1.4　海洋新型基础地基稳定性

地基基础的稳定性研究为各种海洋结构物的安全运行提供了根本保障。随着海洋工程由近海走向深远海，由传统的石油天然气领域扩展到风能、潮汐能等新能源领域，海洋资源开发的深度与广度不断增加，新型的海上结构形式应运而生，同时与这些新型结构相适应的新型基础形式也不断涌现，例如：用于海上风电机组的复合式筒型基础、用于水下生产系统的深海防沉板基础、用于深水浮式平台的吸力锚基础等。由于这些新型基础结构的形状与工作机理具有特殊性、上部结构荷载的复杂性，同时基础与地基土体间存在非线性耦合作用，使得针对这些新型基础的地基稳定性评价体系尚未建立。因此，开展海洋新型基础结构（图1.4.1）多维荷载空间的地基稳定性评价是保证海洋工程安全运行的关键，也是海洋岩土工程研究的新方向。

图1.4.1　海洋特有结构基础形式

1.4.1　复合式筒型基础

筒型基础起源于海洋工程中的吸力锚，因其具有施工简单易于安装的特点，很快应用于海洋平台的建造中。1994年7月在挪威大型导管架生产平台EUROPIPE16/11E的基础设计中第一次使用了筒型基础，2002年11月第一台应用于海上风电机组的筒型基础在丹麦腓特烈港建成。由于筒型基础不同于传统的重力式基础和桩基础，因此其地基承载特性是工程技术人员关注的焦点问题之一。

筒型基础的竖向承载力研究多源于浅基础的计算方法。国外学者研究了不同密实度砂性土中筒型基础的地基承载力，得到了相对密实度对筒型基础竖向承载力的影响，并提出了砂土中筒型基础竖向承载力与圆形浅基础竖向承载力修正系数的计算公式。对于黏土中的筒型基础，通过开展离心机试验和数值模拟分析，提出了计算筒型基础竖向承载力的方法，并得到了黏土中竖向承载力与筒基高径比的拟合关系。国内亦有研究提出了筒型基础内外壁的侧摩阻力，筒壁端阻力及顶盖反力的分布规律。

海上风电筒型基础不仅要承受竖向荷载，还要承受来自波、浪、流的水平荷载。目前对筒型基础水平向承载特性的研究多以室内试验和数值分析为主要研究手段。例如：通过试验得到不同竖向荷载作用下由水平荷载引起的荷载－位移曲线；通过离心机试验测得筒型基础的水平向极限承载力；采用上限法推导筒型基础的水平承载力，并借助非线性最优化算法得到基础埋深与基础转动点位置的关系曲线；采用数值模型方法提出筒型基础水平向受力的承载模式，基于极限平衡法建立了水平承载力计算的简化方法等。

承受巨大的弯矩作用是海上风电基础的重要特征，因此抗弯承载力验算也是海上风电地基稳定性设计的关键参数之一。2002年Byrne在论述英国海上风电基础的研究目标时提到，巨大的水平力和弯矩荷载占到了海上风电基础荷载的大部分，并提出在较低的竖向荷载作用下筒型基础的抗弯能力与竖向荷载大体上呈线性关系。其后众多学者的理论研究与室内试验揭示了筒型基础在弯矩荷载下的地基破坏模式、弯矩荷载与基础位移曲线、筒型基础抗弯承载力计算公式等。

海上风电基础的实际受荷载情况是同时承受竖向荷载，水平荷载和水平荷载引起的弯矩荷载，而进行地基稳定性验算时是把以上所有荷载分别转换为平面上的竖直向、水平向和弯矩荷载，即把复合加载模式转化为单一加载模式进行验算，这显然与实际情况存在差异。借助数值方法研究复合加载模式下地基的承载特性最早见于对浅基础的研究，例如实体基础、带裙板基础、圆形浅基础等。众多学者开展了大量的筒型基础复合加载模式下承载特性的研究，以数值方法和室内试验方法，建立了饱和软黏土及砂土地基中筒型基础的地基破坏包络面，提出了破坏包络面的数学表达式，研究了扭转力矩、基础高径比、非共面复合加载等因素对筒型基础地基破坏包络面的影响。

综上所述，对于筒型基础地基承载力的研究已有大量的研究成果，但尚未建立统一的承载力计算方法。以大直径宽浅式复合筒型基础为研究对象的地基承载力研究少有涉及。

1.4.2　深海防沉板基础

随着人类对海洋油气资源的开发由浅海向深海迈进，传统的固定式海洋平台已经不能满足深海油气资源开发的需求，因此水下生产系统逐渐成为深海油气资源开发的主体结构。由于水下生产系统通常要安装在地质条件复杂的深海海底，地基基础的稳定性是保证整个系统安全运行的前提，防沉板就是一种适用于水下生产系统的浅基础。目前，国外的防沉板基础设计已经相对成熟，并应用到北海、墨西哥湾、巴西等深海油气田工程中。而我国对防沉板基础的研究尚处于起步阶段，工程设计的主要依据是国外规范（如API、DNV）。

防沉板属于浅基础，早期的相关研究主要建立在Prandtl、Meyerhof和Hansen等对陆上浅基础承载力研究的基础之上。自20世纪90年代以来，数值计算方法被广泛用于浅基础地基的承载特性研究中。通过大量研究提出了条形基础、圆形基础、矩形基础、带裙板的格栅基础等在复合加载模式下的极限破坏状态，并建立了相关的极限状态方程，讨论了承载力系数的取值范围。国内这方面的研究也较为活跃，除了开展模型试验和数值计算外，还在浅基础地基稳定性的理论分析中引入了塑性力学的上、下限解法，得到了非均质和各向异性地基的极限承载力公式；或假定二维、三维滑动面结合刚塑性体平衡条件采用叠加法求解不同性质浅基础的地基承载力。

专门针对深海防沉板的研究，见于2005年White等针对不同形式的防沉板基础展开了软土地基上的竖向承载力和抗拔力试验研究，得出了防沉板基础竖向承载力和抗拔力与其底部格栅布置形式之间的规律。之后Gourvenec进一步讨论了裙板深度d和基础宽度B对地基极限承载力的影响，指出随着d/B的增加竖直向和水平极限承载力逐渐增大。Feng研究了矩形基础宽度和裙板对承载特性的影响，并给出了基于软黏土的极限承载力计算公式，这是目前有关无裙板防沉板基础地基承载力研究最为全面的论文。在我国，防沉板承载力的研究均以工程设计实例为依托，例如：谭越等以我国南海300m水深某油田的设计为例，对防沉板的地基承载力与沉降等进行了计算分析，为我国防沉板基础的设计提供一个可参考的实例。谭越和张晖等同样结合了实际工程给出了运用行业规范对防沉板基础进行设计的示例。

综上所述，现阶段防沉板基础地基承载力的研究主要建立在浅基础的相关研究基础之上，对工程中常用的带裙板的防沉板地基承载力研究较少。