超大直径开口单桩在黏土中单位内侧摩阻力的修正方法研究

针对API标准在计算超大直径单桩轴向极限承载力时内外侧摩阻力系数等同假设的局限性，研究人员通过离心机模型试验和有限元模拟，揭示了黏土中单位外侧摩阻力沿桩身线性分布、内侧摩阻力在桩端5D范围内呈指数分布的特征，提出修正方法，为海上风电超大直径单桩基础设计提供精准计算依据。

　　

随着海上风电装机容量的快速增长，超大直径单桩因其适应性和经济性成为主流基础形式。然而，当桩径增大至2-10米时，传统API标准基于小直径桩建立的轴向承载力计算方法面临挑战——其假设内外侧摩阻力系数相同，且未考虑土壤在桩内部的非均匀分布特性。这种局限性可能导致工程安全隐患，尤其在异质黏土地层中。为此，天津水运工程科学研究院的研究团队在《Ocean Engineering》发表论文，通过创新性实验与模拟，重新定义了超大直径开口单桩的承载力机制。

研究采用TK-C500离心机对双壁桩模型开展测试，结合ABAQUS软件的小应变有限元分析（采用Tresca模型模拟黏土应力-应变关系），系统探究了黏土中单桩内外侧摩阻力的分布规律。试验中，泥线处黏土不排水抗剪强度s_um设为3 kPa，强度梯度k为1.5 kPa/m，桩径D与埋深比L/D>5，完全模拟实际工程条件。

模型桩与土体材料
离心机试验精确复现了桩-土相互作用过程。伺服作动器实现竖向加载，双壁桩设计分离测量内外侧阻力。测试表明，外侧摩阻力从桩顶向下线性发展，而内侧摩阻力集中在桩端5D范围内，呈指数衰减分布。

土体参数与网格技术
有限元分析验证了离心机结果：内侧摩阻力在桩端附近形成显著应力集中，其分布范围远超API标准假设。数值模型通过敏感性分析确认了5D为内侧摩阻力主要影响区。

修正方法对比
基于试验与模拟数据，研究提出单位内侧摩阻力修正公式，将计算误差从API方法的30%降至5%以内。关键突破在于引入深度修正系数λ和分布函数η(z)，反映内侧摩阻力的非线性特征。

结论与意义
该研究首次量化了超大直径单桩在黏土中的内侧摩阻力分布规律，指出API标准在以下方面需修正：（1）内外侧摩阻力系数不可等同；（2）内侧摩阻力影响区应扩展至5D；（3）异质黏土中需考虑强度梯度效应。成果已应用于某海上风电项目，使单桩设计长度缩短12%，节约成本超千万元。

讨论延伸
论文同时指出，当前研究针对均质黏土，未来需拓展至层状地层。团队负责人Run Liu强调，该方法可集成至DNV规范，推动海上风电基础设计进入"毫米级精度"时代。文末特别致谢国家杰出青年科学基金（51825904）的支持，彰显了我国在海洋工程领域的自主创新能力。