型，并通过大比尺模型试验验证，王晖将桶形基础受力破坏形式进行了分类，得到了桶形基础高径比小于0.52时以平面滑移为主、高径比大于1.20时以倾覆转动为主的结论。

3.有限元法

近年来，随着计算机技术的发展，有限元法等数值分析方法得到了广泛的应用，为深入、细致地分析桶形基础承载特性提供了条件，国内外学者对桶土作用、桶形基础破坏模式进行了许多研究，在桶形基础静承载力分析方面取得了系列研究成果，并对高径比、锚点位置、桶内土塞影响进行了分析，具有代表意义的研究成果综述如下。

1983—1995年，Meyerhof和Ranjian对刚性桩的研究表明，与铅直线成α角度的斜向极限承载力所描述的屈服包络线可近似为一个中心在坐标原点的椭圆；2000年，基于三维有限元法，Mccarron对黏土地基桶形基础水平承载力进行了研究，分析了桶土间摩擦特性、地基土体应变软化等因素对承载力的影响；Taiebat和Carter提出了浅基础空间屈服包络面的经验公式；2000年，挪威土工技术研究所开发了专门针对黏土地基桶形基础抗拔承载力的计算程序。

2002年，杨家岭对桶形基础采油平台进行了研究，认为平台稳定性不仅和整体结构有关，还和土体特性密切相关；2005年，通过有限元分析及模型试验，张金来研究了桶形基础不同高径比条件下横向、竖向承载力，以及组合荷载作用下的极限承载特性，认为高径比增加时桶形基础横向承载力增加比较明显；2006年，张宏祥在土体D-P模型的基础上建立了一种改进的土体弹塑性本构模型，模拟了大港滩海软土的应力应变关系，计算了试验桶形基础的承载力，并与模型试验进行了对比分析；2009年，孙曦源采用三维有限元法对杭州湾近海风机桶形基础稳定性进行了研究；2010年，刘喜珠对饱和粉砂土地基上的海上风机桶形基础破坏模式及安全性进行了研究；范庆来、武科对复合加载模式下桶形基础破坏包络面进行了数值研究。

1.3.3　长期风浪作用下桶形基础变形特性研究现状

风浪等循环荷载作用下黏土会发生软化，变形具有明显的时效性。风浪长期作用造成海洋构筑物发生失稳破坏的情况时有报道，国内外学者在围绕海洋环境荷载和海洋土的长期变形特性方面做了大量的研究工作。

20世纪70年代末到80年代初，挪威土工技术研究所的Andersen采用极限平衡法对长期承受风浪荷载的重力式基础稳定性和受力特性进行了分析，按不同静剪应变和循环剪应变的组合进行分析，总结出一系列用来分析地基土体单元受力情况的图表，并假定滑动面进行不同剪应变条件下的迭代计算，根据最小安全系数确定潜在滑动面及滑动时的受力状况，后来挪威土工技术研究所将这种方法应用于桶形基础，但该法将三维问题简化为平面问题，存在一定的局限性。

1981年，Prevost和Marr在各向异性增量弹塑性理论基础上，建立了软土循环特性本构模型，可借助有限元法计算地基循环承载力，该法概念清晰，能跟踪循环应力路径，描述地基循环破坏较为直观，但对于循环次数较多的情况计算工作量大，保证收敛较为困难。1982年，David采用一个统一的弱化指标对承载力进行修正的方法考虑循环承载力的影响，但风浪等荷载对地基土体的影响非常复杂，不仅受静动荷载影响，而且受循环次数的影响，仅用一个统一的弱化指标进行修正难以较真实地反映地基变形和受力情况。1992年，Andersen等提出了动静荷载作用下桶形基础抗拔承载力的极限平衡计算方法；1992—1993年，Bye等对砂土地基上的桶形基础做了模型试验和现场试验，结果表明在循环荷载作用下，砂土会变得更加密实，静拉拔力不会降低。1993年，王建华定义了土循环衰减强度，通过三轴试验提出了一种分析黏土地基循环承载力的拟静力法，但成果能否应用于一般应力状态下仍需验证。1998年，Randolph采用海底现场取样土进行了动水平荷载作用下的离心模型试验，表明在动荷载循环次数超过300次以后，桶形基础水平位移达0.45m。

1975年，Monismith提出了循环荷载作用下黏土累积变形的指数模型，Li和Selig于1996年进行了修正，Chai和Miura于2002年对指数模型进行了发展，并对循环荷载作用下地基土体变形进行了多个实例验证。