海洋结构多桶基础设计优化数值分析文献综述

1. 文献综述（或调研报告）：

3.1 桶形基础概述

桶形基础是一种新型海洋平台基础，由桩基础与片筏式基础发展而来，具有这两种基础的共同特点并弥补其不足。桶形基础的雏形来源于挪威大型导管架平台EUROPIPEI6/11E[1]，由于其外形类似一只倒扣的桶，顶端封闭，下端敞开，故称之为桶形基础。桶形基础实际上是一种带裙的圆板基础，所以也可称之为带裙的片筏基础或裙桩基础。桶形基础在安装时具有便于安装及节省费用的特点，因为在其下沉入水的施工过程中，先依靠其本身的自重，使桶体进入土中一定深度。之后再通过用泵从桶中抽水，使桶体内形成足够的负压，以此克服桶裙底部的端阻力和桶裙壁的摩擦阻力，并结合桶体的自重共同把桶体沉入土中目标点。当桶形基础沉入土中后，桶内外的压力差逐渐减小直至消失，桶与地基土体成为一体，共同承担外界环境荷载。一方面，桶底可以与土体保持较大的接触面，这使得桶形基础能够承受较大的竖向荷载；而在另一方面，桶的裙体部分可以将外界环境施加在桶体上的水平滑动力传递到底下更坚硬、承载能力更好的土层中去，从而使得桶形基础能够承受较大的水平力作用。此外，桶形基础还具有能够重复使用、施工时间短、施工速度快以及节省钢材等优点。

图2：EUROPIPEI6/11E平台的导管架

3.2 桶形基础应用概况

桶形基础作为一种新型海上基础平台，现主要应用于海洋石油采集及海洋风电工程。上世纪80年代开始先以吸力锚的形式作为桶形基础的先导来应用于海洋采油平台[2]，并一系列沉放试验来测试其性能。1994年7月，挪威国家石油公司成首次采用桶形基础成功安装了大型导管架平台EUROPIPEI6/11E[1]，标志着海洋桶形基础的成功应用，也由此开创了海洋平台基础工程技术的新时代。桶形基础在上世纪90年代多用于对海洋石油的采集工程。我国也于1994年在渤海CFD 1-6-1油田首次成功采用负压技术安装了两个吸力锚作为延长测试油轮的系泊点[3]，1999年10月，首座海洋桶形基础采油平台在胜利油田堤北CB20B井组顺利安装完成[4]，这也标志着我国筒型基础平台在浅海进入实用阶段。跨入21世纪，桶形基础平台作为一种新型海洋风电基础结构也逐渐被研究人员所重视。2002年，丹麦在胖特烈港试验场地安装了首台3MW桶形基础风机样机[5]。该桶形基础尺寸为：直径12m，高6m，风机采用维斯塔斯V 90型号，但该桶形基础风电设备并未投入实际工程使用，仍然处于试验研究及数值模拟阶段。在这之后，2005年，德国设计了6MW的海上风机吸力式筒型基础[6][7]，顶盖采用分隔，可以填料增加重量，下部带裙，可以负压下沉，整个结构为全钢制成来实现抗滑特性，该桶形基础仍然处于试验阶段。直到2010年10月，我国第一台3MW复合同行基础风机样机工程在江苏启东市附近海域施工完成[8]。该桶形基础正式作为实际工程设备投入使用，这也成为了世界上首个可以实现陆上建造、海上浮运、负压下沉的一步式安装海上风机工程实例[9]。

3.3 桶形基础承载力研究情况

由于桶形基础的结构形式和安装方式都有一定的特殊性，同时由于安装场所为海洋环境，地基土的本构关系、失效机理都具有一定的不确定性，桶形基础与地基土体之间的相互作用都较为复杂，桶形基础的发展面临着巨大的困难与挑战。目前，关于桶形基础的研究主要集中在静力稳定性方面，针对桶形基础静力稳定性方面的研究，主要包括桶形基础在竖向及水平荷载作用下的失稳破坏模式和极限承载力，以及长径比、桶--土相互作用等对承载力的影响。静力稳定性的研究也分为理论研究、试验研究、数值模拟等三个方面。

3.3.1 理论研究

在理论研究方面，对于桶形基础的静力稳定性、承载力及其与土体的相互作用，1993年Murff与Hamilton[10]首次采用上限解法和塑性理论分析了吸力桩基础的水平承载力，并提出了基础失稳破坏的经验计算公式；Deng等[11]通过假定粘土不同排水状态下吸力式沉箱抗拔破坏模式，进行了吸力式沉箱基础的竖向抗拔力研究，仍然采用经验参数得到了竖向抗拔力的半经验理论解；之后Aubeny等[12]在Murff-Humilton失稳破坏机制的基础上，采用基于屈服准则的理想弹塑性本构模型，进一步考虑了软土地基强度各向异性对于吸力式沉箱基础承载力的影响。在国内，黄新生[13]通过对桶形基础的承载特性和工作机理进行研究，提出了桶形基础抗上拔力和水平荷载作用的计算方法；王庚荪[14]从理论上分析了横向载荷作用下土体与桶形基础的相互作用，根据土体的简化弹簧模型，建立了单桶和四桶结构在横向载荷作用下力系的平衡方程，提出了估算水平载荷作用下桶顶水平位移的方法；严驰[15]等提出了具有浅基础特点的桶形基础平台承载力计算可采用的经典的地基承载力公式，并通过试验数据进行了土性参数的敏感性分析；王晖等[16]基于塑性极限分析理论的上限法建立了水平荷载作用下桶形基础在饱和软粘土地基上的三维极限分析模型。

3.3.2 试验研究