Small-displacement behavior of offshore wind power monopiles subjected to static lateral loading
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摘要: 针对海上风电桩径9 m的超大直径单桩基础，采用离心模型试验与数值仿真相结合方法，研究砂土地基中不同锚固深度工况下单桩基础在小变位条件下的水平静力承载特性。结果表明，随锚固深度增加，桩身旋转中心逐渐下移，且桩身水平位移与倾角沿桩身分布的非线性趋势逐渐增强。不同锚固深度工况下桩侧p-y曲线间的差异随深度逐渐加大，在趋势上，p-y曲线随锚固深度增大由外凸型向内凹型转变；在量值上，同一深度处初始割线模量间可相差4倍。这一差异的原因在于，同一深度处桩体发生相同侧位移时，锚固更浅的桩体周围土体内部径向位移、环向位移的影响范围较小，土体应变较大，进而呈现较大的水平抗力。研究成果有助于深化对大直径单桩基础承载机制的认识，进而为桩体设计优化提供理论基础。Abstract: The centrifuge tests and numerical simulations are carried out to explore the small-displacement behavior of 9 m-diameter offshore wind power large-scale monopiles with various embedment depths. The results show that as the embedment depth increases, the rotation center gradually moves downward, and the nonlinear characteristics of lateral displacement and rotation angle distributions along piles are gradually enhanced. The difference among p-y curves of monopiles with various embedment depths gradually increases with depth. In terms of trend, the p-y curve changes from convex to concave with the increasing embedment depth. In terms of magnitude, the initial secant modulus at the same depth can differ by 4 times. It can be explained as follows: when the same lateral displacement occurs at the same depth, the monopiles with relatively smaller embedment depths show smaller influence zones of both radial and circumferential displacements in the surrounding soils, and then the soil strain is larger, which eventually contributes to a larger horizontal resistance on piles. The research results help to deepen the understanding of the load-transfer mechanisms of large-diameter monopiles, and to provide a theoretical basis for the optimization of associated design approaches.
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Keywords:
- centrifuge test /
- finite difference method /
- monopile /
- p-y curve /
- embedment depth
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图 2 离心模型试验粉砂材料级配曲线
Figure 2. Grain-size distribution curve of silty sands used in centrifuge tests
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图 4 离心模型试验水平加载力时程曲线（模型尺度）
Figure 4. Time histories of horizontal loading force in centrifuge tests (model scale)
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图 5 离心模型试验桩体侧位移时程曲线（模型尺度）
Figure 5. Time histories of lateral displacement (model scale)
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图 6 离心模型试验与数值模拟结果对比：H-θ'关系
Figure 6. Comparison between experimental and numerical results: H-θ' relationship
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图 7 离心模型试验与数值模拟结果对比：桩身弯矩分布
Figure 7. Comparison between experimental and numerical results: bending moment distributions of piles
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图 8 不同锚固深度桩体H-θ0关系
Figure 8. H-θ0 relationships of monopiles with different embedment depths
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图 9 L_27 m桩体侧位移及倾角分布图
Figure 9. Lateral displacement and rotation angle distributions of L_27 m
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图 10 L_72 m桩体侧位移及倾角分布图
Figure 10. Lateral displacement and rotation angle distributions of L_72 m
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图 12 不同锚固深度桩体侧位移及倾角分布
Figure 12. Lateral displacement and rotation angle distributions of monopiles with various embedment depths
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图 13 具备不同锚固深度桩体的p-y曲线对比
Figure 13. Comparison of p-y curves of monopiles with various embedment depth
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图 14 不同锚固深度桩体初始割线模量分布
Figure 14. Initial secant modulus distributions of monipiles with different embedment depths
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图 15 L_27 m桩体25 m深度处表面应力分布
Figure 15. Distribution of stresses on pile surfaces at a depth of 25 m for L_27 m
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图 16 L_72 m桩体25 m深度处表面应力分布
Figure 16. Distribution of stresses on pile surfaces at a depth of 25 m for L_72 m
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图 17 L_27 m桩体25 m深度土体径向及环向位移场
Figure 17. Radial and circumferential displacement fields at a depth of 25 m for L_27 m
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图 18 L_72 m桩体25 m深度土体径向及环向位移场
Figure 18. Radial and circumferential displacement fields at a depth of 25 m for L_72 m
表 1 粉砂物理力学参数
Table 1 Properties of silty sand
相对质量密度 干密度/
(g·cm-3)相对密度/
%最大干密度/(g·cm-3) 最小干密度/
(g·cm-3)黏聚力/
kPa内摩擦角/
(°)2.69 1.55 62 1.87 1.21 4 33 
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