【论文推荐】| 台风条件下饱和砂土中共享桩锚承载变形特性研究

论文导读与观点概要

一、研究目的

高昂的工程造价是当前制约漂浮式海上风电产业规模化发展的核心瓶颈。在大型漂浮式海上风电场中引入共享锚技术，能够大幅减少系泊锚点数量，从而有效降低锚点勘察、制造及安装成本。例如，2023年Hywind Tampen项目通过采用共享锚点设计，使系泊锚基础数量减少了42.5%。然而，中国东南沿海海域是台风高发区，台风过境时风、浪方向随时间不断演变，导致共享锚基础承受方向随时间变化的复杂循环荷载作用。目前，针对台风海洋环境下共享锚的设计理论与方法尚显不足。基于此，本研究旨在深入探究台风条件下饱和砂土中共享桩锚基础的承载变形机理。通过开展系列模型试验，系统对比传统独立系泊桩锚与共享系泊桩锚基础在响应上的差异，揭示共享桩锚基础在台风工况下的变形失稳模式，以期为漂浮式海上风电共享锚基础的优化设计提供科学依据与理论支撑。

二、研究方法

本研究基于自主研发的多向加载系统及高精度监测装置，在饱和砂土中开展了共享桩锚系列模型试验。为真实模拟台风工况下共享锚受方向随时间逐渐演变的循环加载特征，研究研发了正交布置的双向加载系统，通过独立控制两个加载轴的荷载幅值并保持相位同步来实现多向耦合加载。试验模型按1:25缩尺比例采用铝合金制作，置于内部尺寸为3 m×3 m×2 m的模型箱中，箱内填筑相对密度为65%的天然细河砂。试验采用单线双力传感器系统解决拉力损失问题，并利用双球头铰接拉杆式位移传感器与三维倾角传感器对三个方向的位移及倾角进行实时监测。研究共设计了四组试验：M1为位移控制的单调加载试验（3mm/min），用于获取极限承载力；C1为变化循环荷载水平试验（合力方向恒为45°，荷载峰值从20%Fu逐级增至70%Fu）；C2为恒定循环荷载水平试验（合力大小为60%Fu，方向45°）；C3为模拟台风工况的方向演变试验（合力峰值60%Fu，方向从0°逐级增至90°）。所有循环加载试验频率均设定为0.1 Hz。

三、研究结果

通过对四组试验数据的系统分析，获得了共享桩锚基础在不同荷载条件下的承载变形特性。在单调加载试验（M1）中，共享桩锚的失稳表现为水平和竖直方向位移逐渐增加，锚基础被逐渐拔出土体，测得其极限承载力为6.67 kN。在变化循环荷载水平试验（C1）中，当荷载峰值不超过60%Fu时，位移和倾角呈现前期快速增长、后期趋稳的特征，土体未出现明显弱化；当荷载达到70%Fu时，位移呈不收敛趋势，表现出失稳特征。在恒定循环荷载水平试验（C2）中，三个方向的位移及倾角表现出先趋稳后随循环次数匀速增加的亚稳态特征，滞回圈斜率无显著变化。在模拟台风工况的方向演变试验（C3）中，当合力方向从0°增至20°时，位移及倾角趋于稳定；当方向增至30°至60°时，位移与倾角快速增长；当方向超过60°后，Y向位移累积更为显著，而X向累积位移逐渐收敛，且锚基础水平位移方向跟随合力方向转动。对比C2与C3试验发现，当合力方向变化不超过20°时，共享锚与独立锚的累积位移响应一致；当方向变化超过20°时，共享锚的累积位移显著增加，表明多向加载效应加速了锚基础的失稳，但试验全程滞回圈斜率无显著变化，表明土体未发生明显弱化。

四、研究结论

为探究台风条件下共享桩锚基础的变形失稳机理，基于自研的多向加载及监测系统开展了饱和砂土中系列模型试验，对比了传统独立系泊桩锚和共享系泊桩锚基础响应的差异，揭示了共享桩锚基础在台风工况下的变形失稳模式，获得结论如下：

1）对于传统独立系泊桩锚基础，在循环荷载作用下其失稳模式表现为水平位移与竖向位移累积，桩基础被逐渐拔出，其失稳条件取决于荷载水平，当荷载峰值不超过60%F_u时，桩锚表现出趋稳的特点。

2）对于受到方向随时间演变循环加载作用的共享桩锚基础，其失稳模式与独立系泊桩锚相似，但其累积水平位移方向随合力方向变化而转变。当荷载方向变化幅度较小时（不超过20°），共享桩锚的变形模式与独立系泊桩锚相似；而当荷载方向变化幅度较大时，共享桩锚的多向加载效应显现，相同循环荷载水平下累积位移显著增加，多向加载效应加速了锚基础的失效。通过提高共享桩锚的安全储备来忽略多向加载效应可能是有效方法。

相关图表

本文引用格式：李达, 孙国栋, 张梦竹, 等. 台风条件下饱和砂土中共享桩锚承载变形特性研究[J]. 海洋工程, 2026, 44(4): 171-181.  (LI Da, SUN Guodong, ZHANG Mengzhu, et al. Bearing characteristics of shared pile anchors in saturated sand under typhoon conditions[J]. The Ocean Engineering, 2026, 44(4): 171-181.  (in Chinese)）

作者简介：   

李 达（1979—），男，湖北人，高级工程师，主要从事海洋工程技术研究设计工作。E-mail：lida@cnooc.com.cn

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