[发明专利]海上风电单桩p-y曲线法的模型误差评估方法、装置和设备

说明书

本发明公开了一种海上风电单桩p‑y曲线法的模型误差评估方法、装置和设备，方法包括：获取海上风电单桩的实测试桩数据，创建三维有限元基准模型；分别通过实测试桩数据和三维有限元基准模型计算实测水平极限承载力和第一模型水平极限承载力，从而标定基准模型误差；调整三维有限元基准模型的模型参数，得到多个仿真案例；分别通过p‑y曲线法和三维有限元基准模型对仿真案例分析得到p‑y水平极限承载力和第二模型水平极限承载力，从而确定曲线偏差；通过曲线偏差和基准模型误差评估p‑y曲线的模型误差。本发明提供的技术方案，能在有限试桩数据条件下，提高对海上风电单桩p‑y曲线法模型误差评估的准确率。

技术领域

本发明涉及海洋岩土工程领域，具体涉及一种针对海上风电单桩p-y曲线法的模型误差评估方法、装置和设备。

背景技术

当前海上风电单桩最常用的设计方法是美国石油学会(American PetroleumInstitute，简称API)推荐的p-y曲线法。该方法将单桩假定为Euler–Bernoulli梁，将桩侧土体离散为一系列非线性刚度的弹簧。p-y曲线即为描述单桩在土体不同深度处的水平位移与土抗力之间关系的曲线。API推荐的p-y曲线由海洋油气平台细长的柔性桩(埋深比L/D≥20，L/D是桩在泥面以下的埋深L与桩径D的比值)根据现场试验总结得出。而海上风电单桩采用的半刚性单桩(埋深比L/D≤10)与海洋油气平台的单桩差异较大。在水平荷载作用下，刚性桩或半刚性桩会绕泥面以下一点转动，其泥面处的水平位移主要由桩身转动引起；而柔性桩的桩身会发生弯曲，泥面以下将出现多个反弯点，其泥面处的水平位移主要由桩身弯曲引起。此外，p-y曲线难以考虑桩侧的竖向剪应力对水平承载力的贡献，因此在海上风电单桩的应用中，可能导致设计参数偏于保守、安全冗余过大。

从可靠度设计的角度看，在承载能力极限状态下，桩顶的水平荷载有一定概率超过单桩桩顶的水平极限承载力(泥面处桩身水平位移达到0.1倍桩径时对应的桩顶水平荷载视为单桩的水平极限承载力)，该概率即为失效概率。然而当前API推荐的p-y曲线计算的风电单桩水平极限承载力与实测值之间存在一定偏差，因此为了准确评估风电单桩的失效概率，需要在可靠度计算的功能函数中引入p-y曲线法的模型误差。模型误差定义为单桩水平极限承载力实测值与p-y曲线法计算值之间的比值，该实测值通常通过试桩试验确定。通过引入模型误差可以准确评估风电单桩的真实失效概率，从而减小p-y曲线法引起的过大安全冗余。

关于单桩模型误差的研究方面，2005年Phoon等在期刊《Geótechnique》发表的“Characterisation of model uncertainties for laterally loaded rigid drilledshafts.Géotechnique”一文中，介绍了一种小直径刚性钻孔桩水平承载力计算模型的模型误差的确定方法；2014年边晓压等在《岩石力学》中发表的“考虑参数和模型不确定性的基桩正常使用极限状态可靠度分析”一文中，在考虑计算模型和荷载不确定的情况下，推导出竖向受荷桩的承载能力极限状态和正常使用极限状态可靠度指标的计算公式。但是以上文献主要针对陆地上的细长柔性桩(L/D≥20)，这些单桩的试桩数据普遍十分充足。而对于海上风电大直径单桩基础，其桩径可达到8-10m，因此试桩成本过高，试桩数据通常十分稀缺，从而上述研究模型误差的方法不适用于海上风电大直径单桩。

2020年，张海洋等在《水利学报》发表的“海上大直径单桩基础p-y曲线修正”一文中提出了一种p-y曲线修正方法。该方法通过有限元模型和p-y曲线分别计算泥土下不同深度的桩身变形和土抗力，以有限元模型的计算结果为标准，根据p-y曲线计算结果和有限元模型计算结果之间的误差，对p-y曲线的计算公式进行调整。一方面，该方法没有说明如何评估桩顶的水平极限承载力的误差；另一方面，关于海上大直径单桩各方面数据最准确的是试桩数据中的实测值，该文章直接以有限元模型的计算结果作为标准数据衡量p-y曲线的误差，依然存在不准确的问题。

从而，亟需一种能够在有限试桩数据条件下，对海上风电单桩p-y曲线法模型误差进行评估的方法。

发明内容