局部冲刷下砂土中桩-盘复合基础V-H组合承载特性

DOI：10.3969/j.issn.10001565.2024.02.001

摘" 要：海上风电基础除承受复杂组合荷载作用外，也受波流冲刷作用.为探讨局部冲刷对砂土地基中V-H联合加载下单桩-摩擦盘复合基础承载特性的影响，基于自行设计的室内水槽试验装置，完成了一系列冲刷及模型载荷试验，获得了复合基础冲刷前后的荷载-位移曲线，经无量纲化处理与曲线拟合，得到复合基础承载包络线及其简化计算公式.计算结果表明：局部冲刷作用使复合基础的竖向及横向抗力明显降低，削弱程度分别约12.1%和26.9%.进一步分析表明：存在一个最优预加竖向荷载（V），其对复合基础的极限横向承载力起到最显著的增强效果；此外，局部冲刷作用导致V-H联合受荷单桩-摩擦盘复合基础的承载包络线明显向内收缩，所提出的简化计算公式可供工程应用参考.

关键词：海上风电基础；单桩-摩擦盘复合基础；局部冲刷；组合荷载；承载力包络线

中图分类号：TU473""" 文献标志码：A""" 文章编号：10001565（2024）02011309

Local scour effects on bearing capacities of monopile-wheel composite foundations under combined V-H loads in sandy deposit

ZOU Xinjun1，2， TU Xinyao1， CHEN Shun1

（1. College of Civil Engineering， Hunan University， Changsha 410082， China; 2. Key Laboratory of Building Safety and Energy Efficiency， Hunan University， Ministry of Education， Changsha 410082， China）

Abstract： The foundations of offshore wind turbines （OWTs） are often subjected not only to complex combination loads， but also subjected to the local scouring. To investigate the effects of the local scouring on the bearing characteristics of the monopile-friction wheel composite foundations under combined V-H loads， a series of indoor model tests are carried out based on indoor water tank test devices. The load-displacement curves are obtained for the composite foundations with and without scouring. After dimensionless treatment and curve fitting process， the envelopes of the bearing capacities and the corresponding simplified formulas are also obtained. The results show that： the vertical and horizontal bearing capacity of the composite foundation can be reduced by about 12.1% and 26.9%， respectively. Further analysis shows that there exists an optimal pre-vertical load （V） which significantly enhances the ultimate lateral bearing capacity of the composite foundation. Additionally， the envelope shrinks inward under scouring conditions. The proposed empirical formulas can be used as a reference for engineering practice.

Key words： offshore wind turbines foundation; monopile-friction wheel composite foundation; local scouring; combined loads; bearing capacity envelope

收稿日期：20230912；修回日期：20231224

基金项目：

国家自然科学基金资助项目（52178329）

第一作者：邹新军（1975—），男，湖南大学教授，博士生导师，博士，主要从事桩基础设计计算理论与应用研究.

E-mail： xjzouhd@hnu.edu.cn

随着世界局势的变化，能源紧缺以及碳排放等问题日益严重，传统的化石能源已不能适应全球经济的迅猛发展［1-2］.可再生能源的开发不仅减轻了二氧化碳排放造成的全球温室效应，也降低了对传统化石能源的依赖.风能因其稳定性、技术相对成熟等优点成为有前途的可持续、绿色清洁能源的选择之一［3］.单桩-摩擦盘复合基础这一新型基础形式受到了国内外关注，因其结合了单桩基础抗倾覆与重力式基础抗风浪的优点，还起到了防冲板的作用，在减缓基础局部冲刷方面起到了显著作用［4-5］.

针对单桩-摩擦盘复合基础，国内外已经进行了大量针对性研究.单桩-摩擦盘复合基础的横向承载特性已经被许多学者通过室内试验及数值模拟等手段进行探索，邹新军等［4］、Wang等［6-7］和Zou等［8］从复合基础的几何尺寸、地层及不同荷载组合作用等因素进行了深入探讨，结果表明增大摩擦盘盘径能够显著提高复合基础的承载特性，尤其当摩擦盘盘径超过桩身入土深度1/2以上时，摩擦盘的作用更显著.Zou等［9］通过PIV技术进一步揭示了砂土地基中单桩-摩擦盘复合基础在V-H-M联合作用下的破坏机理和承载力表现，结果表明增加摩擦盘盘径比增加桩基桩长对复合基础横向抗力的贡献更显著.对于多层土而言，Wang等［3］、邹新军等［4］探讨了上黏下砂地层中复合基础的横向承载性能，发现上部黏土厚度在0.1～0.7倍桩身入土深度时，黏土层厚度对复合基础的承载特性有显著影响，随黏土层厚度增加，复合基础横向承载力下降.Wang等［7］、Zou等［8］通过室内模型试验以及数值模拟等手段，进一步探讨了V-H（竖向-水平）荷载组合作用下复合基础的承载响应，结果表明，预加竖向荷载对复合基础的横向抗力先起到促进作用，而当预加竖向荷载超过一定值则起到削弱作用.

对于海上风电基础，复杂的波流作用对基础冲刷的影响是不容忽视的，基础周围受到的地基土的侵蚀作用极大程度上影响了基础的承载行为.基于此，众多学者针对冲刷问题做了大量研究.冲刷作用及其所采用的冲刷防护形式影响着桩基的横向承载性能，承载力的下降率同水流流向相关，但与偏心荷载无关［10］.Ghortis等［10］指出，桩基的承载行为受到海底可能出现的冲刷坑形态的影响十分显著，建议修改p-y曲线来考虑该变化.Zhang等［11］进行了室内冲刷试验，考察了单桩基础在护圈的保护下，其冲刷特性的变化特征，发现护圈对单桩基础周围的土体起到保护作用且相对冲刷深度显著减小.Guo等［12］研究了冲刷作用下单桩基础与筒型基础破坏包络线的差异，结果表明冲刷深度对包络线的影响最大.然而，对于考虑局部冲刷影响下复合基础V-H组合受荷的研究还十分有限.

基于此，本文设计完成了几组室内水槽模型试验，获得了单向流作用下桩-盘复合基础局部冲刷坑的形态.此外，通过冲刷前后砂土地基中单桩-摩擦盘复合基础V-H联合加载室内模型测试，据此探讨了局部冲刷对复合基础V-H联合承载特性的影响，得到了相应的承载力包络线及其简化公式，以期为单桩-摩擦盘复合基础的设计及工程应用提供参考.

1" 模型试验

1.1" 试验及测量设备

本试验在课题组自行设计的钢化玻璃试验水槽（5.8 m×0.48 m×0.5 m）中进行，如图1所示.该水槽系统主要包括3个部分：1）用来模拟海床的盛土槽，1.4 m×0.48 m×0.7 m，盛土槽顶部与水槽底部标高保持一致；2）加载及变形监测装置；3）水流模拟装置，试验所需水流通过水泵及循环管道在水槽内产生稳定的循环单向水流.为了减小湍流，在距离进水口1 m处设置一个方形格栅导流槽，300 mm×480 mm×400 mm，以稳定水流方向.试验过程中槽内水深定为200 mm.

水平荷载及竖向荷载均通过气缸施加在加载盘上（如图1），气缸分别固定在水平及竖向的反力架上，加载点位于泥面以上450 mm，加载盘上的固定球铰用以保证加载过程中水平及竖向荷载始终保持水平及竖直.水平位移及竖向位移分别通过固定在独立支架上的位移激光计测得.

模型试验的几何尺寸参考某海上风电基础的实际尺寸［4］，以1∶100的几何相似比缩小确定试验模型基础的几何尺寸，桩径Dp=30 mm，桩入土深度Lp=380 mm，桩壁厚Tp=2 mm，摩擦盘盘径Dw=200 mm，摩擦盘盘厚tw=13 mm.摩擦盘与单桩的连接通过预先固定在摩擦盘上的盘领（外径78 mm，内径35 mm，高50 mm）由螺栓固定.模型桩采用6061-T6铝合金管桩.为避免水流进入桩内影响试验，在模型桩底部进行封底处理，并涂抹环氧树脂进行防水处理.摩擦盘及盘领采用实心铝制作，摩擦盘中心预留直径略大于模型桩直径的孔洞以便模型桩的安装.

1.2" 土层填筑及基础安装

本试验所需砂床由硅砂制成，填筑前将所需干砂全部倒入蓄满水的箱子中，砂土需始终保持被淹没的状态充分饱和备用.通过分层填筑法填筑砂土，每50 mm为一层.每填筑一层，需平整床面，随后用边长20 cm、质量4.5 kg的方板以落距5 cm击实40次［13］.填筑完毕经取样测试，部分代表性土体参数见表1.

盛土槽中每一组试验埋设2个复合基础模型，模型桩的安装步骤如下：1）在泥面定位摩擦盘的位置并将其安放到位，通过水平尺调整摩擦盘的平整度且需控制与砂土的良好接触；2）利用铁锤将模型桩沿摩擦盘中心的预留孔洞缓慢贯入到指定埋深，贯入过程通过铅锤线调整竖直度；3）使用螺栓将模型桩与摩擦盘固定，使其不能相互滑动［23］.复合基础安装完毕后，在水槽中注水至规定的200 mm深，最后静置48 h待试验.复合基础的边界效应设置［4，13］：摩擦盘边缘与垂直水流方向的盛土槽壁的距离大于3 Dp，摩擦盘边缘与水流流向的盛土槽壁的距离大于1.4 Dw，桩底与盛土槽底部的距离大于7 Dp，在这种设置下可认为桩-土、桩-水流相互作用的边界效应基本可以忽略.

1.3" 加载方案

在进行冲刷试验之前，对水槽内的流速分布进行了测定.水槽内水流流速的测量由Ponolflow-VA型流速仪测量，测量位置位于复合基础上游10 Dp处，图2为水槽中实测的流速分布.共进行了3组流速测定，得到了符合幂函数分布规律的流速分布趋势，与Zhao等［14］所进行室内单向流冲刷所测得的流速分布的规律具有一致性.

通过式（1）和式（2）计算试验所用的砂土的临界希尔兹数的起动流速［5］.

θcr=0.301+1.2D*+0.055×［1-exp（-0.020D*）］，（1）

D*=［g（s-1）/ν2］1/3d50，（2）

式（1）～式（2）中，θcr为临界希尔兹数；D*为无量纲直径；g为重力加速度（9.8 m/s2）；s为泥沙比重，取2.645；ν为水的黏性系数，取10-6 m2/s；d50为平均粒径，取0.35 mm.通过式（3）～（5）得到不同水深下泥沙的希尔兹数［5］.

θs=τsρg（s-1）d50=U2fsg（s-1）d50，（3）

τs=ρCDU2，（4）

CD={κ/［ln（z0s/h）+1］}2，（5）

式中，θs为摩擦引起的临界希尔兹数；τs为剪应力；Ufs为摩阻流速；CD为对数关系；U为垂直平均流速；κ为卡曼系数（0.4）；z0s为粗糙高度，取z0s=d50/12；h为水深.经计算，本文室内水槽试验的冲刷状态为动床冲刷.

室内水槽试验分为2部分进行，第1部分为水流冲刷试验，第2部分为考虑冲刷前后的荷载试验.为探究预加竖向荷载对复合基础横向抗力的影响，加载方案共设置5组，如表2所示，每组试验均考虑静水（无冲刷状态）及冲刷稳定后的状态.1～2组分别测试冲刷前后复合基础水平极限承载力Hu和竖向极限承载力Vu；3～5组试验测试不同预加竖向荷载对横向承载力的影响.Vu1和 Vu2分别表示无冲刷状态及冲刷稳定状态后复合基础的竖向极限承载力.

加载方法：试验加载过程采用慢速维持荷载法.加载过程中，荷载稳定的依据以每5 min的加载变形量小于等于0.01 mm控制，桩-盘复合基础的极限承载力取相应的荷载-位移曲线发生明显突变所对应的荷载值.每一组试验的过程中，先对“1”号模型进行加载（图1）；加载完成后，移除该模型桩并将周围的砂土平整；之后，对“2”号模型桩进行冲刷，直至稳定状态，参考邹新军等［13］的研究过程，水流作用90 min后冲刷深度基本趋于稳定，本文冲刷时间定为120 min；冲刷稳定后停止水流循环系统对“2”号模型进行加载.

图3展示了单桩-摩擦盘复合基础在单向流作用下，冲刷稳定后相应的冲刷坑形态.可以看出，冲刷坑从摩擦盘下游两侧开始发展，两个冲刷坑沿水流流向对称分布，每个冲刷坑总体呈现出橄榄球的形态特征.沿水流流向，冲刷坑宽度从摩擦盘边缘开始先拓宽，随后宽度减小，相应的最大冲刷深度对应冲刷坑宽度最大位置处.此外，在2个冲刷坑的中间位置以及摩擦盘上游发现有泥沙沉积现象，下游2个冲刷坑间呈现出狭长的堆积区间，而上游的堆积在摩擦盘边缘位置.此外，下游冲刷坑靠近摩擦盘边缘的区域，摩擦盘下侧土体部分缺失.对比魏凯等［5］所进行防冲板减缓冲刷的试验中防冲板位于泥面上的工况，与图3中桩-盘复合基础冲刷坑的形成位置及发展规律有着相同的特点，即冲刷坑在基础下游边缘开始发展，最终呈现椭球状的形态特征.

2.2" 单一荷载作用下复合基础承载力特性

为探究V-H组合加载对复合基础承载力的响应，先探究了单一荷载作用下复合基础的极限承载力.图4展示了竖向荷载及水平荷载作用下对应的沉降及水平位移曲线.竖向极限荷载的判定依据海上桩基竖向极限荷载以0.05 Dp的控制标准［4］，水平极限承载力以水平荷载-位移曲线的拐点为依据.从图4a、b可以看出，竖向极限荷载在静水状态时为861.66 N，冲刷后为757.47 N，相应的下降率达到约12.1%；而在横向荷载作用下，水平极限承载力对应静水状态及冲刷后分别为260 N及190 N，相较于静水状态，冲刷后的极限抗力下降了约26.9%.由此表明，冲刷作用对复合基础竖向抗力的影响远小于横向抗力，结合图3中冲刷坑所发展的范围，可以看出，摩擦盘周围土体对复合基础横向抗力的作用是十分明显的，由于冲刷作用导致摩擦盘周围的表层土被剥蚀，摩擦盘部分“失效”，盘-土间的相互作用大大削弱，即盘-土间的接触压力迅速下降.此外，冲刷作用对竖向及横向荷载的影响不同，而V-H组合荷载作用下，两者之间的耦合关系也不清晰，因此考虑冲刷作用对两者耦合的关系是十分必要的.

2.3" 预加竖向荷载对复合基础横向承载力的影响

图5展示了不同预加竖向荷载下复合基础的水平荷载-位移曲线，图5a、b分别对应静水及冲刷后相应的状态.可以看出，无论是否考虑冲刷状态，随预加竖向荷载的增加，复合基础的横向极限承载力先增长后下降，即当预加竖向荷载从0增加到0.6 Vu间，基础横向抗力相应提高，说明竖向荷载对复合基础的横向承载力起到增强作用；而当预加竖向荷载达到0.9 Vu时，相应的横向抗力反而削弱，甚至小于不施加竖向荷载的情况.例如，当预加竖向荷载从0增加到0.9 Vu时，静水状态相应的极限横向抗力分别提高了38.46%，53.85%，-34.62%（下降），冲刷后相应的极限横向抗力分别提高了31.57%，42.11%，-42.11%（下降）.出现这种现象的原因在于，在预加竖向荷载增加的情况下，摩擦盘与地基土间的相互作用增强，在抵抗水平荷载时，摩擦盘盘底能提供更大的水平抗力与恢复力矩，从而提高了复合基础的水平承载力；然而随预加竖向荷载继续增加，摩擦盘底部土体进入弹塑性状态，在横向荷载作用下，摩擦盘下塑性区迅速发展，与此同时，P-Δ效应也同时发挥，故复合基础的横向承载力被削弱.此外，相较于静水状态，冲刷坑存在时，复合基础的横向抗力下降明显，图5c展示了不同竖向荷载作用下，复合基础的极限横向抗力及相应的增长率.进一步可以观察到，预加竖向荷载在0～0.3 Vu对横向抗力的提升作用最显著，0.3～0.6 Vu次之.值得注意的是，静水状态相较于冲刷后，相应的变化率更大.邹新军等［4］进行的室内模型试验也发现了相似的规律，存在一个最优竖向荷载使得复合基础的横向抗力有最明显的提高.

图6是在极限横向荷载作用下复合基础周围土体破坏的形态，图6a、b分别对应静水及冲刷后的状态.可以观察到，横向荷载作用下，摩擦盘向荷载作用方向发生侧移及旋转，使得摩擦盘前侧嵌入砂土中，进而前侧土体发生隆起；而加载方向后侧摩擦盘与土体发生脱离，形成了明显的脱开区域.值得注意的是，复合基础受到冲刷作用后，由于冲刷坑的存在，加载方向前侧的隆起区域明显缩小，仅在2冲刷坑间有较明显的隆起现象被观察到，而后侧脱空区增大.在这一情况下，摩擦盘前侧土体部分“失效”，基础的承载力随之下降，与前文所述的承载力规律相互印证.

2.4" V-H组合承载力包络线

由图5a、b中的荷载-位移曲线，经整理得到了静水及冲刷后不同预加竖向荷载下复合基础横向极限承载力.经无量纲化处理后，参考文献［4，13］所考虑V-H组合荷载作用及考虑波流冲刷作用采用的拟合公式，通过曲线拟合得到了图7所示的复合基础V-H组合荷载作用承载力包络线以及式（6）（7）对应的复合基础承载力包络线拟合公式，其中式（6）（7）分别对应无冲刷状态及冲刷状态.

HHu-0.87×VVu0.88×1.54-2.68×VVu2.82=1，（6）

1.37×HHu-1.61×VVu1.015×0.87-2.31×VVu2.80=1.（7）

由图7可见，冲刷坑存在的情况下，包络线明显向内收缩，进一步验证了冲刷作用削弱了复合基础的承载力.进一步研究发现，当预加竖向荷载在0～0.6 Vu范围内（冲刷状态时为0～0.55 Vu），复合基础的横向承载力上升明显，随预加竖向荷载继续增加，承载力则迅速下降.实际应用时，应先确定复合基础所处的冲刷状态，先确定复合基础在单一荷载作用（竖向荷载及水平荷载）所对应的极限承载力，然后将实际作用的荷载（竖向荷载与水平荷载）代入式（6），若等式左边小于1，则表明满足设计要求，若大于1，需优化设计直至满足要求；满足式（6）后，需进行式（7）的验算，以验证是否满足冲刷坑存在的情况.诚然，式（6）（7）未考虑水流力与V-H组合加载共同作用的情况，此外，冲刷坑的存在范围也仅仅是复合基础的一侧.

3" 结论

通过对砂土地基中V-H联合作用下新型单桩-摩擦盘复合基础的室内模型载荷系列试验，探讨了局部冲刷对这种新型复合基础承载特性的影响，得如下主要结论：

1）局部冲刷使砂土中桩-盘复合基础摩擦盘周围的土体被剥蚀，冲刷坑主要在摩擦盘下游沿水流流向发展，在下游2个冲刷坑中间的狭长区域以及摩擦盘上游边缘处有泥沙堆积现象出现.

2）局部冲刷作用对桩-盘复合基础竖向极限承载力的影响小于横向极限承载力的影响.冲刷坑存在时，竖向极限承载力降幅约为12.1%，而横向极限承载力的降幅约26.9%，这与摩擦盘-地基土的相互作用相关.

3）不同预加竖向荷载对桩-盘复合基础横向抗力的影响非单一，当预加竖向荷载从0增加到0.6 Vu时，预加竖向荷载对复合基础的横向抗力起到增强作用，而当预加竖向荷载超过0.6 Vu后，这种增强作用迅速降低，超过0.8 Vu后甚至低于未施加竖向荷载时的工况，即存在1个最优的预加竖向荷载值，该值对复合基础横向抗力的提升作用最显著.

4）提出了考虑静水及冲刷后2种状态下V-H组合作用下桩-盘复合基础的承载力包络线，包络线的形状与冲刷状态无关，而冲刷作用下包络线明显出现内缩现象；此外，提出包络线拟合公式可用于实际工程设计中考虑局部冲刷作用的复合基础的承载力验算.

诚然，受水槽系统的限制，仅考虑了单向流作用下的冲刷坑形态，多向流及多种荷载组合等其他更为复杂因素的影响有待进一步的探讨.

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（责任编辑：王兰英）