李大勇，陳慶劍，張雨坤，陳福全

(1. 福州大學 土木工程學院，福建 福州 350108; 2. 山東科技大學 山東省土木工程防災減災重點實驗室， 山東 青島 266590)

傳統(tǒng)的化石能源燃燒不但造成了嚴重環(huán)境污染和溫室效應，而且面臨著枯竭問題，因此清潔能源的開發(fā)利用受到全球高度重視。海上風能具有風速高、持續(xù)時間長、綠色環(huán)保等優(yōu)點，是大力開發(fā)的一種清潔能源[1]。海上風機塔架的基礎造價及施工費用是導致海上風能開發(fā)成本普遍較高的一個主要因素[2]，合理優(yōu)化基礎結構以及開發(fā)新型基礎形式對于降低基礎造價具有重要意義。目前海上風機塔架的基礎主要形式有重力式基礎、單樁基礎、吸力基礎、三腳架基礎、導管架基礎、系泊基礎等形式(圖1)。

圖1 海上風機基礎Fig. 1 Offshore wind turbine foundation

吸力基礎的研究最早始于20世紀60年代[3]。吸力基礎(圖2(a))是一種倒置的桶形結構，又稱吸力桶，通常由鋼材制造。其安裝步驟是：首先在自重作用下沉至海底，部分桶體切入海床，從而在桶內(nèi)形成密閉水體，然后使用抽水泵逐漸抽出封閉水體，使基礎產(chǎn)生內(nèi)外壓差(即吸力)，繼續(xù)貫入。當基礎頂板與土體接觸時，基礎沉貫終止。Houlsby和Byrne[4]、丁紅巖等[5]研究證實吸力基礎適合應用于海上風機基礎，吸力基礎具有質(zhì)量輕、受運輸工具的限制較小、安裝時間快、現(xiàn)場施工適應能力強等優(yōu)點等[6]。與海上風機重力式基礎和單樁基礎等形式比較，相同的荷載作用下，吸力基礎更為經(jīng)濟等[7]。隨著已建海上風場的升級改造，海上風機功率增大(已有單機功率12 MW的報道)，葉片尺寸增大，原有基礎不能滿足承載力要求，對傳統(tǒng)吸力基礎的改進引起了人們重視：如李大勇等[8]提出了一種稱為裙式吸力基礎的新型吸力基礎(圖2(b))，裙式吸力基礎在常規(guī)吸力基礎上增加了裙結構，從而降低了主桶周圍受沖刷的程度，并大幅提升了基礎的承載能力；之后，Bienen等[9]的復雜裙邊基礎，李洪江等[10]的傘形吸力基礎，以及柳曉科等[11]的低裙式吸力樁基礎，都是在裙式吸力基礎上發(fā)展而來。

圖2 吸力基礎示意Fig. 2 Sketch of suction caisson

吸力基礎1982年被首次應用到工程實際中[12]，挪威國家石油公司(Statoil)1994年在北海的水深70米立管平臺Draupner E，采用了直徑12米、長6米的吸力基礎作為其基礎結構[13-14]，1996年又在北海安裝了第二個吸力基礎結構(Sleipner T)，其直徑達15米[15-16]。直到2002年，吸力基礎在丹麥Frederikshavn海岸首次應用于風機(功率3.0 MW)，其長度6 m，直徑12 m[17-18]。我國2010年首次在江蘇啟東吸力基礎應用于2.5 MW海上風機，并進行了相關的安裝試驗[19]。

與海上石油天然氣等平臺基礎相比，海上風機的基礎所受豎向荷載較小，對應比例的水平荷載及彎矩較大[20]。因此，海上風機基礎受水平荷載是其主控荷載。首先介紹了海上風機基礎的設計要求和影響因素，分析了海洋環(huán)境水平荷載的特點和受荷形式。分別對水平單調(diào)荷載、水平循環(huán)荷載和不同荷載組合下的吸力基礎承載能力及破壞機理進行了分析。最后，對提出的影響水平承載性狀的因素進行了討論，指明了下一步的研究方向。

1 海上風機基礎受荷分析

海上風機基礎的設計要考慮兩個關鍵問題[21]：一是基礎的承載能力，目的是保證海上風機基礎在海洋環(huán)境中不發(fā)生破壞，保證海上風機安全穩(wěn)定運行；二是上部結構的容許位移，現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定風機基礎要滿足上部結構的位移與傾斜小于一定閾值[22-23]。上述兩個問題可統(tǒng)稱為基礎的承載性狀。影響基礎承載性狀的因素有很多，包括荷載形式、土體性質(zhì)、基礎結構等[24-26]。土體性質(zhì)是指基礎所處的土體類型(包括砂土、黏土、粉土等)，以及土體參數(shù)、土體強度沿深度的分布等。Oh等[1]已對不同土體性質(zhì)下基礎的承載性狀進行了歸納及總結，提出土體性質(zhì)是影響海上基礎承載性狀的重要因素?；A結構主要指不同的基礎類型，針對吸力基礎而言，基礎結構還包括針對吸力基礎的改進。Wang等[27]已針對不同基礎結構的水平承載性狀做了相關總結，結果表明吸力基礎可以較好的適用于海上風機環(huán)境。荷載形式對基礎的承載性狀具有至關重要的影響[28-29]，但鮮見荷載形式影響的研究。因此，有必要對不同荷載形式下基礎的承載性狀進行歸納。

海上風機所受的荷載形式主要有豎向荷載及水平荷載，豎向荷載主要是基礎及上部結構的自重荷載，而水平荷載的類型包括風荷載、波浪荷載、潮流荷載、海冰荷載、地震荷載等(圖3)[30]。風荷載主要作用于風機上部，雖然荷載值較小，但對基礎產(chǎn)生較大的彎矩；波浪荷載主要作用于風機水下部分，荷載值較大；潮流荷載一般與所在海域有關，隨時間變化不大，可視為一種靜態(tài)荷載。此外，風機在服役期間還可能受海冰荷載和地震荷載的作用，海冰荷載主要發(fā)生于冬季緯度較高的海域，地震則具有偶發(fā)性，在風電場選址時已考慮盡可能遠離斷裂帶，因此在風機的使用壽命中并不常見，設計時主要考慮風荷載、波浪荷載和潮流荷載。

圖3 海上風機所受荷載Fig. 3 Loads on an offshore wind turbine

風、波浪、潮流等水平荷載在初步分析時，常常將其統(tǒng)一視為水平單調(diào)荷載，使用力控制模式或位移控制模式施加于基礎之上。根據(jù)荷載類型的不同，潮流荷載等可視為水平單調(diào)荷載；風和波浪荷載則可視為水平循環(huán)荷載。另外，海洋環(huán)境荷載復雜，風波浪等荷載往往不在一條直線上，同時基礎還受上部結構自重的荷載影響，因此需要考慮不同荷載組合下的承載性狀。

2 水平單調(diào)荷載下的承載性狀

吸力基礎受水平單調(diào)荷載的研究是其承載性狀研究的重要形式。通過吸力基礎受水平單調(diào)荷載的研究，可以確定基礎的水平承載力及荷載位移曲線，得到海上吸力基礎的水平承載力，進而為吸力基礎的設計提供參考。在水平單調(diào)荷載方面，吸力基礎所受不同荷載形式的影響主要體現(xiàn)在水平荷載大小、加載高度(偏心率)和荷載作用方向等方面。

2.1 水平荷載大小的影響

在不同的水平荷載下，吸力基礎將呈現(xiàn)不同的水平承載性狀。Bolton[31]通過研究發(fā)現(xiàn)，水平荷載下吸力基礎的水平荷載—側向位移關系與土體應力水平呈非線性關系。Chen等[32]測量了吸力基礎旋轉中心及荷載位移曲線，認為吸力基礎受波浪荷載作用下，在變形較小時，吸力基礎的運動視為平動；在變形較大時，吸力基礎的運動視為轉動。Zhang等[33]認為，在水平承載能力極限狀態(tài)時，吸力基礎表現(xiàn)為旋轉，而不是平動。Zhu等[34]采用原型試驗對吸力基礎的安裝和安裝后的水平承載能力進行了研究，并對基礎安裝過程阻力、旋轉中心位置、基礎側面土壓力、基礎彎矩承載能力進行推導。

基礎在水平單調(diào)荷載下的承載性狀可以通過荷載位移曲線反應。Li等[35]與Zhang等[36]通過系統(tǒng)研究，將荷載位移曲線分為三個階段：準彈性階段、塑性階段、破壞階段。在準彈性階段內(nèi)，基礎位移及土體變形很小，對應的最大位移約為基礎直徑的1%，其位移可以視為平動；在塑性階段內(nèi)，基礎的位移主要是平動與轉動的組合，荷載位移曲線的形式很大程度上取決于基礎外裙長及荷載偏心率，基礎位移及土體變形較大；在破壞階段內(nèi)，基礎的位移主要視為轉動。

通過荷載位移曲線，可以確定基礎的極限承載力。Hung和Kim[37]對吸力基礎的極限承載力進行了一系列研究，將極限承載力定義為：1)在荷載沒有進一步增加的情況下，位移不斷增加的荷載；2)造成了超出實用性極限位移的負荷；3)荷載位移曲線部分變直時對應的荷載；4)彈性階段和破壞階段兩條切線交點對應的荷載。Hung等[38]和Kim等[39]采用切線交點法確定承載能力，其是對荷載位移曲線起始與終止位置各引各引兩條切線，切線的交點定義為基礎承載力。根據(jù)Hung等[37-38]的研究成果，切線交點法確定的承載力約有2%～5%的偏差。Wang等[40]系統(tǒng)的研究了確定吸力基礎水平極限承載力的方法：1)在標準化累計旋轉達到3%時，基礎水平承載破壞；2)繪制標準化水平位移增量和荷載增量圖，可用三段直線擬合，第一個點對應臨界荷載，第二個點對應臨界荷載。Wang等[40]提出，在吸力基礎標準化累計變形達到3%時，其水平承載力近乎不變。Zhang等[30]亦采用三條切線的方法確定基礎承載能力，在對荷載位移曲線作圖時，斜率變化的第一個點為臨界側向承載力值，第二個點是極限側向承載力值。

目前對吸力基礎受不同單調(diào)荷載大小下的承載特性研究較為成熟，但其主要關注吸力基礎的承載能力峰值，忽視了吸力基礎的變形。事實上，大部分海上風機基礎在達到其極限承載力之前，上部結構已超出其容許變形。因此，需加強關于吸力基礎在達到一定承載力時的變形和在固定變形下的承載力研究，更好地符合工程實際。

2.2 加載高度(偏心率)的影響

吸力基礎受水平荷載時，由于風、波浪等荷載并不作用在基礎形心上，基礎將額外受到一個彎矩荷載。作用點越高，產(chǎn)生的彎矩荷載越大。不同高度的水平荷載對基礎承載性狀的影響可以通過加載高度(偏心率)量化。Kumar和Rao[41]認為吸力基礎的側向承載力與荷載偏心率有關。Li等[35, 42]認為隨著荷載偏心率的增大，吸力基礎的水平承載力逐漸減小，土體變形范圍逐漸增大。Andersen等[43]給出了考慮各種偏心距和幾何形狀影響的吸力基礎實測數(shù)據(jù)與預測結果的比較。Zhang等[36]發(fā)現(xiàn)荷載偏心率對吸力基礎的荷載位移曲線的形式影響很大，極限狀態(tài)下裙式吸力基礎旋轉中心至頂蓋的距離隨著荷載偏心率的增加而減少。Li等[44]認為裙式吸力基礎的旋轉中心隨著荷載偏心率的增加而上升，旋轉中心與基礎中心線的距離幾乎不受荷載偏心率的影響。

吸力基礎的彎矩承載能力的概念能更好反映受荷載偏心率的影響。Zhu等[34]認為海上基礎的設計關鍵是彎矩的承載能力，其提出了吸力基礎受彎矩承載力的理論公式。Kourkoulis等[45]認為可以對吸力基礎施加較小的豎向荷載和較大的水平荷載，模擬較大功率風機基礎的受荷形式(基礎受純彎荷載)。Barari和Ibsen[46]結合試驗和數(shù)值分析研究了黏土中桶形基礎對彎矩荷載的響應，并給出了描述破壞荷載組合的屈服軌跡。

加載高度(偏心率)是影響吸力基礎水平單調(diào)承載性狀的主要因素。隨著海上風機功率的逐漸增大，荷載作用高度不斷提高，大偏心水平承載的研究逐漸受到廣泛重視。因此，需系統(tǒng)研究偏心率(尤其是大偏心水平荷載)對基礎承載性狀的影響，為工程設計提出改進方案。

優(yōu)化供應鏈，掌控大數(shù)據(jù)，目的是為提高經(jīng)營效率。但是如果提升的部分被上漲的成本淹沒，那么創(chuàng)新價值便會被大打折扣。這正是新零售試水者們普遍遭遇的問題。

3 水平循環(huán)荷載下的承載性狀

水平循環(huán)荷載更接近于海洋環(huán)境真實荷載，吸力基礎的水平循環(huán)承載性狀是重要的研究領域。循環(huán)荷載的研究主要涉及循環(huán)荷載頻率、循環(huán)荷載次數(shù)、循環(huán)荷載幅值、循環(huán)荷載方向等。

3.1 循環(huán)荷載頻率的影響

循環(huán)荷載頻率主要通過影響基礎附近土體的超孔隙水壓力，進而影響基礎的承載性狀。Ansal和Erken[47]和Wang等[48]認為基礎附近黏土的超孔隙水壓力隨著循環(huán)荷載頻率而發(fā)生變化。Yang等[49]在粉質(zhì)土中進行了傘形吸力基礎受循環(huán)荷載的研究，當循環(huán)荷載幅值為單調(diào)水平極限承載力的0.6倍，荷載頻率為0.2 Hz時，土體的累計變形逐漸穩(wěn)定于基礎直徑的0.3倍；當循環(huán)荷載幅值為單調(diào)水平極限承載力的0.6倍，荷載頻率為2.5 Hz時，傘形吸力基礎的變形急劇增大，基礎迅速失穩(wěn)。Sathialingam等[50]提出，無黏性土中單樁基礎對0.02～0.2 Hz的循環(huán)荷載頻率不敏感；但是對于黏性土而言，隨著土體應變的增大，黏土的強度和剛度有明顯的增大趨勢。周建和龔曉南[51]認為循環(huán)荷載頻率會影響飽和軟黏土的應變軟化，其軟化程度隨著循環(huán)荷載頻率的降低而上升，當循環(huán)荷載頻率低于0.1 Hz時，土體的軟化較為明顯。蔣軍[52]認為黏土的應變速率隨著循環(huán)荷載頻率的增大而增大，但應變速率的衰減率與循環(huán)荷載頻率無關。

循環(huán)荷載頻率是吸力基礎的承載性狀的重要影響因素，循環(huán)荷載的頻率對黏土中的基礎影響較大，對砂土中基礎的影響較小。因此，需進一步豐富各種循環(huán)荷載頻率下吸力基礎的承載性狀研究，明確其對吸力基礎承載性狀的影響機理。

3.2 循環(huán)荷載次數(shù)的影響

循環(huán)荷載次數(shù)會顯著影響基礎的累計變形，從而導致上部結構提前達到正常使用極限狀態(tài)，對基礎進行循環(huán)荷載次數(shù)影響的研究十分關鍵。Long等[28]認為第一次循環(huán)對基礎的水平承載性狀影響最大，后續(xù)循環(huán)的影響逐漸減小，循環(huán)荷載下基礎的累計變形與循環(huán)荷載次數(shù)在雙對數(shù)坐標軸下成正比。Leblanc等[29]亦得到了相似的結論。Lin等[24]認為單樁基礎在循環(huán)荷載下的累計旋轉與lnN成正比。Byrne和Houlsby[53-54]認為吸力基礎在服役期間受到的第一次風暴荷載將導致基礎發(fā)生較大的變形，其變形量占到基礎總累計變形的絕大部分。Foglia等[55]利用宏觀單元法(macro-element approaches)研究了砂土中桶形基礎在循環(huán)荷載作用下的響應，結果表明宏觀單元法可以較好地預測基礎在水平荷載下的累計變形問題，通過與試驗數(shù)據(jù)的對比，可以發(fā)現(xiàn)隨著循環(huán)次數(shù)的增加基礎位移的積累速度減少。Wang等[56]認為隨著循環(huán)荷載次數(shù)的增加，土體的永久變形逐次減少，第一次循環(huán)的變形占前十次循環(huán)累計變形的60%～80%。Hung等[57]認為黏土中吸力基礎在循環(huán)荷載下的累計旋轉隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增加，但增大的速率在前100次循環(huán)較大，其后隨循環(huán)次數(shù)的增加逐漸減小。

隨著基礎累計變形的增加，土體的剛度也發(fā)生了改變。Byrne和Houlsby[53-54]認為土體的剛度在循環(huán)荷載的作用下逐漸降低。但Kramer等[58]認為僅有很少一部分樁受循環(huán)荷載時抗彎剛度發(fā)生明顯退化，土體剛度受循環(huán)荷載的影響不明顯。Zhu等[59]認為在循環(huán)荷載幅值一定的情況下，土的循環(huán)側向剛度受循環(huán)荷載次數(shù)的影響很小。Wang等[56]認為在第一個循環(huán)周期，土體剛度顯著下降，之后幾乎保持不變。Hung等[57]認為卸載剛度隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增加。Wang等[40]認為前5次循環(huán)的側向位移和剛度變化較大，當吸力基礎的無量綱化累計變形從0%變化至1%時，土體的剛度發(fā)生較大降低，隨后降低的速率逐漸減小；當吸力基礎的無量綱化累計變形達到3%之后，土體剛度下降可以忽略。

據(jù)統(tǒng)計，海上風機的吸力基礎在25年中將經(jīng)歷約1 000萬次循環(huán)荷載[60]。隨著循環(huán)荷載次數(shù)的增大，基礎的累計變形逐漸增大，附近土體的剛度發(fā)生改變。吸力基礎受不同循環(huán)次數(shù)的定性研究已較為充分，下一步應針對吸力基礎的水平承載性狀與循環(huán)次數(shù)展開定量的研究。

3.3 循環(huán)荷載幅值的影響

循環(huán)荷載的幅值是指所施加的循環(huán)荷載的峰值大小，常見的循環(huán)荷載幅值可見圖4。其中，MR是吸力基礎通過水平單調(diào)試驗測得的極限承載力。為便于研究循環(huán)荷載幅值的影響，常常用Mmin表示循環(huán)荷載的幅值最小值，用Mmax表示循環(huán)荷載的幅值最大值。將ζb、ζc定義為：

圖4 循環(huán)荷載的幅值Fig. 4 Amplitude of cyclic load

(1)

(2)

循環(huán)荷載的大小對基礎的累計變形及附近土體的剛度均具有較大的影響。Lin和Liao[24]對不同幅值循環(huán)荷載下的性質(zhì)展開了研究，提出了一個簡要表達式計算變幅循環(huán)荷載下基礎的累計變形。Hung等[57]提出了一種計算吸力基礎累計旋轉的理論公式，發(fā)現(xiàn)吸力基礎在循環(huán)荷載作用下的累計旋轉隨荷載大小的增加而增加，當施加的循環(huán)荷載大于疲勞極限荷載的一半時，土體的應變較明顯。Achmus等[61]利用數(shù)值模擬研究了荷載大小、相對密度和埋入比對桶形基礎在循環(huán)荷載作用下的行為的影響。Hirai[62]認為循環(huán)試驗的破壞荷載均小于靜載試驗的破壞荷載，在較低幅值的循環(huán)荷載作用下，基礎破壞時會產(chǎn)生較大的位移和旋轉。另外，需要注意的是循環(huán)荷載幅值對黏土和砂土的卸載剛度影響不一致。Houlsby等[63]進行了黏土中吸力基礎的低頻循環(huán)彎矩試驗，結果表明在低振幅時基礎表現(xiàn)為剛性響應，隨著振幅逐漸增大，剛度逐漸減小。另外，Houlsby等[64]發(fā)現(xiàn)砂土在小應變下的剪切模量小于大應變下的剪切模量，砂土中吸力基礎在循環(huán)荷載下的剛度隨著荷載振幅的增大而增大。Hirai[62]考慮了循環(huán)荷載幅值、循環(huán)荷載歷史等因素下土體的循環(huán)荷載破壞機理，闡明了循環(huán)荷載作用下黏土的總應力、有效平均主應力、應力差和孔隙壓力之間的關系。Hung等[57]提出了一種根據(jù)初始卸載剛度、循環(huán)次數(shù)等參數(shù)計算卸載剛度的理論公式，認為黏土的卸載剛度隨著循環(huán)荷載大小的增加而減少。Kelly等[20]進行了一系列現(xiàn)場原型試驗和試驗室模型試驗，發(fā)現(xiàn)在小幅值的循環(huán)加載中土體剛度較大，在大幅值的循環(huán)加載中土體剛度較小。

循環(huán)荷載對稱性對基礎承載性狀的影響較為顯著，但涉及吸力基礎的研究有限，可以通過海上單樁基礎的研究初步總結相關規(guī)律。Leblanc等[65]建立了隨機雙向循環(huán)荷載作用下剛性樁累積旋轉的預測模型，表明在海上風機的使用壽命中，樁身累積旋轉主要受最不利載荷的控制。Long等[28]探討了Mmin/Mmax對基礎累計變形的影響，結果表明單向水平循環(huán)荷載下的p-y曲線退化較明顯，土體的變形與基礎的傾斜較大，因此單向水平循環(huán)荷載(ζc=0)較雙向水平循環(huán)荷載(ζc=1)產(chǎn)生的累計變形大。Zhu等[66]認為單向循環(huán)荷載產(chǎn)生的旋轉效應較雙向循環(huán)荷載產(chǎn)生的旋轉效應大。Lin等[24]認為單向水平循環(huán)荷載較雙向水平循環(huán)荷載產(chǎn)生更大的循環(huán)應變。Leblanc等[29]推導了單樁基礎的無量綱化荷載位移公式，發(fā)現(xiàn)不完全對稱循環(huán)荷載(ζc=-0.6)的累計變形是單向循環(huán)荷載(ζc=0)的4倍，不完全對稱循環(huán)荷載將導致更大的基礎累計變形。Zhu等[59]認為不完全對稱循環(huán)荷載產(chǎn)生的旋轉效應較單向循環(huán)荷載產(chǎn)生的旋轉效應大。Nanda等[67]發(fā)現(xiàn)基礎在雙向循環(huán)荷載作用下的累計變形隨著循環(huán)次數(shù)先增大后略微減小，之后再增大，其認為單向循環(huán)荷載較雙向循環(huán)荷載會產(chǎn)生更大的水平位移。

海洋環(huán)境中的風荷載隨著離岸距離的增大而增大，波浪荷載亦隨著水深的增大而增大[68]。Sahin[69]認為海上風機的基礎必須能夠抵抗較大的風波浪潮流荷載，而這些循環(huán)荷載的方向和幅值隨時間不斷變化。針對吸力基礎在不同循環(huán)荷載幅值下的承載性狀研究尚不充分，循環(huán)荷載方向性的研究主要針對海上單樁基礎，下一步應針對吸力基礎受循環(huán)荷載幅值的影響展開系統(tǒng)研究。

3.4 循環(huán)荷載方向的影響

循環(huán)荷載方向的影響是指海洋環(huán)境循環(huán)荷載的作用方向?qū)A承載性狀的影響。隨著海洋環(huán)境的變化，風波浪潮流荷載的方向會發(fā)生偏轉。Leblanc等[65]認為在風暴期間較大的荷載循環(huán)可能是單向的，如ULS(承載能力極限狀態(tài))和SLS(正常使用極限狀態(tài))，此時多采用ζc≥0的循環(huán)荷載進行分析；而在海況較好的情況下，風機所受的循環(huán)荷載由于風向的變化將是全方位的，如FLS(疲勞極限狀態(tài))，此時多采用變方向的循環(huán)荷載進行分析。關于吸力基礎受不同方向水平循環(huán)荷載的研究有限，而針對海上單樁基礎已進行了部分研究。Rudolph等[70]研究了單樁基礎受變角度水平循環(huán)荷載作用的變形響應，認為在荷載大小相同時，荷載方向的變化可能會加大基礎的變形，而荷載方向改變導致的循環(huán)荷載累計變形增加倍數(shù)(較固定方向循環(huán)荷載)，在松散砂中為1.9，在密實砂中為1.5。Nanda等[67]認為變角度水平循環(huán)荷載較定向水平循環(huán)荷載將產(chǎn)生更大的累計位移，單向循環(huán)荷載中變角度加載可以提高土體剛度，雙向循環(huán)荷載中變角度加載會降低土體剛度，土體剛度的減小將導致水平循環(huán)荷載作用下的基礎抬升增大。Zhu等[71]發(fā)現(xiàn)當荷載方向在0°～90°間變化時，吸力基礎的受荷響應近似于受單向循環(huán)荷載的情況，當荷載方向變化超過90°時，吸力基礎的累計變形較單向循環(huán)荷載時小，另外轉向加載時土體的卸載剛度較定向加載時顯著不同，因此吸力基礎在循環(huán)荷載下的響應受荷載方向的影響較大。

循環(huán)荷載方向?qū)Ｉ匣A的水平承載性狀的研究有限。已有的針對單樁基礎的研究均表明，變方向的水平循環(huán)荷載將導致基礎產(chǎn)生更大的累計變形。因此，下一步應針對吸力基礎受變方向水平循環(huán)荷載展開相關研究。

4 不同荷載組合下的承載性狀

吸力基礎在服役過程中不僅受水平荷載，還受到豎向荷載。同時，由于海洋環(huán)境復雜多變，海上風和波浪荷載往往沒有作用在一條直線上。因此，吸力基礎所受荷載等效為單一荷載存在一定的局限性，采用多種荷載同時作用的形式更符合于實際情況。吸力基礎在不同荷載組合下的承載性狀可分為豎向荷載的影響和水平荷載非共線的影響兩方面進行討論。

4.1 豎向荷載對水平承載性狀的影響

吸力基礎在服役過程中將受到豎向荷載作用，豎向荷載主要為基礎和上部結構的自重。豎向荷載對基礎的承載能力有顯著影響。Martin和Houlsby[72]認為當基礎所受豎向荷載為零時，基礎的水平承載力為零。然而Cassidy等[73]認為即使基礎所受豎向荷載為零，基礎也可以承擔一定的水平荷載。Fu等[74]通過數(shù)值模擬，分析了低豎向荷載作用下兩沉箱單元矩形混合地基水平彎矩承載力及破壞機理，并在此基礎上提出了描述矩形混合地基破壞包絡線的表達式。Byrne和Houlsby[54]發(fā)現(xiàn)，當吸力基礎上作用有恒定豎向荷載時，基礎同時受到彎矩荷載將發(fā)生較大沉降，特別是在彎矩荷載施加的起始階段。Hung等[38]的分析表明，吸力基礎的荷載包絡線在V/V0≤0.5時輕微下降。Yun和Bransby[75]認為當豎向荷載小于豎向承載力的40%時，水平和彎矩聯(lián)合承載力的下降可以忽略不計，當V/V0≥0.5時，組合荷載的包絡線顯著下降。Zhang等[76]認為水平和豎向荷載聯(lián)合作用下，單樁基礎的水平極限承載力隨著豎向荷載的增加先增大后減小，分界點大致在0.3倍豎向極限承載力，豎向荷載在一定程度上增大了單樁基礎水平承載能力，包絡面近似于橢圓。Yang等[49]認為彎矩對豎向承載力的影響小于豎向荷載對彎矩承載力的影響，同時兩者的相互影響較小。

豎向荷載對水平承載性狀影響的研究已較為完善，可以通過繪制包絡面反應其影響程度。海上風機基礎的豎向荷載相對較小，因此需加強在低豎向荷載下水平承載性狀的研究。

4.2 水平荷載非共線的影響

Byrne和Houlsby[77]認為風荷載和波浪荷載的方向不一定完全一致，二者間存在一定的夾角。Seidel[78]認為海上風機在其服役期間，風波浪潮流引起的巨大水平循環(huán)荷載的方向不固定，風波浪荷載的夾角可能達到90°。陳勝等[79]通過深入觀察海面風和波浪性質(zhì)，認為海面風向與風荷載方向不一致，其最大夾角可以達到80°。因此，海上風機上作用的風、波浪荷載不能簡單視為單一荷載，二者存在一定的角度，見圖5。

圖5 風波浪荷載示意Fig. 5 Wind wave load diagram

Fischer等[80]對海上風機單樁基礎受風波浪非共線荷載的承載性狀進行了分析，認為風波浪荷載非共線會顯著影響基礎的疲勞效應，進而降低基礎的適用年限，但是對浮式基礎平臺的研究結論相反。Philippe等[81]通過對浮式海上風機進行耦合動力分析，研究了風的波動方向?qū)ο到y(tǒng)的影響。Bachynski等[82]對海上風機張力腿平臺(TLP)和半潛式海上平臺進行了風波浪荷載非共線的分析，結果表明風波浪荷載共線時將對平臺產(chǎn)生較大的疲勞荷載和彎矩。Karimirad等[83]對海上浮式V形風機進行了風波浪荷載非共線作用的分析，結果表明風波浪荷載非共線對浮式風機的影響很小，系統(tǒng)具有足夠的魯棒性。另外，夏可和萬德成[84]研究了波浪和波流方向不一致時淺海導管架風機平臺的受荷情況，結果表明平臺所受荷載隨著波流夾角的增大先略微增大，然后減小。

海上風機在服役過程中將受到風荷載和波浪荷載，二者存在一定角度。針對吸力基礎受風波浪荷載非共線的影響尚不明確，下一步應針對吸力基礎受風波浪荷載非共線的情形展開系統(tǒng)研究。

5 結 語

海洋環(huán)境中的吸力基礎將承受較為復雜的水平荷載，已有的研究主要針對吸力基礎受單調(diào)荷載的承載性狀，以及對循環(huán)荷載和不同荷載組合的定性分析，下一步應針對吸力基礎受不同循環(huán)荷載及不同荷載組合下的承載性狀展開定量分析，得到的結論和展望如下：

1) 吸力基礎受水平單調(diào)荷載的研究較為充分，但相關研究主要關注吸力基礎的極限承載能力。實際工程中，吸力基礎的設計往往由上部結構的容許變形控制。因此，需注重吸力基礎荷載—位移關系的起始段研究。另外，加載高度(偏心率)也是基礎破壞性狀的重要影響因素。隨著海上風機裝機容量的不斷增大，風機受荷偏心率逐漸增大，需要對加載高度(偏心率)的影響展開系統(tǒng)性的研究。

2) 吸力基礎受水平循環(huán)荷載的研究主要采用固定頻率和固定幅值的正弦循環(huán)荷載，這與海洋環(huán)境實際荷載差異較大。下一步應針對吸力基礎受不同頻率循環(huán)荷載、不同幅值循環(huán)荷載，以及較多循環(huán)次數(shù)和不同循環(huán)荷載方向上開展研究。

3) 吸力基礎受不同荷載組合的研究有限，相關研究大多將基礎所受荷載簡化為單一荷載。事實上，由于海洋環(huán)境的復雜多變，風波浪荷載往往不作用于同一方向，另外基礎還受上部結構自重荷載的影響。因此，需對吸力基礎受不同荷載組合下的水平承載性狀展開研究，闡明基礎破壞機理。