海上风电风机基础桩土相互作用研究

海上风电风机基础桩土相互作用研究摘要：本文分析了海上风电风机主要作用，并对桩土作用基础理论进行全面阐述，海上风能属于绿色能源，最近几年受到人们广泛关注，由于海上风电基础结构经常受到风、浪等因素的影响，使得桩基稳定性无法得到保证，传统海上风电主要以单桩基础为主要形式，但伴随风机不断发展，发电功率不断增加，使得单桩基础结构直径不断增大，这就需要工作人员加强对风机基础桩土相互作用的研究，进而提高整体性能。

关键词：海上风电；风机基础；桩土；相互作用前言：在海上风电场建设过程中，地质条件较为复杂，给风机基础桩土建设带来较大困难，对于工作人员提出了较高要求，在这个过程中，不仅需要较多的投资成本，还需要有先进的技术、设备及人才，这样才能对桩土相互作用进行有效研究，因此，工作人员要不断提高自身技能，加大研究力度，进而提高海上风电基础承载力。

海上风电风机概述意义分析目前能源问题成为社会高度重视的主要问题，由于我国社会发展速度越来越快，对于能源的需求逐渐增强，使得能源危机的产生，在此情形下，海上风力发电起着至关重要的作用，与陆上风能相比，海上风力发电具有显著优势，其一，风能是一种绿色资源。

在对风电场进行建设时，所占土地面积相对较少，一方面不会给陆地资源带来较大浪费，另一方面不会给自然环境带来污染，并且海面风速相对较高，工作人员可以对风速进行充分利用，以此达到发电的目的。

根据调查结果显示，海面相对平坦，粗糙度相对较小，发电功率远比陆地上更高[1]。

其二，海面风速变化不大。

一般情况下，海面风浪起伏程度不明显，工作人员在对海上风机进行搭架时，不需要搭架较大的高度，这样不但能够节省人力资源，还能提高工作效率。

并且海面不容易出现气流现象，能够提高风机使用期限，进而提高经济效益。

其三，尽管海上风电施工具有一定难度，对于材料消耗量相对较大，但由于海上发电量较大，能够对风能进行充分利用，使得风能使用周期较长，大大提高了对风能的利用率。

从目前情况来看，工作人员对于海上风电桩基础利用率逐渐增强，使得施工技术越来越成熟，在之前一段时间内，研究者主要把工作重心放在对受竖向荷载作用的桩基研究中，缺少对受水平荷载作用的研究，在某种程度上限制了海上风机基础的发展。

在新时期，研究者对于大直径桩研究还处于探索中，主要由于其具有较高的承载力，进行原型试验具有较大难度，并且需要较多的资金作为支撑，在较短时间内很难获得预期的效果。

海上风电基础形式常用的海上风电场基础形式有：其一，单桩基础。

主要用于水深不超过25米的海域，现在很多工程中都运用直径为5米左右的钢管桩[2]，整个施工过程为：工作人员在对沉桩进行处理后，要把风机塔架进行固定，把其安装在桩顶中，这样不但能够使风机塔架更为牢固，还能提高单桩基础的稳定性。

如果地基是软土形式，需要工作人员运用锤基沉桩法来操作，如果地基形式是岩石，需要工作人员运用钻孔方法来操作。

其二，群桩基础。

主要用于水深小于30米的海域，由小直径斜钢管所组成，此种基础最为显著的特点为具有较大的水平承载力，但需要较长的工作周期，而且工作量较大，需要较多成本投入。

其三，重力式基础。

主要用于水深小于10米的海域，该种基础能够通过自身重力达到对风机固定的目的，减轻了工作人员的任务量，这与重力式基础体积较大有着紧密联系。

此种基础主要是在海上进行施工，需要海床具有良好的平整性，这就需要工作人员提前做好准备工作，对其进行预先处理，并以碎石为基础进行垫层[3]，进而提高海床的平稳性。

但也有一定缺点，其施工难度较大，对于施工人员专业水平有着较高要求。

桩土作用基础理论由于海上结构容易受到很多因素的影响，这就需要工作人员对各个方面内容进行充分考虑，在早期，研究者没有把水平承载力性能作为研究重点，一般情况下，假设定桩只受到轴向荷载，并需要桩基础对水平荷载进行承担[4]。

到20世纪中期，为了使桩能够承受较大的作用力，把其设计成低承台桩基础形式，这与当时技术水平有限有着一定联系，使得工作人员无法制造出直径较大的桩，不能把桩打入深土层中，大大降低了桩承载力。

在本次研究中，把单桩基础作为研究重要内容，可以把水平承载力受力过程分为几个阶段，其一，弹性变形阶段。

在这一阶段，桩身一直处于弹性状态，工作人员在对其进行卸载后，变形可以自动恢复，从而使其恢复到原来状态；其二，弹塑性变形阶段。

这一阶段桩具有较大的位移量，能够承受较大的作用力，在很大程度上能够满足相关要求；其三，破坏阶段。

主要体现为桩变形不断增加，使得桩周土体出现失稳现象，当位移逐渐增加时，会使得地基出现裂缝现象，从而导致其出现破坏。

由于桩尺寸不同，使得桩受到材料强度影响情况不同，如果桩顶较为自由，工作人员可以让桩逐渐向桩端靠近，使其作刚体运动，对于此种类型的桩，工作人员要对抗剪强度进行充分考察，看其强度是否达到规定要求，这样才能确定能否给桩带来破坏。

如果桩身强度相对较低，桩身容易受到外界因素的影响，使其发生破坏，如果桩身强度相对较高，破坏程度不明显。

海上风电风机基础桩土相互作用研究海洋土参数与桩土相互作用海洋地基土参数对于基础结构有着较大影响，为了确保参数的准确性，工作人员要运用多种手段进行操作，对海洋土参数进行全面研究，以此来分析出于桩土相互作用情况，从而获得相关数据。

在这个过程中，循环动三轴试验起着重要作用，工作人员要以实际情况为基础选择合适的围压，这样不但能够加强人们对控制应变的掌握，还能对软粘土进行有效研究[5]。

在不同条件下，桩基循环情况有所不同，这就需要工作人员对其进行合理计算，因此，工作人员要以相关原理为基础，建立试验模型，并把模型放到试验中，一方面能够获得较为准确的承载力参数，另一方面能够确保试验结构的准确性，进而使整个工程设计更加合理。

风机基础结构耦合分析桩基础是海上风机基础中最为常见的一种形式，经常会受到海洋环境因素的影响，要想对受力情况进行有效模拟，需要工作人员根据实际情况建立地基土模型，首先，工作人员要对海况资料进行搜集，并对资料进行整合，提取出对真实有效的信息，然后建立模型。

在对风机基础结构耦合进行分析时，包括很多方面内容，不仅需要工作人员做好变形分析工作，还需要工作人员进行地震分析。

在此期间，工作人员可以利用SACS建立三维模型，一方面能够增强工作人员对结构的了解，实时掌握风机基础实际情况[6]，另一方面能够使强度更加合理。

并且工作人员要各个方面内容进行充分考虑，在确保靠船构件使用的前提下提高基础结构的安全性。

疲劳分析疲劳分析对于海上风电机正常运行起着重要作用，而且对于资金投入有着较大影响，导管架基础结构主要由多根钢管所构成，具有较多的节点，而节点焊缝是较为薄弱的一个部分，需要工作人员对其高度重视，在作用力影响下，如果工作人员没有对管节点进行有效处理，容易使其出现疲劳破坏现象。

由于局部位置不同，使得疲劳现象有所不同，这就需要工作人员以实际情况为基础进行有效分析，掌握具体原因，进而提高整体性能。

工作人员要根据基础疲劳来制作实验模型，掌握评估疲劳损伤相关方法，以此来确定疲劳寿命，这样不但能够提高风机桩基使用期限，还能提高经济效益。

大多数情况下，工作人员可以运用数值模拟手段来操作，对相关数值进行计算，并把计算结果与试验进行对比，从而把其应用到实际工程中。

（一）防腐设计工作人员对于海上风机基础进行维护时，成本相对较高，这就需要工作人员做好防腐措施，提高风电场运行效率，延长使用寿命。

海洋腐蚀实质是一个电化学腐蚀过程，腐蚀环境不同，使得腐蚀程度也有所差异，一般情况下，腐蚀环境可以分为大气区、浪溅区等[7]，因此，工作人员要根据各个区情况选择相应的措施。

工作人员可以对海洋工程进行有效参考，吸取相关经验，这样不但能够确保设计的合理性，还能使其符合风电场具体情况。

风机基础主要运用物理方法进行防护，对于环境污染相对较小，并且工作人员要对防腐蚀效果进行定期检查，确保其达到规定标准。

（二）灌浆设计风机基础灌浆连接段主要由两个同心圆管所构成，从受力方面对其进行分析可知，灌浆连接段对传力荷载起着重要作用，关系着接下来操作是否能够顺利进行，灌浆连接段受力机理较为复杂，在分析时，工作人员既需要对强度进行充分考虑，还需要对疲劳状况进行有效考虑，并且工作人员要把其与有限分析进行紧密结合，这样不但能够提高整体受力水平，还能使灌浆施工正常进行。

结语：通过对桩土相互作用分析可知，桩周土容易出现变形现象，这就需要工作人员加强对桩土作用机理的研究，掌握其应用范围，这样不但能够发挥出其在海上风电基础中的作用，还能达到预期的效果，进而提高社会效益。

参考文献：[1]龚维明，霍少磊，杨超，黄晓晖，过超. 海上风机大直径钢管桩基础水平承载特性试验研究[J]. 水利学报，2015，46（S1）：34-39.[2]马兆荣，刘晋超，元国凯. 珠海桂山海上风电场风电机组基础设计[J]. 南方能源建设，2015，2（03）：72-75.[3]曾灵羚. 基于广义概率密度演化方法的海上风机单桩基础研究进展[J]. 机电信息，2017（15）：158-159.[4]管友海，西文喜，唐兴亮，甘毅，张如林. 基于桩筒复合基础海上风机振动特性分析[J]. 水利水运工程学报，2017（05）：103-108.[5]马宏旺，杨峻，陈龙珠. 长期反复荷载作用对海上风电单桩基础的影响分析[J]. 振动与冲击，2018，37（02）：121-126+141.[6]张浦阳，熊康平，丁红岩，郭卫波，乐丛欢. 大尺度海上风电筒型基础在风荷载下的响应研究[J]. 太阳能学报，2013，34（12）：2108-2114.[7]黄焱，马玉贤，罗金平，陈法波，田育丰. 渤海海域单柱三桩式海上风电结构冰激振动分析[J]. 海洋工程，2016，34（05）：1-10.作者简介：张纯永（1985.07），男，汉族，河南周口人，硕士，工程师，从事海上风机基础设计研究陆南辛（1988.11-），男，汉，湖南省常德市，硕士，工程师，从事海上风电研究方向。