【论文推荐】| 单筒吸力桩基础H-M不排水承载力包络线研究

论文导读与观点概要

一、研究目的

单筒吸力桩基础作为海上能源开发中水下生产设施（如水下基盘、管汇平台、井口等）的重要支撑结构，其岩土分析与设计需从上百个不同的V-H-M荷载组合中筛选控制工况，对准确性、便捷性与经济性均有较高要求。Kay等人提出的破坏包络线方法可实现对吸力桩承载力安全系数的快速评估，其核心在于确定吸力桩在H-M复合加载条件下的不排水极限承载力包络线。然而，以往研究中单筒吸力桩H-M承载力破坏包络线方程大多基于经验拟合方式获得，控制参数缺乏明确的物理意义，适用范围有限，不便于工程直接应用。因此，本文旨在揭示单筒吸力桩在H-M复合加载条件下周围土体的破坏机制，建立典型破坏机制对应的H-M承载力理论分析模型，明确椭圆破坏包络线控制参数的物理意义，提出适用于不同埋深比和不同不排水抗剪强度剖面下吸力桩H-M承载力破坏包络线的理论确定方法，以避免大量烦琐的数值模拟与经验拟合，便于工程应用。

二、研究方法

本文采用有限元分析与理论推导相结合的方法开展研究。首先，基于ABAQUS6.14建立三维有限元模型，考虑吸力桩直径D=10m、壁厚比t/D=0.01，设置4种埋深比（L/D=1.0、1.5、2.0和3.0）和4种土体不排水抗剪强度不均匀系数（κ=0、1、6和10），采用Tresca破坏准则描述海洋土弹塑性本构行为，通过绑定约束模拟土与桩的界面条件，并考虑安装扰动对桩外侧壁抗剪强度的折减效应（折减系数αskirt=0.65）。通过有限元分析揭示H-M复合加载下吸力桩周围土体的典型破坏模式。在此基础上，基于上限极限分析原理，建立旋转模式和平移模式下吸力桩承载力的理论计算模型，推导单位长度水平承载力系数Np(z)沿深度的分布规律，提出Np的解析表达式。进一步，根据椭圆破坏包络线顶点处对应的H-M荷载组合条件及获得的地基破坏机制，建立确定椭圆方程长半轴长度aMH、长轴旋转角度ψMH和短半轴长度bMH的理论分析方法，明确各控制参数的物理含义。最后，将理论计算结果与有限元分析结果进行对比验证。

三、研究结果

1）有限元分析揭示了H-M复合加载下单筒吸力桩的典型地基破坏机制：当吸力桩发生旋转前倾时，地基失稳破坏模式由楔形破坏机构、平面流动机构和绕过桩端向外延伸的球形剪切机构组成；当吸力桩发生水平平移时，最大极限承载力得以发挥，破坏模式中的球形破坏机构由沿桩端的水平剪切滑移机构代替。两种破坏模式下，当埋深比较小时，楔形机构与端部球形机构直接相连，平面流动机构可能消失。

2）建立了单位长度水平承载力系数Np(z)的求解方法，发现Np仅与土体不排水抗剪强度不均匀系数κ有关，并提出了无重土条件下Np0的指数型经验表达式及其参数确定方法。

3）明确了椭圆破坏包络线各控制参数的物理意义：长半轴长度aMH与吸力桩无转动时的最大水平平移极限承载力直接相关；长轴旋转角度ψMH可由平移破坏模式下荷载作用点深度与埋深比的几何关系确定，无需经验拟合；短半轴长度bMH可通过破坏包络线上特定交点处的承载力组合求得。

4）理论计算结果与有限元分析结果吻合良好，在κ≤1时理论结果略微落在有限元结果以外，最大差异约为2.4%（对应L/D=1.0、κ=0工况），其余工况两者较为一致。

四、研究结论

结合有限元计算和理论分析方法对H-M复合加载模式下支撑型单筒吸力桩的承载力进行了研究，得到如下结论：

1）通过有限元分析揭示了单筒吸力桩椭圆形破坏包络线顶点处对应的H-M加载路径下的地基破坏机制：转动模式下由楔形机构、平面流动机构和端部球形剪切机构组成；平移模式下前述机构中的端部球形机构由滑移剪切机构代替。

2）建立了典型H-M加载路径下单筒吸力桩承载力的理论分析方法，确定了单位长度水平承载力系数N_p沿深度的分布规律，并发现N_p仅与土体不排水抗剪强度不均匀系数κ有关。

3）通过理论分析，明确了吸力桩破坏包络线椭圆方程控制参数，包括长半轴长度、长轴转角与短半轴长度的物理意义。

4）文中建立了主动侧无张拉裂隙情况下的单筒吸力桩承载力破坏包络线的理论计算方法，与同等条件下有限元计算结果吻合良好，能够有效地避免大量烦琐的有限元分析与经验拟合，便于在吸力桩基础岩土工程分析中的直接应用。

相关图表

本文引用格式：董小钰, 张念涛, 封晓伟, 等. 单筒吸力桩基础H-M不排水承载力包络线研究[J]. 海洋工程, 2026, 44(4): 203-213.  (DONG Xiaoyu, ZHANG Niantao, FENG Xiaowei, et al. Investigation of the failure envelopes of single suction buckets under undrained H⁃M loading[J]. The Ocean Engineering, 2026, 44(4): 203-213.  (in Chinese)）

作者简介：   

董小钰（1993—），女，山东潍坊人，首席工程师，主要从事水下生产系统、海洋岩土工程等相关领域研究。E-mail：dongxy11@cnooc.com.cn

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