海上风电是清洁能源,近些年国内外海上风电工程发展迅速。国内外海上风电工程使用较多的是大直径单桩基础,其直径一般在4m～6m,甚至达到10m。由于内部存在大体积土塞,使得大直径钢管桩承载特性较为复杂。目前对土塞效应的研究多是关于中小直径钢管桩,对大、超大直径钢管桩土塞效应的研究甚少,而土塞效应对钢管桩承载特性有较大的影响。本文结合国家重点基础研究发展计划(973计划,课题编号2013CB036300)子课题《复杂环境下深水基础承载行为演化与长期性能设计》和国家电力投资集团江苏海上风力发电有限公司课题《江苏海上风电项目大直径钢管桩基础承载特性研究》(课题编号:2015-065-JSD-KJ-X),采用有限元软件ABAQUS对不同直径钢管桩的竖向和水平承载特性进行了模拟分析,并采用国内外规范对2m～10m不同直径钢管桩竖向承载力进行了计算,最后根据数值模拟结果和规范计算结果,考虑桩径和桩端进入持力层的深度,对桩端承载力系数进行了修正。本文主要研究工作和成果如下:(1)总结分析了目前关于钢管桩土塞效应和承载力的研究现状,采用ABAQUS软件对风电场试桩进行了数值模拟,模拟的竖向承载力与现场试验结果吻合较好,表明ABAQUS模拟的模型参数选取合理。(2)基于选取的模型参数,在相同的工程地质条件下,对相同桩长、不同直径及壁厚的钢管桩的竖向承载特性进行了数值模拟,获得了钢管桩竖向加载的Q-S曲线,计算了钢管桩外侧摩阻力、内侧摩阻力和桩端圆环承载力的大小及比例,分析桩径变化对钢管桩承载力的影响规律。结果表明钢管桩的总承载力随桩径基本上是线性变化的,外侧摩阻力占总承载力中的比例随桩径的增大是线性减小的,内侧摩阻力的比例维持在较低水平(20%以下),而桩端圆环的承载力占总承载力中的比例是逐渐增大的,且增速较快。(3)对依托工程6m直径的钢管桩的土塞效应进行了理论计算,结果表明工程桩闭塞效应较小。根据国内外规范对不同直径钢管桩的竖向承载力进行了理论计算,分析了各承载力的变化趋势,结果表明随着桩径的增加,《港口工程桩基规范》(JTS 167-4-2012)方法计算出的桩侧摩阻力在总承载力中的比例一直保持在76%～86%之间,而当桩端进入持力层深度大于5倍桩径时,按照《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)计算的桩侧摩阻力所占的比例保持不变。根据数值模拟结果和规范计算结果,考虑桩径和桩端进入持力层的深度,通过公式拟合,对国内规范承载力计算公式中的土塞效应系数进行了修正。(4)通过数值模拟,分析了钢管桩不同土塞高度、不同内外侧摩擦系数、不同桩径对水平承载特性的影响,结果表明土塞高度和内侧摩擦系数对钢管桩水平承载特性的影响很小,而外侧摩擦系数的变化对其有较大影响;长径比较小时钢管桩表现出刚性桩的特点。在桩顶水平力作用下桩身变形很小而桩绕某点转动导致桩顶位移增大。