毋曉妮，廖 倩，李 曄*

（1. 上海交通大學(xué) 海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240； 2. 上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，

上海 200240）

隨著全球能源需求不斷增加以及全球氣候變暖，能源短缺與環(huán)境問題日益突出。尋求可持續(xù)替代能源、開展能源轉(zhuǎn)型已成為各國政府應(yīng)對(duì)能源問題的主要措施。作為一種儲(chǔ)量豐富的清潔可再生能源，風(fēng)能在全世界受到了廣泛關(guān)注并得到迅速發(fā)展。目前，瑞典、丹麥、德國、荷蘭、比利時(shí)、英國和愛爾蘭等國已經(jīng)建立了許多研發(fā)性海上發(fā)電項(xiàng)目[1]。海上風(fēng)電行業(yè)從20 世紀(jì)80 年代開始發(fā)展，并且自2000 年以來迅速發(fā)展。截至2016 年12 月底，全球風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量已達(dá)到486 790 MW。截至2017年12 月底，全球累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量為539.1 GW[2]。根據(jù)全球風(fēng)能理事會(huì)的《2016 年全球風(fēng)電發(fā)展報(bào)告》，2016 年全球海上風(fēng)電新增裝機(jī)2 219 MW，雖然裝機(jī)容量與2015 年同期相比下降了31%，但未來前景看好。英國是世界上最大的海上風(fēng)電市場(chǎng)，在全球裝機(jī)容量占比中英國約占36%，德國占29%，中國占11%。根據(jù)歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)（EWEA）對(duì)歐洲海上風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量的統(tǒng)計(jì)可知，目前歐洲海上風(fēng)電總裝機(jī)容量為15 780 MW，圖1 為1994-2017 年歐洲海上風(fēng)機(jī)累計(jì)裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì)圖[3]。近年來，我國也加快了海上風(fēng)電建設(shè)的步伐，裝機(jī)規(guī)模連續(xù)5 a快速增長，截至2017 年底，我國海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量已達(dá)279 萬kW。離岸15～30 km 的海域可以獲得更高質(zhì)量的風(fēng)力資源，這一區(qū)域風(fēng)力資源的開發(fā)需要采用更大型的海上風(fēng)機(jī)來提高成本效益。隨著海上風(fēng)電行業(yè)的逐步發(fā)展與海上風(fēng)機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，目前已開發(fā)了大型兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)，其葉片直徑可達(dá)120 m，功率可達(dá)6 MW。這些大型的海上風(fēng)機(jī)同時(shí)也對(duì)為其提供支撐的基礎(chǔ)的承載能力與穩(wěn)定性提出了更高的要求。

圖1 歐洲風(fēng)電裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì)圖

海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在實(shí)際海洋環(huán)境中會(huì)受到復(fù)雜的海洋環(huán)境載荷的作用，這些荷載主要來自風(fēng)、波浪和潮流。此外，在極端海況下，由于波浪砰擊的作用，海水在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)表面上會(huì)有爬高，從而對(duì)風(fēng)機(jī)的上層結(jié)構(gòu)和設(shè)備造成威脅[4]。因此，與陸上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)相比，海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)面臨的環(huán)境更為嚴(yán)峻。此外，安裝海上風(fēng)機(jī)比陸上風(fēng)機(jī)更加困難，并且安裝與維護(hù)成本也更高，據(jù)統(tǒng)計(jì)海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)施的成本占風(fēng)機(jī)總投資的34%[5]。因此，安全經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)也是海上風(fēng)機(jī)能夠正常長久運(yùn)行的可靠保障，而基礎(chǔ)設(shè)計(jì)已成為海上風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一[6-7]。吸力式桶形基礎(chǔ)由于其安裝簡單和可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)，在海洋平臺(tái)基礎(chǔ)中得到了廣泛應(yīng)用，并逐步應(yīng)用于海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)中。但由于海上風(fēng)機(jī)與海洋平臺(tái)在海洋環(huán)境中的荷載工況有一定的差別，仍需要通過對(duì)其承載特性研究現(xiàn)狀進(jìn)行全面認(rèn)識(shí)，以實(shí)現(xiàn)吸力式桶形基礎(chǔ)在海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)中的可靠應(yīng)用。本文通過總結(jié)和評(píng)價(jià)國內(nèi)外關(guān)于吸力式桶形基礎(chǔ)的現(xiàn)有研究，綜述了吸力式桶形基礎(chǔ)在不同土體條件以及荷載條件下的承載特性研究現(xiàn)狀，討論目前應(yīng)用于海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的吸力式桶形基礎(chǔ)的技術(shù)難點(diǎn)和仍缺乏的研究，為海上風(fēng)機(jī)吸力式桶形基礎(chǔ)的可靠應(yīng)用及后續(xù)研究提供重要參考。

1 海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)分類

1.1 海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)分類

海上風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主要有6 種基本類型，其中包括重力式基礎(chǔ)、單樁基礎(chǔ)、三腳架基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)、吸力式桶形基礎(chǔ)以及組成浮式海上風(fēng)機(jī)錨泊系統(tǒng)的各類錨固式基礎(chǔ)。Malhotra[8]給出了不同類型的基礎(chǔ)隨水深的應(yīng)用圖示，見圖2。其中，重力式基礎(chǔ)（圖2(a)）適用于水深小于20 m 的環(huán)境；單樁基礎(chǔ)（圖2(b)，(c)）的應(yīng)用深度為5～25 m；三腳架基礎(chǔ)（圖2(d)）可以安裝在15～40 m 的水深中；導(dǎo)管架基礎(chǔ)（圖2(e)）的安裝水深為20～50 m；浮式風(fēng)機(jī)錨泊系統(tǒng)（圖2(f)，(g)）可以滿足海上風(fēng)機(jī)在大于50 m 的水深中正常工作的要求，該類基礎(chǔ)雖然能夠在深海水域?yàn)轱L(fēng)機(jī)提供支撐，但是目前技術(shù)尚未成熟，仍在試驗(yàn)研究階段[9]。

圖2 海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)隨水深變化的典型應(yīng)用

重力式基礎(chǔ)通過風(fēng)機(jī)自身的重力抵抗傾覆荷載。這類基礎(chǔ)通常在下層海床中難以安裝單樁基礎(chǔ)時(shí)使用。當(dāng)環(huán)境荷載相對(duì)較小且靜載較大，或者當(dāng)能夠以合理的成本提供額外的壓載時(shí)，重力式基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)效益較高[8]。而且重力式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便。在安裝重力式基礎(chǔ)時(shí)離岸工作較少，無需打樁，對(duì)環(huán)境的影響較小。但是在大多數(shù)情況下，重力式基礎(chǔ)在安裝前需要對(duì)海床表層進(jìn)行地基處理，并且其在使用的過程中需要考慮沖刷對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響[9]。

單樁基礎(chǔ)是一種外形簡單的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)。單樁基礎(chǔ)通常為大直徑鋼管樁，由大型沖擊錘或振動(dòng)錘打入海床，或者通過灌漿安裝。沉樁后，在樁頂固定過渡段，然后將風(fēng)機(jī)塔筒安裝其上[10]。當(dāng)單樁基礎(chǔ)安裝在較深的海上區(qū)域時(shí)，會(huì)出現(xiàn)撓度過大的問題，給基礎(chǔ)的穩(wěn)定性帶來隱患，這個(gè)問題可以通過使用拉索（圖2(c)）解決[8]。單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)簡單、易于運(yùn)輸和安裝。所以，目前單樁基礎(chǔ)仍是海上風(fēng)機(jī)中最常用的一種基礎(chǔ)。其不足之處在于基礎(chǔ)對(duì)海床的要求較高，并且安裝時(shí)需要進(jìn)行打樁[9]。作用在單樁基礎(chǔ)上的豎向載荷通過表面摩擦和端阻力傳遞到土體中，作用在基礎(chǔ)上的橫向載荷會(huì)使基礎(chǔ)產(chǎn)生彎曲變形后傳遞到土體中。因此單樁基礎(chǔ)需要足夠的剛度以抵抗水平向荷載，從而保證足夠的穩(wěn)定性以維持上部風(fēng)機(jī)正常工作。這對(duì)單樁的直徑提出了更大的要求。目前海上風(fēng)機(jī)的單樁基礎(chǔ)通常長30～40 m，直徑3.5～6 m[11]。然而，過大的直徑除了會(huì)在制造過程中帶來困難外，也會(huì)使現(xiàn)有單樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)采用的規(guī)范出現(xiàn)局限性，使單樁基礎(chǔ)在水深較深海域的應(yīng)用受到限制[12]，因此需要深入研究大直徑單樁的力學(xué)特性并發(fā)展其設(shè)計(jì)方法。

三腳架基礎(chǔ)的下部由細(xì)長三腳架構(gòu)成，該三腳架構(gòu)件可采用垂直或傾斜管，通過連接部分連接至中心樁，進(jìn)而通過中心樁固定在海床上，為風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)提供基本支撐。三腳架基礎(chǔ)的支撐框架和中心樁一般在陸上建造并通過駁船運(yùn)輸?shù)桨惭b現(xiàn)場(chǎng)[8]。該基礎(chǔ)與單樁基礎(chǔ)類似，二者之間的區(qū)別在于荷載傳遞到海床的方式不同。三腳架基礎(chǔ)所受到載荷可通過鋼樁從主接頭向下以軸向荷載的方式傳遞到海底，使得在滿足同等承載條件下，三腳架基礎(chǔ)比單樁基礎(chǔ)更輕，在土中的安裝深度更淺。此外，三腳架基礎(chǔ)底座結(jié)構(gòu)較大，具有更大的抗傾覆能力；其底座剛度更大，從而提高了基礎(chǔ)的整體剛度；安裝時(shí)無需任何海底準(zhǔn)備。由于基座由相對(duì)細(xì)長的梁組成，因此允許水流相對(duì)無阻礙地穿過結(jié)構(gòu)，從而減小水流對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。但是三腳架的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且制作成本較高，不同構(gòu)件之間的接頭處容易發(fā)生疲勞，這對(duì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求，三腳架基礎(chǔ)的安裝也比單樁基礎(chǔ)更加復(fù)雜。此外，由于其結(jié)構(gòu)體積較大，海上運(yùn)輸過程也極具挑戰(zhàn)性[12]。

導(dǎo)管架基礎(chǔ)屬于“網(wǎng)格的三角架式基礎(chǔ)”，組成基礎(chǔ)的樁之間用撐桿相互連接，樁腿在海底處安裝有軸套，樁通過軸套插到海底一定深度，導(dǎo)管架基礎(chǔ)受到的荷載由打入地基的樁承擔(dān)，從而使整個(gè)結(jié)構(gòu)獲得足夠的穩(wěn)定性。導(dǎo)管架基礎(chǔ)強(qiáng)度高、底座大，可以提供更大的承載力及抗傾覆能力。與三腳架基礎(chǔ)類似，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的空間框架結(jié)構(gòu)允許水流穿過，減小了水流對(duì)結(jié)構(gòu)的作用。但是導(dǎo)管架基礎(chǔ)制造成本較高，制作時(shí)需要大量的鋼材；基礎(chǔ)安裝時(shí)受天氣的影響較嚴(yán)重；基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，每個(gè)接頭需經(jīng)過特殊制造，需要大量工時(shí)完成焊接，而且連接點(diǎn)會(huì)存在應(yīng)力集中以及腐蝕現(xiàn)象；此外，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)由于體積較大，其運(yùn)輸也成為一個(gè)難題[9，12-13]。

在選擇海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)時(shí)，基礎(chǔ)的成本是一個(gè)非常重要的考慮因素。在傳統(tǒng)的海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)中，重力式基礎(chǔ)和單樁基礎(chǔ)適用于水深較小的海域，當(dāng)海上風(fēng)場(chǎng)向水深較深的區(qū)域擴(kuò)展時(shí)，這兩種基礎(chǔ)的制造成本會(huì)大大增加。而三腳架和導(dǎo)管架基礎(chǔ)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、鋼材用量大，除了成本較高以外，還存在焊接節(jié)點(diǎn)多、結(jié)構(gòu)疲勞等嚴(yán)重問題。未來，隨著海上風(fēng)電場(chǎng)向深海領(lǐng)域的發(fā)展，傳統(tǒng)的固定式基礎(chǔ)將面臨經(jīng)濟(jì)和安全的雙重嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

吸力式桶形基礎(chǔ)是近年來從深?；A(chǔ)中逐漸發(fā)展起來的一種新型的海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，該基礎(chǔ)是一種大型圓柱狀鋼制或混凝土薄壁結(jié)構(gòu)，頂部封閉并設(shè)有排水抽氣口，底部開口。與其他傳統(tǒng)海洋基礎(chǔ)相比，吸力式桶形基礎(chǔ)具有安裝方便、無噪音污染、抗傾覆承載力強(qiáng)、節(jié)省鋼材并可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)。預(yù)計(jì)該類基礎(chǔ)將成為未來海上風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)形式之一。研究表明，吸力式桶形基礎(chǔ)在施工期間易于運(yùn)輸和安裝，可節(jié)省總成本的30%[7]。吸力式桶形基礎(chǔ)海上風(fēng)機(jī)示意圖[14]如圖3 所示。

圖3 吸力式桶形基礎(chǔ)海上風(fēng)機(jī)示意圖

1.2 海上風(fēng)機(jī)吸力式桶形基礎(chǔ)應(yīng)用現(xiàn)狀

吸力式桶形基礎(chǔ)是由帶頂蓋的圓柱形鋼板組成的，海上風(fēng)機(jī)吸力式桶形基礎(chǔ)長徑比（L/D，其中L是桶長，D是桶體直徑）一般在0.5～1 之間，通常小于吸力錨的長徑比（最大為6）。目前有兩種類型的桶形基礎(chǔ)海上風(fēng)機(jī)（見圖4[15]），一種是單桶基礎(chǔ)（見圖4(a)）海上風(fēng)機(jī)，另一種為多桶基礎(chǔ)（見圖4(b)）海上風(fēng)機(jī)。單桶基礎(chǔ)的直徑通常為20～25 m，而多桶基礎(chǔ)的直徑為6～8 m。多桶基礎(chǔ)主要通過承載一定的拉力或者壓力來保持穩(wěn)定，涉及到力的傳遞；而單桶基礎(chǔ)則直接受到自身或來自環(huán)境的水平和豎向荷載，對(duì)其研究分析更具有代表性[15]，因此本文主要分析涉及單桶基礎(chǔ)的現(xiàn)有研究。

圖4 單桶基礎(chǔ)式海上風(fēng)機(jī)與多桶基礎(chǔ)式海上風(fēng)機(jī)示意圖

吸力式桶形基礎(chǔ)平均安裝時(shí)間約為6 h，整個(gè)安裝過程分為兩步。首先，吸力式桶形基礎(chǔ)靠自重和上部結(jié)構(gòu)的重量插入海底一定深度，并且形成有效密封，之后再通過桶頂部預(yù)留的排水口抽出桶中的空氣和水以形成負(fù)壓，從而利用桶內(nèi)外的壓力差把基礎(chǔ)驅(qū)入海底地層中的設(shè)計(jì)深度[16]。

吸力式桶形基礎(chǔ)安裝簡單，無需進(jìn)行打樁，也無需進(jìn)行海床處理，因此安裝較快，并且安裝噪音較低，可以較好地降低施工和安裝成本。吸力式桶形基礎(chǔ)在使用結(jié)束時(shí)可以通過安裝逆過程拔出，再運(yùn)輸?shù)狡渌麍?chǎng)地進(jìn)行再次使用，從而可以實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)的重復(fù)利用，節(jié)省資源。此外，吸力式桶形基礎(chǔ)中所用到的鋼材少于傳統(tǒng)單樁基礎(chǔ)，并且桶形基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)簡單，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)[17-18]。

2002 年，丹麥Fredefikshaven 的風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)首次使用直徑12 m、高6 m 的吸力式桶形基礎(chǔ)。此外，丹麥于2009 年在Horns Rev 2 風(fēng)電場(chǎng)中成功安裝了吸力式桶形海上測(cè)風(fēng)塔，桶形基礎(chǔ)的直徑為12 m、長6 m[18]。2013 年2 月，兩臺(tái)吸力式沉箱基礎(chǔ)的海上測(cè)風(fēng)塔安裝在英國Dogger Bank 水深為25 m 的海床上。2014 年8 月，DONG Energy 成功地在Borkum Riffgrund 1 離岸風(fēng)場(chǎng)水深25 m 處安裝了三腳架吸力式沉箱基礎(chǔ)海上風(fēng)機(jī)[19]。2018 年4 月，德國第一個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)Borkum Riffgrund 2 中的8 MW 吸力式桶形基礎(chǔ)的海上風(fēng)機(jī)全部安裝完畢，計(jì)劃于2019年投入運(yùn)行。2018 年10 月，瑞典Vattenfall 能源公司宣布將在蘇格蘭海岸阿伯丁灣（Aberdeen Bay）正式開通運(yùn)營裝機(jī)容量為93.2 MW 的阿伯丁灣海上風(fēng)電場(chǎng)。該項(xiàng)目包括兩臺(tái)MHI Vestas V164 8.8 MW海上風(fēng)機(jī)和其他9 臺(tái)8.4 MW 海上風(fēng)機(jī)，這些海上風(fēng)機(jī)由多桶式基礎(chǔ)支撐。2010 年6 月，中國道達(dá)海上風(fēng)電研究院采用復(fù)合桶形基礎(chǔ)海上測(cè)風(fēng)塔成功地進(jìn)行了海上的安裝作業(yè)。2016 年12 月，一步式風(fēng)機(jī)安裝船“道達(dá)號(hào)”裝載世界首臺(tái)海上風(fēng)機(jī)復(fù)合桶形基礎(chǔ)及塔筒完成了各項(xiàng)實(shí)測(cè)檢測(cè)，于2017 年1月在三峽新能源響水海上風(fēng)電場(chǎng)順利安裝到位。

在來自波浪、水流和冰等的水動(dòng)力荷載的作用下，風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的響應(yīng)與風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行和基礎(chǔ)的承載密切相關(guān)，因此風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)是海上風(fēng)能研究與開發(fā)的一大關(guān)鍵力學(xué)問題[13]。與傳統(tǒng)的吸力式海洋平臺(tái)相比，吸力式桶形基礎(chǔ)海上風(fēng)機(jī)受到的水平荷載較大，這些水平荷載主要是由風(fēng)、波浪和冰引起的，基礎(chǔ)受到的豎向荷載較小，其主要來源于結(jié)構(gòu)的自重[20]。在極端條件下，吸力式桶形基礎(chǔ)受到的水平載荷會(huì)達(dá)到所受豎向載荷的約60%[15]。因此，低豎向荷載與高水平和彎矩荷載是吸力式桶形基礎(chǔ)海上風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)中的重要考慮因素[21]。當(dāng)基礎(chǔ)受到外界荷載時(shí)，會(huì)發(fā)生沉降和轉(zhuǎn)動(dòng)，從而影響上部風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的正常工作，因此對(duì)其承載力進(jìn)行研究對(duì)確定基礎(chǔ)的穩(wěn)定性至關(guān)重要[22]。目前，研究人員通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬，對(duì)砂土和黏土中桶形基礎(chǔ)在單調(diào)荷載和循環(huán)荷載作用下的承載力等問題進(jìn)行了研究。

當(dāng)基礎(chǔ)所受到的最大荷載超過地基的極限承載力時(shí)會(huì)引起地基破壞，因此研究吸力式桶形基礎(chǔ)的承載力和失效機(jī)理對(duì)優(yōu)化桶形基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)算方法至關(guān)重要，其研究成果可以應(yīng)用到工程實(shí)踐中[13-14]。研究人員進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、離心試驗(yàn)及數(shù)值模擬，以研究吸力式桶形基礎(chǔ)在水平或豎向靜荷載以及循環(huán)荷載下的承載力及行為特征及其影響因素。研究表明，不同條件下桶形基礎(chǔ)的承載力受到多種因素的影響，包括基礎(chǔ)的長徑比、荷載幅值、加載頻率、土體性質(zhì)、基礎(chǔ)的安裝方式等[23-42]。

2 海上風(fēng)機(jī)吸力式桶形基礎(chǔ)研究現(xiàn)狀

目前針對(duì)海上風(fēng)機(jī)吸力式桶形基礎(chǔ)的研究多為關(guān)于基礎(chǔ)的承載力分析，主要涉及土體與結(jié)構(gòu)物相互作用問題。所采用的研究方法主要有理論分析、數(shù)值模擬以及試驗(yàn)。目前在對(duì)桶形基礎(chǔ)承載力研究的理論分析法中，用到最多的是極限平衡法和極限分析法。極限平衡法作為一種用來近似求解土力學(xué)穩(wěn)定問題的傳統(tǒng)方法，具有模型簡單、公式便捷、易于理解等優(yōu)點(diǎn)，因此極限平衡法在實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，極限平衡法無法得到所假設(shè)的破壞面兩側(cè)的任意位置的應(yīng)力分布。而且根據(jù)極限分析的理論可知，通過極限平衡方法所得到的承載力既不是上限解也不是下限解，無法給出真實(shí)解的范圍，因此學(xué)者們發(fā)展了具有嚴(yán)密理論基礎(chǔ)的極限分析方法來對(duì)桶形基礎(chǔ)的極限承載力進(jìn)行分析。對(duì)吸力式桶形基礎(chǔ)進(jìn)行的試驗(yàn)主要包括離心試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)較為方便，但是需要投入相當(dāng)大的費(fèi)用和時(shí)間[23-24，43]。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)較為經(jīng)濟(jì)，并且容易更改試驗(yàn)參數(shù)，如土體的性質(zhì)和基礎(chǔ)的尺寸等，但是通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過處理還原之后才能應(yīng)用到實(shí)際工程當(dāng)中[25-31]。在小規(guī)模試驗(yàn)中，離心機(jī)試驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)模型基礎(chǔ)與原型基礎(chǔ)相應(yīng)點(diǎn)上的有效自重應(yīng)力相同，使原型的特性可以在小尺寸模型中再現(xiàn)。并且重復(fù)試驗(yàn)可以降低試驗(yàn)成本，這也是國內(nèi)外大量開展離心機(jī)試驗(yàn)研究的原因[44-45]。但是由于試驗(yàn)所能研究的問題范圍較為有限且成本較高，許多學(xué)者通過ABAQUS、Z_SOIL[19]、PLAXIS[46]、FLAC[47]等軟件使用有限元方法對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行更廣泛而全面的研究。本文將對(duì)海上風(fēng)機(jī)吸力式桶形基礎(chǔ)的靜承載力、循環(huán)荷載響應(yīng)等相關(guān)問題展開討論，對(duì)已有的關(guān)于試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究進(jìn)行介紹與分析。

2.1 海上風(fēng)機(jī)吸力式桶形基礎(chǔ)靜荷載承載力研究

對(duì)海上風(fēng)機(jī)吸力式桶形基礎(chǔ)的靜荷載承載力研究主要包括基礎(chǔ)的豎向靜承載力和水平靜承載力。

海上風(fēng)機(jī)吸力式桶形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受到的豎向荷載主要來源于結(jié)構(gòu)的自重，與其他桶形基礎(chǔ)式海洋平臺(tái)相比，吸力式桶形基礎(chǔ)式海上風(fēng)機(jī)自重較小，因此基礎(chǔ)受到的豎向荷載相對(duì)于其他桶形基礎(chǔ)式海洋平臺(tái)而言也較小。豎向荷載下桶形基礎(chǔ)的研究背景可概括為以下兩點(diǎn)：第一，在設(shè)計(jì)多桶聯(lián)合基礎(chǔ)時(shí)，將上部結(jié)構(gòu)受到的水平荷載和彎矩有效地傳遞到基礎(chǔ)中是一個(gè)重要的考慮因素，通過改變下部多桶基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)連接構(gòu)件的剛度，來自上部結(jié)構(gòu)的荷載會(huì)被均勻地傳遞到多桶基礎(chǔ)上，部分桶形基礎(chǔ)承受壓力，部分桶形基礎(chǔ)承受張力，從而與上部結(jié)構(gòu)受到的自重與水平方向荷載平衡[26]；第二，桶形基礎(chǔ)在安裝和拔出的過程中會(huì)受到較大的豎向荷載，同時(shí)上部風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)受到的水平荷載會(huì)導(dǎo)致基礎(chǔ)受到大的力矩的影響，此時(shí)需要通過基礎(chǔ)上部土壓力和基礎(chǔ)的豎向承載能力來確保整個(gè)吸力式桶形基礎(chǔ)海上風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定性[28]。因此，研究桶形基礎(chǔ)的豎向承載力對(duì)基礎(chǔ)的正常工作和穩(wěn)定性具有重要意義。此外，在豎向循環(huán)荷載作用下的桶形基礎(chǔ)的研究中，通過試驗(yàn)先得到基礎(chǔ)在豎向靜荷載作用下的承載力，取豎向靜荷載的80%作為豎向循環(huán)荷載加載值[26]。目前已有的關(guān)于桶形基礎(chǔ)的豎向靜承載力及其影響因素的研究中，研究人員通過試驗(yàn)或者數(shù)值模擬得到桶形基礎(chǔ)的荷載-位移曲線、荷載-孔隙水壓力曲線以及土體的破壞模式，并對(duì)得到的結(jié)果進(jìn)行分析討論。通過研究可以發(fā)現(xiàn)，桶形基礎(chǔ)的靜承載力主要受到基礎(chǔ)的長徑比、基礎(chǔ)的安裝方式和土體的性質(zhì)的影響[28，36-39]。

2.1.1 豎向靜承載研究 研究人員對(duì)桶形基礎(chǔ)的豎向承載力進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)研究[26，40，48-49]。Liu 等[40]、孫大鵬等[48]對(duì)海上風(fēng)機(jī)吸力式桶形基礎(chǔ)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，探索了桶形基礎(chǔ)與軟土地基的相互作用機(jī)理，并且研究了桶形基礎(chǔ)在豎向荷載作用下的軟土地基承載力情況，從而確定桶形基礎(chǔ)地基的破壞模式。通過對(duì)土體的變形分析可知，當(dāng)桶形基礎(chǔ)受到豎向荷載作用時(shí)，由基礎(chǔ)桶裙內(nèi)部的土體與基礎(chǔ)一起承受載荷作用，裙底部附近的土體發(fā)生塑性變形。當(dāng)桶形基礎(chǔ)所受的豎向荷載大于地基的極限承載力時(shí)，桶形基礎(chǔ)下的地基土發(fā)生整體剪切破壞。Vaitkun 等[26]通過試驗(yàn)求得砂土中海上風(fēng)機(jī)吸力式桶形基礎(chǔ)的豎向靜承載力，得到的結(jié)果作為循環(huán)試驗(yàn)中施加的循環(huán)荷載的幅值選區(qū)的參考依據(jù)。為了深入探討吸力式桶形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與地基的復(fù)雜相互作用和基礎(chǔ)的承載力及其影響因素，有限元等數(shù)值分析方法得到了廣泛應(yīng)用。Park 等[42]基于遵循非關(guān)聯(lián)流動(dòng)準(zhǔn)則的摩爾-庫倫模型研究了砂土中桶形基礎(chǔ)的豎向荷載傳遞機(jī)理，通過軸對(duì)稱有限元分析法計(jì)算了砂土中桶形基礎(chǔ)的桶壁摩擦力和基礎(chǔ)承載力，并且提出了二者的計(jì)算公式。Hung 和Kim[38]根據(jù)三維有限元數(shù)值模擬結(jié)果提出了黏土中桶形基礎(chǔ)的豎向承載力的計(jì)算公式：

式中：NcV為基礎(chǔ)的豎向承載力系數(shù)；V0為基礎(chǔ)的豎向承載力；A為桶形基礎(chǔ)的橫截面積；su0為桶頂部以下D/4 處土體的不排水抗剪強(qiáng)度；sum為地表不排水抗剪強(qiáng)度；k為土體不排水抗剪強(qiáng)度隨深度增加的比率。

徐赟[49]根據(jù)三維有限元數(shù)值模擬結(jié)果給出了桶形基礎(chǔ)的豎向承載力計(jì)算公式：

式中：dcV為豎向埋深修正系數(shù)。

武科[50]提出，單桶基礎(chǔ)的豎向承載力計(jì)算公式可以表示為：

式中：NcV=2+π，為不排水土體的承載力系數(shù)；

Hung 和Kim[38]，Vulpe[51]等研究了黏土的非均勻性對(duì)桶形基礎(chǔ)豎向承載力的影響，主要是通過試驗(yàn)和有限元方法研究不排水條件下土體強(qiáng)度對(duì)桶形基礎(chǔ)的豎向承載力的影響。結(jié)果顯示，黏土的非均勻性會(huì)影響桶形基礎(chǔ)的豎向承載力，桶形基礎(chǔ)的豎向承載力隨著黏土的非均質(zhì)性的增加而下降。Hung和Kim[38]給出了桶形基礎(chǔ)的豎向承載力系數(shù)NcV（V0/Asuo）隨土體不均勻系數(shù)kD/sum的變化曲線。Vulpe[51]通過數(shù)值模擬給出了桶裙基礎(chǔ)在土體不排水抗剪強(qiáng)度（su=sum+kz，其中k取0，6，20，60，100）不同的土體中的豎向承載力系數(shù)NcV。

Hung 和Kim[38]，Vulpe[51]，Mehravar 等[39]，Barari 等

[28]研究了桶形基礎(chǔ)的長徑比對(duì)桶形基礎(chǔ)承載力的影響。其中，Hung 和Kim[38]，Vulpe[51]和Mehravar 等[39]對(duì)黏土中的桶形基礎(chǔ)進(jìn)行了數(shù)值模擬，Barari 等[28]在砂土中進(jìn)行了一系列試驗(yàn)和數(shù)值模擬，以估算砂土中桶形基礎(chǔ)的豎向承載力。不同長徑比的桶形基礎(chǔ)的無量綱化豎向荷載-位移曲線如圖5 所示。研究結(jié)果顯示在砂土和黏土中得到的結(jié)論是一致的，桶形基礎(chǔ)的豎向承載力隨著基礎(chǔ)長徑比的增加而增加，由于桶形基礎(chǔ)在豎向荷載作用下的失效機(jī)理會(huì)隨著長徑比的增加逐漸發(fā)生變化，基礎(chǔ)的豎向承載能力的增加為非線性。Mehravar 等[39]根據(jù)有限元結(jié)果給出了豎向承載力系數(shù)的計(jì)算方法，并與已有的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖6 所示。在研究中，Vulpe[51]計(jì)算的桶形基礎(chǔ)長徑比的取值范圍為0～0.5，Mehravar 等

[39]及Barari 等[28]計(jì)算的桶形基礎(chǔ)長徑比的取值范圍為0～1。目前在已有的關(guān)于桶形基礎(chǔ)長徑比對(duì)基礎(chǔ)承載力的影響的研究中，基礎(chǔ)長徑比的取值范圍大都在0～1 之間。考慮到未來對(duì)更高承載的桶形基礎(chǔ)的要求，仍有必要對(duì)長徑比大于1 的桶形基礎(chǔ)進(jìn)行試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，并提出相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式。目前已有的研究中給出的黏土中桶形基礎(chǔ)的豎向承載力系數(shù)差別較大，尚未得到統(tǒng)一的結(jié)果，仍需要對(duì)不同參數(shù)條件下桶形基礎(chǔ)的承載力系數(shù)進(jìn)行深入研究。

圖5 不同長徑比桶形基礎(chǔ)的無量綱化豎向位移-荷載曲線[38]

圖6 不同豎向承載力系數(shù)計(jì)算結(jié)果之間的對(duì)比[39]

Vulpe[51]研究了基礎(chǔ)與土體之間的接觸對(duì)桶形基礎(chǔ)承載力的影響，模擬了土桶之間存在摩擦與土桶之間光滑無摩擦這兩種情況，得到了在這兩種情況下桶形基礎(chǔ)的豎向承載力系數(shù)。Park 等[52]通過軸對(duì)稱有限元方法分析計(jì)算了安裝在砂土上覆黏土的復(fù)合土體中的桶形基礎(chǔ)的豎向承載力，并根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果提出了基于回歸分析的豎向承載力預(yù)測(cè)方程。Zou 等[53]同樣研究了砂土上覆黏土的復(fù)合土體中基礎(chǔ)的承載力。二者的區(qū)別在于前者的桶形基礎(chǔ)安裝在砂土層中，而后者桶形基礎(chǔ)則深入到黏土中，研究上層砂土的厚度對(duì)桶形基礎(chǔ)豎向承載力的影響。

2.1.2 水平靜承載研究 采用桶形基礎(chǔ)的海上風(fēng)機(jī)在正常的工作條件下受到的水平荷載主要是由風(fēng)、浪等引起的，這些荷載會(huì)對(duì)桶形基礎(chǔ)的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，使基礎(chǔ)平移或者轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)基礎(chǔ)的位移達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)失去穩(wěn)定，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)無法正常工作。因此研究在水平靜荷載作用下桶形基礎(chǔ)的承載力問題可以為海上風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考，從而保證海上風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行。研究人員研究了砂土和黏土中桶形基礎(chǔ)在水平靜荷載作用下的承載機(jī)理及相關(guān)問題，對(duì)桶形基礎(chǔ)的水平承載力及其影響因素進(jìn)行了試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，其中影響因素包括基礎(chǔ)的長徑比、土體的性質(zhì)（如土體的固結(jié)程度、土體密度及土體的排水情況等）和豎向靜荷載[16，25，33]。

孫大鵬等[48]、魏世好等[54]通過模型試驗(yàn)探索了桶形基礎(chǔ)與軟土地基相互作用機(jī)理，研究了桶形基礎(chǔ)在水平荷載作用下的軟土地基承載力情況，確定桶形基礎(chǔ)地基的破壞模式?；A(chǔ)在受到水平荷載作用時(shí)會(huì)發(fā)生平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，而這兩種運(yùn)動(dòng)形式最終會(huì)導(dǎo)致地基的破壞。桶內(nèi)壁前側(cè)和后側(cè)土壓力隨著水平荷載的增加而變化并不顯著，只在桶體底部才有所改變。桶外壁前側(cè)土壓力在接近桶底之前隨著水平荷載的增加而增大，然而在接近桶底部時(shí)，由于土壓力從被動(dòng)土壓力轉(zhuǎn)為主動(dòng)土壓力，導(dǎo)致土壓力先減小后增大。當(dāng)水平荷載增大到一定程度時(shí)，桶體外壁與地基土接觸區(qū)域產(chǎn)生裂縫，從而造成桶外壁外側(cè)土壓力降低；而在接近旋轉(zhuǎn)中心處以下，土壓力隨著水平荷載的增加而增大[48，54]。

在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，不少學(xué)者對(duì)桶形基礎(chǔ)在水平方向的承載力進(jìn)行了研究[55-57]。施曉春等[55]在模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，考慮土壓力的位移效應(yīng)，提出了一種計(jì)算桶形基礎(chǔ)水平承載力的近似方法。計(jì)算結(jié)果表明，該方法計(jì)算所得到的桶形基礎(chǔ)水平承載力與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。Sukumaran 等[56]采用有限元分析方法求解軟黏土中吸力式桶形基礎(chǔ)在不排水條件下的承載力。基于實(shí)際破壞模式的三維特性，采用加密的三維的模型進(jìn)行分析，并提出用準(zhǔn)三維的傅里葉分析代替真三維分析，從而改善計(jì)算效率，二者結(jié)果符合很好，該有限元方法己由經(jīng)典的極限解證實(shí)。Wang 等[57]通過極限平衡法建立偏心水平承載力公式，在偏心水平承載力計(jì)算的有限元分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，建立了水平荷載和彎矩荷載作用下單桶基礎(chǔ)偏心水平荷載計(jì)算方法。Zhang 等[58]提出了一種基于上限理論的海上平臺(tái)吸力式桶形基礎(chǔ)穩(wěn)定性的三維極限方法。范慶來等[59]針對(duì)橫觀各向同性軟基上深埋式大圓筒結(jié)構(gòu)的水平承載力，提出了一種改進(jìn)的極限分析上限解法。Hung&Kim[38]根據(jù)模擬結(jié)果提出了黏土中桶形基礎(chǔ)的水平承載力的計(jì)算公式：

式中：H0為基礎(chǔ)的水平承載力；A為桶形基礎(chǔ)的橫截面積；L為桶形基礎(chǔ)的長度；D為桶形基礎(chǔ)的直徑；su0為桶頂部以下D/4 處土體的不排水抗剪強(qiáng)度；sum為地表不排水抗剪強(qiáng)度；k為土體不排水抗剪強(qiáng)度隨深度增加的比率。其中，NcH是基礎(chǔ)的水平承載力系數(shù)。

徐赟[49]根據(jù)三維有限元數(shù)值模擬結(jié)果，也給出了桶形基礎(chǔ)的水平承載力計(jì)算公式：

式中：參數(shù)的意義與式(6)～式(7)中相同。

武科[50]提出單桶基礎(chǔ)的水平極限承載力經(jīng)驗(yàn)公式可以表示為：

式中：參數(shù)的意義與式(6)～式(7)中相同。

桶形基礎(chǔ)水平方向的承載力受到許多因素的影響，目前已對(duì)不同的因素展開研究。Mehravar 等，Hung 等通過試驗(yàn)和三維有限元方法對(duì)桶形基礎(chǔ)長徑比對(duì)水平承載力的影響進(jìn)行了研究[38-39，60]。通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬得到桶形基礎(chǔ)的荷載-位移曲線并對(duì)其進(jìn)行分析，結(jié)果表明，與豎向承載力相似，桶形基礎(chǔ)的水平承載力會(huì)隨著基礎(chǔ)長徑比的增加而逐漸增加。單桶基礎(chǔ)的水平承載力系數(shù)目前有兩種計(jì)算方式，一種為NcH=H/(Asu)，另一種表達(dá)式為NcH=H/(LDsu)。其中，H為基礎(chǔ)的水平承載力；A為桶形基礎(chǔ)截面面積；L為基礎(chǔ)長度；D為基礎(chǔ)直徑；su為土體不排水抗剪強(qiáng)度。Mehravar 等[39]給出了不同長徑比的桶形基礎(chǔ)的荷載-位移曲線（見圖7[38]）和水平承載力系數(shù)與桶形基礎(chǔ)長徑比之間的關(guān)系（見圖8[39]），并根據(jù)有限元結(jié)果給出了水平承載力系數(shù)計(jì)算公式且與已有的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。Lee 等[60]通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，桶形基礎(chǔ)的破壞模式會(huì)隨著基礎(chǔ)長徑比的變化而變化。長徑比為1 的桶形基礎(chǔ)在發(fā)生破壞時(shí)，基礎(chǔ)在水平靜荷載的作用下會(huì)產(chǎn)生水平移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)兩種位移，基礎(chǔ)前側(cè)的土體變形較大。而長徑比為0.5 的桶形基礎(chǔ)在水平靜荷載的作用下只發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，基礎(chǔ)前側(cè)的土體變形較小。Liu 等[25]通過對(duì)桶形基礎(chǔ)進(jìn)行試驗(yàn)得到了類似的結(jié)論，進(jìn)一步提出寬淺桶形基礎(chǔ)的水平極限承載力的傾角約為3.0°。當(dāng)桶形基礎(chǔ)的長徑比小于0.5 時(shí)，基礎(chǔ)的水平極限承載力對(duì)應(yīng)的傾斜角約為3.0°，轉(zhuǎn)動(dòng)中心位于土體表面下方0.5L的高度處。當(dāng)桶形基礎(chǔ)的長徑比大于0.5 時(shí)，基礎(chǔ)的水平極限承載力對(duì)應(yīng)的傾斜角小于3.0°，轉(zhuǎn)動(dòng)中心位于土體表面下方0.7L的高度處，其中L為基礎(chǔ)長度。目前已有的研究中給出的黏土中桶形基礎(chǔ)的水平承載力系數(shù)也不盡相同，不同研究得到的結(jié)果差別較大，所以仍需要對(duì)不同參數(shù)條件下桶形基礎(chǔ)的承載力系數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步研究。

圖7 不同長徑比桶形基礎(chǔ)的無量綱化水平方向位移-荷載曲線

圖8 不同水平承載力系數(shù)計(jì)算結(jié)果之間的對(duì)比

有學(xué)者對(duì)土體性質(zhì)對(duì)桶形基礎(chǔ)承載力的影響進(jìn)行了研究[38]。Wang 等[61]采用50 g 離心試驗(yàn)研究了土體的固結(jié)程度對(duì)桶形基礎(chǔ)水平承載力的影響，結(jié)果表明土體的固結(jié)程度對(duì)桶形基礎(chǔ)的水平承載力影響顯著，通過試驗(yàn)所得結(jié)果可以看出，重度超固結(jié)土體中桶形基礎(chǔ)的水平承載力明顯大于輕度超固結(jié)土體中桶形基礎(chǔ)的水平承載力。Hung 和Kim[38]研究了黏土的非均勻性對(duì)桶型基礎(chǔ)承載力的影響，通過數(shù)值模擬給出了水平承載力系數(shù)H0/Asu0隨土體不均勻系數(shù)kD/sum的變化曲線，研究發(fā)現(xiàn)黏土的非均勻性對(duì)桶形基礎(chǔ)的水平承載力具有較大影響，桶形基礎(chǔ)的水平承載力隨黏土的非均質(zhì)性的增加而下降。

Choo 等[34]通過70 g 離心試驗(yàn)研究粉砂土的排水條件對(duì)海上風(fēng)機(jī)吸力式桶形基礎(chǔ)水平承載力的影響，通過試驗(yàn)得出在土體塑性區(qū)，不排水條件下基礎(chǔ)的水平承載力大于排水條件下基礎(chǔ)的水平承載力。Liu 等[41]通過三維有限元模型分析豎向荷載對(duì)海上風(fēng)機(jī)吸力式桶形基礎(chǔ)的水平承載力的影響，結(jié)果顯示，在桶形基礎(chǔ)上施加一定的豎向荷載，會(huì)增加基礎(chǔ)的水平承載力，桶形基礎(chǔ)的長徑比越小，增加豎向荷載對(duì)基礎(chǔ)水平承載力的提高越明顯。

2.1.3 復(fù)合荷載承載研究 除了對(duì)桶形基礎(chǔ)在豎向或水平單向荷載作用下的研究，有學(xué)者對(duì)復(fù)合荷載下桶形基礎(chǔ)的承載力問題也進(jìn)行了研究，對(duì)研究得到的豎向荷載、水平荷載和彎矩荷載進(jìn)行無量綱化，分別得到V/Asu，H/Asu和M/ADsu。其中，A為基礎(chǔ)橫截面積；su為土體不排水剪切強(qiáng)度；V為基礎(chǔ)的豎向承載力；H為基礎(chǔ)的水平承載力；M為基礎(chǔ)的彎矩承載力[16，38，51，62-64]。根據(jù)所得結(jié)果給出桶形基礎(chǔ)的破壞包絡(luò)面圖（見圖9[37]）。破壞包絡(luò)面是研究復(fù)合荷載作用下桶形基礎(chǔ)地基極限承載力的一種有效的方法。若荷載組合位于包絡(luò)面外，則基礎(chǔ)發(fā)生破壞；若組合荷載位于包絡(luò)面內(nèi)，則地基處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖9 歸一化V-H 包絡(luò)面

Gourvenec[62]，Hung 和Kim[38]，武科等[63]，Bagheri等[16]，Vulpe[51]，Aubeny[64]通過三維有限元方法研究了不同條件下桶形基礎(chǔ)的破壞包絡(luò)面，為桶形基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考依據(jù)。通過研究表明，桶形基礎(chǔ)在復(fù)合荷載作用下的承載力受到基礎(chǔ)長徑比、土體的固結(jié)程度、砂土的疏密程度、土體的非均勻性以及排水條件的影響。隨著桶形基礎(chǔ)長徑比的增加，基礎(chǔ)的破壞模式逐漸發(fā)生變化，基礎(chǔ)的承載力也呈非線性增加。武科等[65]對(duì)復(fù)合桶形基礎(chǔ)的承載特性進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，計(jì)算了在V-H，V-M，VH-M空間內(nèi)桶形基礎(chǔ)的破壞包絡(luò)面，給出相應(yīng)條件下破壞包絡(luò)面的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，用來評(píng)判實(shí)際荷載作用下桶形基礎(chǔ)的工作狀態(tài)。此外，Zou 等[53]研究了砂土上覆黏土的復(fù)合土體中砂土厚度對(duì)桶形基礎(chǔ)承載力的影響，給出了V-H，V-M，M-H破壞包絡(luò)面及相應(yīng)的表達(dá)式。目前已有的關(guān)于桶形基礎(chǔ)的破壞包絡(luò)面的表達(dá)式只適用于長徑比較小的淺基礎(chǔ)，對(duì)于長徑比較大的適用于深海的桶形基礎(chǔ)的破壞包絡(luò)面的表達(dá)式還有待進(jìn)一步研究。

盡管目前對(duì)桶形基礎(chǔ)的靜承載特性研究較多，但是由于桶形基礎(chǔ)在海上風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用仍較為有限，為了將其可靠地應(yīng)用于海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)中，仍需要采用合理的三維有限元分析方法對(duì)一些問題進(jìn)行深入分析，如長徑比較大的桶形基礎(chǔ)的承載特性，特定水平和豎向荷載組合下的吸力式桶形基礎(chǔ)響應(yīng)，土體應(yīng)變軟化現(xiàn)象對(duì)基礎(chǔ)承載力的影響及基礎(chǔ)安裝效應(yīng)對(duì)桶形基礎(chǔ)承載特性的影響等。作為海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，除了需要滿足地基基礎(chǔ)的強(qiáng)度和穩(wěn)定外，還要確?；A(chǔ)剛度滿足整個(gè)風(fēng)機(jī)-支撐結(jié)構(gòu)-地基系統(tǒng)的頻率響應(yīng)要求，避免系統(tǒng)產(chǎn)生過大振動(dòng)，保證風(fēng)機(jī)正常安全運(yùn)行。常有的擬靜力分析可能難以確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全，需要采用合適的動(dòng)力分析方法進(jìn)行分析[13]。表1 給出了已有的關(guān)于吸力式桶形基礎(chǔ)的研究總結(jié)表。

表1 吸力式桶形基礎(chǔ)研究總結(jié)表

2.2 海上風(fēng)機(jī)吸力式桶形基礎(chǔ)循環(huán)荷載響應(yīng)研究

在海上風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)壽命期間（通常為20～30 a），基礎(chǔ)將受到不同循環(huán)荷載的作用，如水平循環(huán)荷載和豎向循環(huán)荷載。其中水平循環(huán)荷載來自風(fēng)荷載、波浪荷載、流荷載、冰荷載等[27]。當(dāng)海上風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)為多桶基礎(chǔ)時(shí)，來自風(fēng)和波浪等較大的水平荷載轉(zhuǎn)移到每個(gè)基礎(chǔ)上時(shí)會(huì)以豎向循環(huán)荷載的形式出現(xiàn)[26]。在高傾覆力矩和周期性水動(dòng)力荷載的作用下，桶形基礎(chǔ)周圍土體的孔壓累積，可能會(huì)使砂質(zhì)海床發(fā)生液化或使黏土地基發(fā)生軟化，軟化后的海洋軟土地基中桶形的基礎(chǔ)承載力將顯著降低。同時(shí)，由于循環(huán)荷載的作用，地基會(huì)發(fā)生較大的累積變形，從而發(fā)生失穩(wěn)破壞。因此，在設(shè)計(jì)分析中考慮循環(huán)荷載作用下桶形基礎(chǔ)的極限承載力可以為海上風(fēng)機(jī)吸力式桶形基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)提供參考[66]。

目前已有相關(guān)研究通過考慮循環(huán)荷載的特征以及土體的循環(huán)軟化效應(yīng)來評(píng)估水平和豎向循環(huán)荷載下桶形基礎(chǔ)的循環(huán)承載力。研究人員通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬得到基礎(chǔ)在循環(huán)荷載作用下典型的位移時(shí)間歷史曲線、荷載-位移曲線、位移-循環(huán)次數(shù)曲線以及荷載-孔隙水壓力關(guān)系曲線等結(jié)果來研究桶形基礎(chǔ)的循環(huán)承載機(jī)理、基礎(chǔ)的循環(huán)承載力及其影響因素，其中影響因素主要有在基礎(chǔ)上施加的豎向靜荷載、荷載的循環(huán)次數(shù)、基礎(chǔ)的安裝方式以及荷載的施加方式[67-72]。

為了考察循環(huán)荷載作用下飽和黏土的強(qiáng)度弱化對(duì)于重力式基礎(chǔ)承載力的影響，Andersen 等[67-68]提出了軟黏土的循環(huán)強(qiáng)度概念，將在一定循環(huán)次數(shù)下，當(dāng)土單元達(dá)到變形破壞標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，作用在剪切破壞面上的初始靜剪應(yīng)力和動(dòng)剪應(yīng)力之和定義為循環(huán)抗剪強(qiáng)度，并據(jù)此提出了擬靜力極限平衡計(jì)算方法。Yasuhara 等[69]通過應(yīng)力控制式的循環(huán)三軸試驗(yàn)和應(yīng)變控制式的單調(diào)剪切試驗(yàn)，確定循環(huán)荷載作用下黏土的剛度衰退特性密切地依賴于單幅軸向應(yīng)變或剪應(yīng)變，與采用超靜孔隙水壓力作為評(píng)價(jià)參數(shù)相比，選擇剪應(yīng)變作為評(píng)價(jià)循環(huán)荷載作用下剛度衰減特性的參數(shù)更為合適。

2.2.1 豎向循環(huán)荷載響應(yīng)研究 劉振紋[70]、李馳[71]通過土工試驗(yàn)探討了軟黏土循環(huán)強(qiáng)度的變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，把有限元方法和土動(dòng)力試驗(yàn)得到的循環(huán)強(qiáng)度相結(jié)合，提出了擬靜力Mises 彈塑性模型，建立了評(píng)價(jià)桶形基礎(chǔ)地基循環(huán)承載力方法。Wu 等[72]提出了一種計(jì)算吸力式桶形基礎(chǔ)豎向循環(huán)承載力的三維準(zhǔn)靜態(tài)有限元方法。Cheng 等[73]提出一種新的本構(gòu)模型來模擬靜荷載和循環(huán)荷載作用下黏土的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)，通過三維有限元方法研究了在豎向循環(huán)荷載作用下吸力式沉箱基礎(chǔ)的位移隨時(shí)間的變化過程，并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。與極限平衡法和準(zhǔn)靜態(tài)方法相比，該方法不僅可以確定循環(huán)荷載的承載力大小，而且還可以分析軟黏土循環(huán)荷載作用下的吸力式沉箱變形過程和破壞機(jī)理，更適合計(jì)算復(fù)雜邊界條件下的三維問題。

目前已有研究對(duì)豎向循環(huán)荷載的幅值與豎向循環(huán)承載力之間的關(guān)系進(jìn)行探討。Villalobos 等[27]通過試驗(yàn)研究了循環(huán)荷載幅值對(duì)黏土中桶形基礎(chǔ)的豎向循環(huán)承載力的影響，結(jié)果表明，若平均豎向循環(huán)荷載等于最大安裝荷載，基礎(chǔ)會(huì)發(fā)生永久沉降；若平均豎向循環(huán)荷載等于0，盡管當(dāng)基礎(chǔ)受壓時(shí)會(huì)發(fā)生暫時(shí)性的沉降，但是最終會(huì)發(fā)生永久隆起。Wang 和Yang[74]在自制軟土地基中對(duì)吸力式桶形基礎(chǔ)進(jìn)行了豎向循環(huán)加載試驗(yàn)，研究不同豎向靜荷載對(duì)桶形基礎(chǔ)豎向循環(huán)承載力的影響，并通過數(shù)值模擬對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，若基礎(chǔ)受到的豎向循環(huán)荷載大于豎向靜荷載，基礎(chǔ)的豎向累積位移在初始階段較大，之后的位移累積增長速率較??；若基礎(chǔ)受到的豎向循環(huán)荷載小于豎向靜荷載，基礎(chǔ)的豎向累積位移值在初始階段較小，之后的位移累積增長速率較大。此外，基礎(chǔ)的豎向循環(huán)累積位移在初始階段增長較快，隨著時(shí)間的推移，循環(huán)次數(shù)的增加，豎向循環(huán)累積位移的增長速率逐漸減小。

Wu 等[72]研究了豎向循環(huán)荷載的循環(huán)次數(shù)對(duì)吸力式桶形基礎(chǔ)極限承載力的影響，計(jì)算的荷載循環(huán)次數(shù)為0～2 000 次。其數(shù)值結(jié)果表明，黏土中吸力式桶形基礎(chǔ)的豎向循環(huán)承載力小于基礎(chǔ)的豎向靜承載力，且隨荷載循環(huán)次數(shù)的增大而減小。

目前關(guān)于砂土中桶形基礎(chǔ)在豎向循環(huán)荷載作用下的試驗(yàn)主要針對(duì)的是豎向抗拔荷載，其應(yīng)用背景為多桶基礎(chǔ)，對(duì)于單桶基礎(chǔ)在砂土中豎向循環(huán)荷載作用下的響應(yīng)的研究較少。Emdadifard 等[47]使用二維有限元方法研究了砂土中豎向循環(huán)荷載作用下吸力式桶形基礎(chǔ)的豎向循環(huán)承載力及基礎(chǔ)長徑比對(duì)其影響。通過模擬結(jié)果可以看出，桶形基礎(chǔ)的豎向循環(huán)承載力隨基礎(chǔ)長徑比的增加而增加。

2.2.2 水平循環(huán)荷載響應(yīng)研究 桶形基礎(chǔ)海上風(fēng)機(jī)在正常工作條件下會(huì)受到波、浪等外界環(huán)境帶來的水平循環(huán)荷載的作用，當(dāng)土體受到循環(huán)荷載的作用時(shí)，孔隙水壓力會(huì)急劇增加，土體應(yīng)變會(huì)逐漸累積而導(dǎo)致其剛度退化。此時(shí)，基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)會(huì)在外界荷載的作用下逐漸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的固有頻率發(fā)生變化，危及風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行。因此研究桶形基礎(chǔ)在水平循環(huán)荷載作用下的承載力問題可以為實(shí)際工程建設(shè)提供參考依據(jù)[31，75]。

桶形基礎(chǔ)水平循環(huán)承載力的研究主要包括基礎(chǔ)的累積旋角、累積沉降、卸載剛度及其影響因素。閆澍旺等[76-77]通過離心機(jī)試驗(yàn)和動(dòng)三軸試驗(yàn)研究了波浪荷載作用下軟黏土地基波浪與地基的相互作用。Wang 等[61]采用50 g 離心試驗(yàn)研究了土體的固結(jié)程度對(duì)海上風(fēng)機(jī)吸力式桶形基礎(chǔ)水平循環(huán)承載力的影響，研究發(fā)現(xiàn)土體的固結(jié)程度對(duì)基礎(chǔ)承載力的影響顯著，重度超固結(jié)土體中桶形基礎(chǔ)的水平循環(huán)承載力明顯大于輕度超固結(jié)土體中桶形基礎(chǔ)的水平循環(huán)承載力。

除了通過試驗(yàn)方法對(duì)桶形基礎(chǔ)的水平循環(huán)承載力進(jìn)行研究外，研究者們還通過數(shù)值模擬方法對(duì)桶形基礎(chǔ)的水平循環(huán)承載力進(jìn)行了研究[72，78-79]。Wu等[72]提出了一種計(jì)算海上結(jié)構(gòu)吸力式桶形基礎(chǔ)水平循環(huán)承載力的三維準(zhǔn)靜態(tài)有限元方法，研究了吸力式桶形基礎(chǔ)在豎向循環(huán)荷載作用下的極限承載力。計(jì)算得到的數(shù)值模擬結(jié)果表明，由波浪載荷引起的土體循環(huán)軟化效應(yīng)會(huì)使桶形基礎(chǔ)的循環(huán)承載力顯著降低。Kourkoulis 等[78]采用非線性三維有限元分析，充分考慮了土桶之間的相互作用，研究了海上風(fēng)機(jī)吸力式沉箱基礎(chǔ)在水平循環(huán)荷載下的響應(yīng)。文中提出了一種新的本構(gòu)模型，該模型考慮了土壓力的分布情況以及土桶之間的接觸面強(qiáng)度對(duì)基礎(chǔ)水平循環(huán)承載力的影響。Zhang 和Cheng[79]提出了一種基于熱力學(xué)的本構(gòu)模型，通過二維有限元方法來預(yù)測(cè)Bothkennar 黏土中海洋平臺(tái)桶形基礎(chǔ)在水平循環(huán)荷載作用下的沉降、轉(zhuǎn)角、基礎(chǔ)中孔隙水壓力的發(fā)展和基礎(chǔ)的剛度退化。模擬結(jié)果顯示，在循環(huán)荷載作用下，地基中的孔隙壓力和不可恢復(fù)的變形會(huì)不斷累積。增加的孔隙壓力會(huì)使得土體的剪切剛度和剪切強(qiáng)度降低，導(dǎo)致沉箱基礎(chǔ)發(fā)生沉降和旋轉(zhuǎn)。

有學(xué)者通過有限元方法研究了影響桶形基礎(chǔ)水平循環(huán)承載力的因素，這些因素主要包括基礎(chǔ)的長徑比、土體的性質(zhì)、荷載的幅值與循環(huán)次數(shù)、循環(huán)荷載頻率、豎向靜荷載以及沖刷坑等因素的影響[31，80]。循環(huán)荷載的幅值、加載頻率和荷載循環(huán)次數(shù)對(duì)水平循環(huán)承載力的大小有著重要的影響[35，51，81-82]。Ding 等[82]通過數(shù)值模擬研究了荷載循環(huán)次數(shù)對(duì)砂土中海上風(fēng)機(jī)吸力式桶形基礎(chǔ)的水平承載的影響，模擬結(jié)果與黏土中荷載循環(huán)次數(shù)對(duì)桶形基礎(chǔ)承載力的影響結(jié)果類似，結(jié)果表明，在水平循環(huán)荷載作用下，循環(huán)累積位移隨循環(huán)荷載次數(shù)的增加而增加。Foglia 等[75]研究了加載頻率對(duì)海上風(fēng)機(jī)桶形基礎(chǔ)在水平循環(huán)荷載作用下的長期累積位移的影響，試驗(yàn)結(jié)果顯示，在測(cè)試范圍內(nèi)（0.025～0.1 Hz 之間），桶形基礎(chǔ)的永久位移不受加載頻率的影響。Lee 等[60]研究了黏土中單向荷載循環(huán)次數(shù)與循環(huán)荷載大小對(duì)基礎(chǔ)承載力的影響，對(duì)固結(jié)高嶺土中的桶形基礎(chǔ)進(jìn)行了高達(dá)10 000 次的單向水平循環(huán)荷載試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖10[51]所示。研究表明，桶形基礎(chǔ)的累積轉(zhuǎn)動(dòng)隨著水平荷載循環(huán)次數(shù)以及荷載大小的增加而逐漸增加，Zhu 等[81]和Cox 等[35]都通過試驗(yàn)研究得到了類似的結(jié)論?；谀Ｐ驮囼?yàn)結(jié)果，Lee 等[60]提出了經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算黏土中單向循環(huán)水平荷載作用下桶形基礎(chǔ)的累積轉(zhuǎn)角θN和卸載剛度kN，計(jì)算公式為：

式中：θN為N次循環(huán)荷載后的累積轉(zhuǎn)角；θ0為第一次循環(huán)荷載后的轉(zhuǎn)角；Tb為考慮水平循環(huán)荷載率的無量綱參數(shù)；α 和β 為考慮周期數(shù)N和長徑比L/D影響的參數(shù)；kN為N個(gè)循環(huán)后基礎(chǔ)的卸載剛度；k0為初始卸載剛度；Ak為常數(shù)；N為荷載循環(huán)次數(shù)。

圖10 水平循環(huán)荷載下的水平累積位移圖（L/D=1）

王建華等[83]研究了豎向靜荷載對(duì)桶形基礎(chǔ)水平循環(huán)承載力的影響，對(duì)軟土中的桶形基礎(chǔ)在不同豎向靜荷載與水平循環(huán)荷載組合下進(jìn)行了模型試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，導(dǎo)致桶形基礎(chǔ)發(fā)生破壞的循環(huán)荷載幅值與循環(huán)次數(shù)取決于豎向靜荷載，豎向靜荷載越大，基礎(chǔ)同一循環(huán)次數(shù)達(dá)到破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的循環(huán)荷載幅值就越小。

Chen 等[84]通過試驗(yàn)研究了沖刷對(duì)桶形基礎(chǔ)穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，沖刷對(duì)砂土中吸力式桶形基礎(chǔ)的穩(wěn)定性有重要影響。隨著沖刷深度的增加，基礎(chǔ)的穩(wěn)定性逐漸降低，基礎(chǔ)的最終狀態(tài)逐漸從循環(huán)穩(wěn)定轉(zhuǎn)變?yōu)檠h(huán)失效，桶形基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)中心的高度也隨著沖刷深度的變化而變化。當(dāng)沖刷深度較小時(shí)，基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心位于基礎(chǔ)下部，距離基礎(chǔ)頂部的距離為基礎(chǔ)總高度的0.5～0.9 倍，基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)中心的高度隨沖刷深度的增加逐漸向下移動(dòng)。

此外，Zhang 和Cheng[79]、Ding 等[82]研究了黏土中桶形基礎(chǔ)的長徑比對(duì)基礎(chǔ)的水平循環(huán)承載力的影響。研究表明，當(dāng)桶形基礎(chǔ)的直徑保持不變時(shí)，增加基礎(chǔ)的長徑比會(huì)提高基礎(chǔ)的水平循環(huán)承載力，并且增大桶形基礎(chǔ)的直徑比與增加貫入深度更能提高桶形基礎(chǔ)的水平循環(huán)承載力。Ding 等[82]還研究了水平循環(huán)荷載作用位置對(duì)砂土中海上風(fēng)機(jī)吸力式桶形基礎(chǔ)的累計(jì)位移和累積轉(zhuǎn)角的影響。計(jì)算結(jié)果表明，隨著水平循環(huán)荷載作用點(diǎn)的升高，基礎(chǔ)的循環(huán)累積位移及累積轉(zhuǎn)角都呈指數(shù)式增長。但是由于基礎(chǔ)的旋轉(zhuǎn)中心隨著荷載作用點(diǎn)的升高而下降，所以基礎(chǔ)在水平循環(huán)荷載作用下轉(zhuǎn)角的增長幅度小于位移的增長幅度。

2.2.3 循環(huán)荷載響應(yīng)研究小結(jié) 在對(duì)桶形基礎(chǔ)進(jìn)行循環(huán)加載試驗(yàn)時(shí)，大部分試驗(yàn)為了模擬基礎(chǔ)在真實(shí)情況中遇到的波浪荷載，選取的循環(huán)荷載頻率為0.1～0.5 Hz。對(duì)于循環(huán)荷載試驗(yàn)中循環(huán)荷載幅值的大小，一般會(huì)根據(jù)靜荷載試驗(yàn)的基礎(chǔ)豎向或者水平承載力來確定。雖然通過試驗(yàn)得到了一些關(guān)于桶形基礎(chǔ)在不同荷載作用下的結(jié)論，但是仍存在一些問題需進(jìn)一步探討。第一，在實(shí)際情況中海上風(fēng)機(jī)受到的環(huán)境荷載來自多個(gè)方向，并且循環(huán)荷載的幅值會(huì)隨時(shí)間的變化而變化。前文提到的研究中選取的循環(huán)荷載是對(duì)實(shí)際荷載的簡化，簡化后的荷載均位于同一平面，并且在大部分試驗(yàn)中的循環(huán)荷載為簡單的正弦曲線。此外，在大多數(shù)試驗(yàn)中循環(huán)荷載次數(shù)的量級(jí)為104，部分試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)會(huì)高達(dá)106次，但是為了更加全面地驗(yàn)證所提出的方法，考慮到基礎(chǔ)的疲勞極限狀態(tài)以及海上風(fēng)機(jī)在20 a 壽命中受到約108個(gè)周期的循環(huán)荷載的情況[35]，有必要進(jìn)行循環(huán)次數(shù)更高的試驗(yàn)，如107個(gè)周期等[64]。第二，試驗(yàn)中需要考慮加載速率和排水的問題。若試驗(yàn)是在干砂中進(jìn)行的，一般情況下無需考慮排水問題。但現(xiàn)場(chǎng)沉箱基礎(chǔ)的規(guī)模較大，孔隙水難以在短時(shí)間內(nèi)全部排出，特別是對(duì)于具有低滲透率的粉砂。這一問題可通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)的大規(guī)模試驗(yàn)來解決，或者在小規(guī)模試驗(yàn)中改變孔隙流體的粘性，如使用更粘稠的流體（如硅油）代替水[81]。

對(duì)吸力式桶形基礎(chǔ)在不同荷載作用下進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，通常會(huì)先對(duì)靜荷載進(jìn)行模擬計(jì)算，求得桶形基礎(chǔ)在水平或者豎直方向的靜承載力，為循環(huán)荷載幅值的選取提供參考。通過數(shù)值模擬研究得到的曲線和公式可用于實(shí)際海上風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)，但是模擬所得結(jié)果也存在一定的局限性：例如，在進(jìn)行計(jì)算時(shí)會(huì)假設(shè)基礎(chǔ)已經(jīng)處于正確的位置，除非研究內(nèi)容包含安裝過程對(duì)桶形基礎(chǔ)承載力的影響，否則一般不予考慮；對(duì)循環(huán)荷載進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)計(jì)算的循環(huán)荷載周期較短，缺少對(duì)長期循環(huán)載荷的研究與計(jì)算；桶形基礎(chǔ)在疲勞狀態(tài)下的行為特征也需要進(jìn)一步的研究。此外，通過數(shù)值模擬得到的有限元計(jì)算結(jié)果最好可以通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、離心試驗(yàn)或者現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的驗(yàn)證[16]。

研究人員通過試驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬等方法，研究了吸力式桶形基礎(chǔ)在循環(huán)荷載作用下的響應(yīng)及其影響因素，提出了不同的本構(gòu)模型來模擬土體在循環(huán)荷載作用下的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)，通過計(jì)算得到基礎(chǔ)的累積轉(zhuǎn)角與累積沉降曲線，并對(duì)相關(guān)的影響因素進(jìn)行分析?？芍谘h(huán)荷載的作用下，基礎(chǔ)的承載力會(huì)隨著循環(huán)荷載次數(shù)的增加而降低，累積位移隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增加?；A(chǔ)的長徑比會(huì)影響基礎(chǔ)在循環(huán)荷載作用下的響應(yīng)，桶形基礎(chǔ)在循環(huán)荷載作用下的承載力會(huì)隨著基礎(chǔ)長徑比的增加而增加[79，82]。

盡管目前已有關(guān)于桶形基礎(chǔ)在循環(huán)荷載作用下的承載分析，但目前的分析多針對(duì)較短的循環(huán)周期，缺乏針對(duì)海上風(fēng)機(jī)較長循環(huán)周期下的承載研究；同時(shí)缺乏合適的針對(duì)循環(huán)次數(shù)較大的土動(dòng)力特性的本構(gòu)模型，因此對(duì)海上風(fēng)機(jī)桶形基礎(chǔ)在循環(huán)荷載作用下的承載特性分析仍需要建立合理的本構(gòu)模型，針對(duì)長周期循環(huán)次數(shù)較大的循環(huán)荷載響應(yīng)問題進(jìn)行合理分析。另外，應(yīng)針對(duì)該部分規(guī)范缺乏的問題，提出海上風(fēng)機(jī)桶形基礎(chǔ)循環(huán)荷載下承載設(shè)計(jì)規(guī)范。

3 研究展望

海上風(fēng)機(jī)吸力式桶形基礎(chǔ)的承載力是基礎(chǔ)在設(shè)計(jì)過程中面臨的一個(gè)重要的問題，直接關(guān)系到風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、安全性及可靠性。針對(duì)以上對(duì)各關(guān)鍵問題的研究現(xiàn)狀分析，可知盡管現(xiàn)有的針對(duì)桶形基礎(chǔ)的研究較廣泛，但針對(duì)其在風(fēng)機(jī)使用中所面臨的不同的荷載工況，仍需要通過大量數(shù)值及試驗(yàn)研究對(duì)其進(jìn)行深入研究，下一步可進(jìn)行的研究主要包括以下幾方面。

（1）目前已有的關(guān)于桶形基礎(chǔ)的承載力研究針對(duì)長徑比范圍在0～1 之間的桶形基礎(chǔ)，缺少關(guān)于較大長徑比范圍的桶形基礎(chǔ)承載特性的研究。目前已有研究中對(duì)桶形基礎(chǔ)施加的組合荷載較為簡單，主要位于同一平面內(nèi)，與真實(shí)環(huán)境中不同平面的組合荷載相差較大。因此，對(duì)海上風(fēng)機(jī)桶形基礎(chǔ)靜承載特性的分析，仍需要采用合理的三維有限元分析，對(duì)較大長徑比范圍的桶形基礎(chǔ)承載特性、風(fēng)機(jī)在特定水平和豎向荷載組合下的基礎(chǔ)響應(yīng)，以及土體應(yīng)變軟化現(xiàn)象及基礎(chǔ)安裝效應(yīng)對(duì)桶形基礎(chǔ)承載特性的影響等問題進(jìn)行深入分析，建立實(shí)用可靠的考慮多種土體條件及荷載條件下的承載力公式，為桶形基礎(chǔ)在各類靜荷載作用下的承載設(shè)計(jì)提供可靠的設(shè)計(jì)規(guī)范。

（2）對(duì)于海上風(fēng)機(jī)桶形基礎(chǔ)，需要聯(lián)合研究機(jī)構(gòu)與工業(yè)界，進(jìn)行廣泛的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，提供可供數(shù)值方法及理論研究發(fā)展的有效數(shù)據(jù)，發(fā)展海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法及工程設(shè)計(jì)模型，為海上風(fēng)機(jī)吸力式桶形基礎(chǔ)的有效利用提供可靠的設(shè)計(jì)方法及數(shù)據(jù)支持。

（3）目前已有的關(guān)于桶形基礎(chǔ)在循環(huán)荷載作用下的試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬的荷載特性都較為簡單，最大荷載循環(huán)次數(shù)最多遠(yuǎn)小于實(shí)際情況中海上風(fēng)機(jī)桶形基礎(chǔ)遇到的循環(huán)荷載次數(shù)。對(duì)海上風(fēng)機(jī)桶形基礎(chǔ)在循環(huán)荷載下的承載特性分析，仍需要考慮風(fēng)機(jī)實(shí)際循環(huán)荷載循環(huán)次數(shù)、循環(huán)荷載幅值變化、組合荷載及土體非均質(zhì)性的影響，同時(shí)仍需要提出合理的本構(gòu)模型及適用于工程設(shè)計(jì)的規(guī)范。

（4）海上風(fēng)機(jī)將會(huì)遭遇復(fù)雜的海洋環(huán)境，包括海嘯、臺(tái)風(fēng)等極端海洋環(huán)境事件更加值得關(guān)注，海上風(fēng)機(jī)在惡劣環(huán)境下的響應(yīng)的模型亟待研究與發(fā)展。

（5）針對(duì)采用桶形基礎(chǔ)的海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)分析，仍需要建立完整的、考慮實(shí)際上部風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)、下部支撐結(jié)構(gòu)、底部桶形基礎(chǔ)及與土體相互作用（在復(fù)雜外部環(huán)境荷載作用下）的耦合分析，結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)、水動(dòng)力學(xué)及巖土力學(xué)知識(shí)，發(fā)展合理的可應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)的分析模型。

4 結(jié)語

本文綜述了目前海上風(fēng)電的發(fā)展現(xiàn)狀，針對(duì)目前在海上風(fēng)機(jī)各類基礎(chǔ)中具有較好應(yīng)用前景的海上風(fēng)機(jī)桶形基礎(chǔ)，重點(diǎn)綜述和評(píng)價(jià)了桶形基礎(chǔ)在各種荷載下的承載力研究現(xiàn)狀，討論了各部分研究所得到的重要結(jié)論，并展望了下一步可開展的研究。通過本文的調(diào)研，對(duì)目前桶形基礎(chǔ)的承載特性研究及其在海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)應(yīng)用中所存在的問題及工程適用性有了全面的認(rèn)識(shí)。文章概括了當(dāng)前桶形基礎(chǔ)核心力學(xué)問題的研究現(xiàn)狀，明確了該類基礎(chǔ)未來廣泛應(yīng)用于海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)中仍需開展的深入研究工作方向。這些研究將有助于未來對(duì)海上風(fēng)機(jī)桶形基礎(chǔ)及其他各類海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)研究工作的深入，直接有益于全球海洋基礎(chǔ)工程在風(fēng)電領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，對(duì)我國海洋工程及海上風(fēng)電工程的發(fā)展意義重大。