海上风电单桩p-y曲线法的模型误差评估方法、装置和设备与流程

1.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：

2.当前海上风电单桩最常用的设计方法是美国石油学会(american petroleum institute，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。
3.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。
4.关于单桩模型误差的研究方面，2005年phoon等在期刊《ge
ó
technique》发表的“characterisation of model uncertainties for laterally loaded rigid drilled shafts.g
é
otechnique”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。
5.2020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。
6.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。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明实施方式提供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，从而在有限试桩数据条件下，提高了对海上风电单桩p-y曲线法模型误差评估的准确率。
8.根据第一方面，本发明实施例提供了一种海上风电单桩p-y曲线法的模型误差评估方法，所述方法包括：获取海上风电单桩的实测试桩数据，所述实测试桩数据包括荷载-位移曲线，所述荷载-位移曲线用于表征桩顶的水平荷载与泥面处桩身的水平位移之间的关系；创建用于分析海上风电单桩水平承载力的三维有限元基准模型；分别通过所述实测试桩数据和所述三维有限元基准模型计算相同工况下的实测水平极限承载力和第一模型水平极限承载力，并根据所述实测水平极限承载力和第一模型水平极限承载力之间的差异，标定所述三维有限元基准模型相对于实测试桩数据的基准模型误差；调整所述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曲线法和所述三维有限元基准模型对相同的仿真案例依次进行分析计算，得到互相对应的p-y水平极限承载力和第二模型水平极限承载力，并根据所述p-y水平极限承载力和第二模型水平极限承载力之间的差异，确定p-y曲线法相对于所述三维有限元基准模型的曲线偏差；通过所述曲线偏差和所述基准模型误差评估p-y曲线法相对于实测试桩数据的p-y曲线模型误差。
9.可选地，所述模型参数包括桩体参数和土体本构参数，所述桩体参数包括桩的埋深l、桩的直径d、桩的壁厚t、加载点高度h；所述土体本构参数包括：土体有效重度γ'、初始参考孔隙比e0、泊松比υ、临界状态线斜率m、压缩系数λ、膨胀系数κ、渗透系数k、初始超固结参数r、超固结控制参数mr、初始结构性参数r
*
和结构性控制参数m
*r
。
10.可选地，通过p-y曲线法计算各个仿真案例对应的p-y水平极限承载力的步骤包括：将单桩从泥面以下至桩底的部分划分为预设数量的计算单元，并根据所述计算单元和当前仿真案例创建有限差分方程；初始化桩顶水平荷载和各个节点的水平位移，所述节点是所述计算单元的端点；将各个节点初始化的水平位移代入p-y曲线，得到各个节点的土抗力；将各个节点的土抗力代入所述有限差分方程，计算得到各个节点的新水平位移；若各个节点的新水平位移和各个节点初始化的水平位移之间的误差小于预设阈值，且泥面处桩身的新水平位移达到0.1倍桩径时，将初始化的桩顶水平荷载作为当前仿真案例的p-y水平极限承载力；若各个节点的新水平位移和各个节点初始化的水平位移之间的误差大于等于预设阈值，或泥面处桩身的新水平位移没有达到0.1倍桩径，则返回所述初始化桩顶水平荷载和各个节点的水平位移的步骤，重新初始化。
11.可选地，所述曲线偏差是所述第二模型水平极限承载力和所述p-y水平极限承载力的比值；所述基准模型误差是所述实测水平极限承载力和所述第一模型水平极限承载力的比值。
12.可选地，所述通过所述曲线偏差和所述基准模型误差评估p-y曲线法相对于实测试桩数据的p-y曲线模型误差，包括：分别估计所述基准模型误差和所述曲线偏差的概率分布；根据估计的基准模型误差概率分布确定所述基准模型误差对应的第一均值和第一变异系数，并根据估计的曲线偏差概率分布确定所述曲线偏差对应的第二均值和第二变异系数；通过所述第一均值和所述第二均值的乘积计算所述p-y曲线模型误差对应的第三均值；通过所述第一变异系数和所述第二变异系数平方和的开方计算所述p-y曲线模型误差对应的第三变异系数；通过安德森-达林检验来检验p-y曲线模型误差对应的概率分布形式，并通过所述第三均值、所述第三变异系数和p-y曲线模型误差对应的概率分布形式确定所述p-y曲线模型误差。
13.可选地，所述基准模型误差和所述曲线偏差的概率分布估计为对数正态分布。
14.可选地，所述有限差分方程包括：
[0015][0016][0017][0018]
式中，h为计算单元的长度；yi表示第i个节点的水平位移；m0为作用在泥面处桩身上的弯矩；v0为作用在泥面处桩身上的水平剪力，其中m0和v0由初始化的桩顶水平荷载转化得到；pi为作用在第i个节点上的土抗力；eiii为第i个节点的抗弯刚度，其中第0个节点为泥面处的节点，泥面以上的节点为负数，泥面以下的节点为正数。
[0019]
根据第二方面，本发明实施例提供了一种海上风电单桩p-y曲线法的模型误差评估装置，所述装置包括：数据采集模块，用于获取海上风电单桩的实测试桩数据，所述实测试桩数据包括荷载-位移曲线，所述荷载-位移曲线用于表征桩顶的水平荷载与泥面处桩身的水平位移之间的关系；模型创建模块，用于创建用于分析海上风电单桩水平承载力的三维有限元基准模型；有限元模型误差标定模块，用于分别通过所述实测试桩数据和所述三维有限元基准模型计算相同工况下的实测水平极限承载力和第一模型水平极限承载力，并根据所述实测水平极限承载力和第一模型水平极限承载力之间的差异，标定所述三维有限元基准模型相对于实测试桩数据的基准模型误差；仿真数据生成模块，用于调整所述三维有限元基准模型的模型参数，得到多个仿真案例；曲线偏差标定模块，用于分别通过p-y曲线法和所述三维有限元基准模型对相同的仿真案例依次进行分析计算，得到互相对应的p-y水平极限承载力和第二模型水平极限承载力，并根据所述p-y水平极限承载力和第二模型水平极限承载力之间的差异，确定p-y曲线法相对于所述三维有限元基准模型的曲线偏差；p-y曲线法误差评估模块，用于通过所述曲线偏差和所述基准模型误差评估p-y曲线法相对于实测试桩数据的p-y曲线模型误差。
[0020]
根据第三方面，本发明实施例提供了一种海上风电单桩p-y曲线法的模型误差评估设备，包括：存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行第一方面，或者第一
方面任意一种可选实施方式中所述的方法。
[0021]
根据第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使计算机执行第一方面，或者第一方面任意一种可选实施方式中所述的方法。
[0022]
本技术提供的技术方案，具有如下优点：
[0023]
本技术提供的技术方案，在海上风电单桩基础的试桩数据稀缺的情况下，以三维有限元基准模型为桥梁，提出了一种海上风电单桩评估p-y曲线法模型误差的计算方法：首先获取海上风电单桩的实测试桩数据，实测试桩数据包括荷载-位移曲线；然后创建用于分析海上风电单桩水平承载力的三维有限元基准模型；之后分别通过实测试桩数据和三维有限元基准模型计算相同工况下的实测水平极限承载力和第一模型水平极限承载力，并根据实测水平极限承载力和第一模型水平极限承载力之间的差异，标定三维有限元基准模型相对于实测试桩数据的基准模型误差；然后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相同的仿真案例依次进行分析计算，得到互相对应的p-y水平极限承载力和第二模型水平极限承载力，并根据p-y水平极限承载力和第二模型水平极限承载力之间的差异，确定p-y曲线法相对于三维有限元基准模型的曲线偏差；最后通过曲线偏差和基准模型误差综合评估p-y曲线法相对于实测试桩数据的p-y曲线模型误差。弥补了试桩数据的不足，进而提高了p-y曲线法相对于实测试桩数据误差评估的准确度，为海上风电大直径单桩的可靠度计算以及基于可靠度理论的设计方法的研发提供帮助。
附图说明
[0024]
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
[0025]
图1示出了本发明一个实施方式中海上风电单桩p-y曲线法的模型误差评估方法的步骤示意图；
[0026]
图2示出了本发明一个实施方式中pisa试桩项目示意图；
[0027]
图3示出了本发明一个实施方式中三维有限元基准模型的结构示意图；
[0028]
图4示出了本发明一个实施方式中基准模型误差和曲线偏差的概率分布示意图；
[0029]
图5示出了本发明一个实施方式中海上风电单桩p-y曲线法的模型误差评估装置的结构示意图；
[0030]
图6示出了本发明一个实施方式中海上风电单桩p-y曲线法的模型误差评估设备的结构示意图。
具体实施方式
[0031]
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
[0032]
请参阅图1，在一个实施方式中，一种海上风电单桩p-y曲线法的模型误差评估方法，具体包括以下步骤：
[0033]
步骤s101：获取海上风电单桩的实测试桩数据，实测试桩数据包括荷载-位移曲线，荷载-位移曲线用于表征桩顶的水平荷载与泥面处桩身的水平位移之间的关系。
[0034]
具体地，本实施例首先通过文献调研等方式收集海上风电单桩的实测试桩数据，该数据主要为荷载-位移曲线，还包括部分与桩有关的其他数据，例如桩身的一些形变。其中实测试桩数据为少量的数据，荷载-位移曲线是指，桩顶加载点的水平荷载与桩身泥面处的水平位移之间的关系曲线。以pisa(pile
–
soil analysis，桩土分析)项目为例，如图2所示，风电单桩可分为泥面以下到桩底与泥面以上到桩顶法兰盘两部分。水平加载时通常利用千斤顶对桩顶施加水平反力，同时测量泥面处桩身的水平位移。通过上述加载和测量方式可以得到桩顶的水平荷载与泥面处桩身的水平位移之间的关系，得到荷载-位移曲线，目前国内外文献中的试桩试验得到的荷载-位移曲线通常为桩顶水平荷载与泥面处桩身水平位移的关系曲线。目前，国内外大部分文献将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，本发明实施例亦采用此标准，故荷载-位移曲线可用于确定单桩的水平极限承载力。
[0035]
步骤s102：创建用于分析海上风电单桩水平承载力的三维有限元基准模型。
[0036]
步骤s103：分别通过实测试桩数据和三维有限元基准模型计算相同工况下的实测水平极限承载力和第一模型水平极限承载力，并根据实测水平极限承载力和第一模型水平极限承载力之间的差异，标定三维有限元基准模型相对于实测试桩数据的基准模型误差。
[0037]
具体地，为了弥补试桩数据的不足，本发明实施例创建用于分析海上风电单桩水平承载力的三维有限元基准模型，通过三维有限元基准模型进行模拟仿真实验，得到仿真数据，从而扩充数据量。并且以三维有限元基准模型为桥梁分析p-y曲线法相对于实测试桩数据的模型误差。
[0038]
具体操作包括：考虑三维有限元基准模型计算的水平极限承载力相比真实值同样存在误差，从而本发明实施例需要通过实测试桩数据预先标定三维有限元基准模型相对于实测试桩数据的基准模型误差。本实施例采用abaqus有限元软件建立大直径单桩的三维有限元基准模型，如图3所示，基准模型可采用基于修正剑桥模型的上下负荷面本构模型，该本构模型在修正剑桥模型的基础上，引入了下负荷面来考虑土体的超固结特性，以及引入了上负荷面来考虑土体的结构特性，因此能够准确地模拟复杂工况下自然土的响应，该本构模型可作为黏土与砂土的统一本构模型。然后分别通过实测试桩数据和三维有限元基准模型计算相同工况(此处的相同工况指的是实测试桩数据表示的工况)下的实测水平极限承载力和第一模型水平极限承载力，根据实测水平极限承载力和第一模型水平极限承载力之间的差异得到三维有限元基准模型相对于实测试桩数据的基准模型误差，差异计算方法可以包括做差、比值等等，考虑传统p-y曲线法的模型误差定义为“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”，为了便于风电单桩的失效概率的计算，本发明实施例也通过比值的形式体现有限元基准模型和实测试桩数据之间的误差，如下式所示：
[0039][0040]
式中，pm为单桩的实测水平极限承载力，通过实测试桩数据得到，即当泥面处桩身
的水平位移达到0.1d时所对应的水平荷载，d为桩径；p
fem
为三维有限元基准模型计算得到的第一模型水平极限承载力，ε
fem
为基准模型误差。
[0041]
步骤s104：调整三维有限元基准模型的模型参数，得到多个仿真案例。
[0042]
具体地，本步骤是弥补试桩数据不足的准备阶段。通过调整三维有限元基准模型的模型参数，得到大量仿真案例，模型参数包括桩体参数和土体本构参数，通过改变基准模型的土体本构参数构建多种类型的场地，通过改变单桩的桩体参数形成多种l/d的风电单桩，以此构建大量数值试验案例，弥补试桩数据的不足。具体地，在一实施例中，桩体参数具体包括桩的埋深l、桩的直径d、桩的壁厚t、加载点高度h；土体本构参数具体包括：土体有效重度γ'、初始参考孔隙比e0、泊松比υ、临界状态线斜率m、压缩系数λ、膨胀系数κ、渗透系数k、初始超固结参数r、超固结控制参数mr、初始结构性参数r
*
和结构性控制参数m
*r
。
[0043]
步骤s105：分别通过p-y曲线法和三维有限元基准模型对相同的仿真案例依次进行分析计算，得到互相对应的p-y水平极限承载力和第二模型水平极限承载力，并根据p-y水平极限承载力和第二模型水平极限承载力之间的差异，确定p-y曲线法相对于三维有限元基准模型的曲线偏差。
[0044]
具体地，基于步骤s104扩充案例的案例参数通过三维有限元基准模型进行大量水平荷载-位移的仿真实验和计算，从而得到各个仿真案例的在泥面处桩身的水平位移达到0.1d时所对应的第二模型水平极限承载力。同时，将各个案例对应的案例参数带入p-y曲线法，计算出对应的p-y水平极限承载力。最后综合各个案例p-y水平极限承载力和第二模型水平极限承载力之间的差异，确定p-y曲线法相对于三维有限元基准模型的曲线偏差。在本实施例中，曲线偏差的计算方法为第二模型水平极限承载力和p-y水平极限承载力的比值，可对多个案例的比值取平均值达到融合的目的，具体如下式：
[0045][0046]
式中，η表示p-y曲线法相对于三维有限元基准模型的曲线偏差，p
fem
表示第二模型水平极限承载力，p
py
表示p-y水平极限承载力。
[0047]
具体地，在本发明实施例中，根据实际应用场景可采用的api推荐的p-y曲线法如下：
[0048]
对于黏土api推荐的p-y曲线可表示为
[0049][0050]
式中，p为水平土抗力；y为水平位移；yc＝2.5εcd，εc为不扰动土样的不排水压缩试验中，出现在0.5倍最大应力时的应变，d为桩径；pu为极限土抗力，表示为
[0051][0052]
su为土体不排水抗剪强度；γ'为土体有效重度；x为泥面以下的深度；j为无因次
经验常数，根据试验和工程经验，取值范围在0.25～0.5；xr为泥面以下到土抗力减少区域底部的深度，表示为
[0053][0054]
对于砂土，api推荐的p-y曲线可表示为
[0055][0056]
其中x为泥面下的深度；a为考虑静力或循环荷载条件的系数，静力条件下a＝(3-0.8h/d)≥0.9，循环荷载下a＝0.9；k为地基反力初始模量，可根据api规范取值；pu为极限土抗力，可表示为
[0057][0058]
式中c1、c2和c3为内摩擦角的函数值，可根据api规范进行取值。
[0059]
步骤s106：通过曲线偏差和基准模型误差评估p-y曲线法相对于实测试桩数据的p-y曲线模型误差。
[0060]
具体地，最后，综合分析上述步骤的曲线偏差和基准模型误差，将两类误差参数融合。例如根据两类误差参数的间隔生成新的误差参数，从而得到p-y曲线法相对于实测试桩数据的p-y曲线模型误差。通过本发明实施例提供的海上风电单桩p-y曲线法的模型误差评估方法，弥补了试桩数据的不足，能够显著提高评估p-y曲线法计算单桩水平极限承载力的误差准确度，为海上风电大直径单桩的可靠度计算以及基于可靠度理论的设计方法的研发提供帮助。
[0061]
具体地，在一实施例中，上述步骤s105，具体包括如下步骤：
[0062]
步骤一：将单桩从泥面以下至桩底的部分划分为预设数量的计算单元，并根据计算单元和当前仿真案例创建有限差分方程。
[0063]
具体地，本发明实施例通过有限差分法和p-y曲线对所构建的数值试验仿真案例进行分析计算，得到各仿真案例的p-y水平极限承载力。首先，将单桩从泥面以下至桩底的部分划分为预设数量的计算单元，为创建有限差分方程做准备。然后根据计算单元和当前仿真案例创建有限差分方程，在本实施例中，有限差分方程如下：
[0064][0065][0066][0067]
式中，h为计算单元的长度；yi表示第i个节点的水平位移，节点表示计算单元的端
点；m0为作用在泥面处桩身上的弯矩；v0为作用在泥面处桩身上的水平剪力，其中m0和v0由初始化的桩顶水平荷载转化得到；pi为作用在第i个节点上的土抗力；eiii为第i个节点的抗弯刚度，其中第0个节点为泥面处的节点，泥面以上的节点为负数，泥面以下的节点为正数。需要注意的是，泥面处的土抗力p0与上下相邻的节点{y-2
,y-1
,y0,y1,y2}均存在一定的关系，因此通常会在泥面以上增设两个虚节点y-2
和y-1
,。此时pi和yi均为未知量，已知量仅有桩顶的水平荷载。
[0068]
步骤二：初始化桩顶水平荷载和各个节点的水平位移，节点是计算单元的端点。
[0069]
步骤三：将各个节点初始化的水平位移代入p-y曲线，得到各个节点的土抗力。
[0070]
步骤四：将各个节点的土抗力代入有限差分方程，计算得到各个节点的新水平位移。
[0071]
步骤五：若各个节点的新水平位移和各个节点初始化的水平位移之间的误差小于预设阈值，且泥面处桩身的新水平位移达到0.1倍桩径时，将初始化的桩顶水平荷载作为当前仿真案例的p-y水平极限承载力。
[0072]
步骤六：若各个节点的新水平位移和各个节点初始化的水平位移之间的误差大于等于预设阈值，或泥面处桩身的新水平位移没有达到0.1倍桩径，则返回初始化桩顶水平荷载和各个节点的水平位移的步骤，重新初始化。
[0073]
具体地，开始进入计算流程，针对当前仿真案例，初始化桩顶水平荷载p，转化为已知量m0和v0。未知量为yi和pi。先初始化各个节点的水平位移yi，给未知向量yi赋予微小的值，如10-3
；在已知yi的情况下，将yi和当前仿真案例的模型参数代入上述实施例提供的p-y曲线关系，计算得到各个节点的土抗力pi。此时已知有限差分方程右边的向量{m-0
,v0,p0,
……
pn,0,0}，根据上述有限差分方程，可以计算得到各个节点的新水平位移{y-2new
,y-1new
,y
0new
,
……
,y
nnew
,y
n+1new
,y
n+2new
}。
[0074]
之后，判断新水平位移和各个节点初始化的水平位移是否满足条件：
[0075][0076]
其中，tol为预设阈值，例如取为10-5
。
[0077]
若满足上述条件，继续判断泥面处桩身的位移y
0new
是否达到0.1d，d是桩径，若达到了0.1d，则将当前桩顶作用的水平荷载p作为单桩的水平极限承载力。否则返回步骤二，重新初始化进行迭代，直至满足上述条件为止。通过本发明实施例提供的计算过程，即可准确计算出当前仿真案例的p-y水平极限承载力，其他仿真案例的计算过程相同。其中，上述差分计算过程可采用python编写基于api推荐的p-y曲线法的有限差分计算程序实现。
[0078]
具体地，在一实施例中，上述步骤s106，具体包括如下步骤：
[0079]
步骤七：分别估计基准模型误差和曲线偏差的概率分布。
[0080]
具体地，在可靠度计算中，水平荷载、单桩水平极限承载力和模型误差等变量均被视为随机变量，直接评估误差有一定难度，而这些随机变量通常服从一定的概率分布形式，具有一定的均值和变异系数。因此，本发明实施例通过概率分布对p-y曲线模型误差进行评估，能够提高模型误差评估的准确性。首先，分别估计基准模型误差和曲线偏差的概率分布，例如正态分布、卡方分布、泊松分布等。值得注意的是，在本发明实施例中，如图4所示，估计的基准模型误差和曲线偏差的概率分布均为对数正态分布。
[0081]
步骤八：根据估计的基准模型误差概率分布确定基准模型误差对应的第一均值和第一变异系数，并根据估计的曲线偏差概率分布确定曲线偏差对应的第二均值和第二变异系数。
[0082]
步骤九：通过第一均值和第二均值的乘积计算p-y曲线模型误差对应的第三均值。
[0083]
步骤十：通过第一变异系数和第二变异系数平方和的开方计算p-y曲线模型误差对应的第三变异系数。
[0084]
具体地，在已知基准模型误差和曲线偏差的概率分布均为对数正态分布的前提下，可通过数理统计的方法计算基准模型误差对应的第一均值和第一变异系数，曲线偏差对应的第二均值和第二变异系数。其中，根据已知的概率分布计算均值和变异系数的过程为现有技术，在此不再赘述。
[0085]
当基准模型误差对应的第一均值和第一变异系数，曲线偏差对应的第二均值和第二变异系数确定之后，本发明实施例通过如下公式计算第三均值和第三变异系数，其中第三均值则是p-y曲线模型误差对应的均值，第三变异系数则是p-y曲线模型误差对应的变异系数。
[0086]
e(ε
py
)＝e(ε
fem
)
·
e(η)
[0087][0088]
式中，e(ε
fem
)表示第一均值，e(η)表示第二均值，cov(ε
fem
)表示第一变异系数，cov(η)表示第二变异系数，ε
py
表示p-y曲线法相对于实测试桩数据的p-y曲线模型误差，e(ε
py
)表示第三均值，cov(ε
py
)表示第三变异系数。通过计算第一均值和第二均值的乘积确定第三均值，通过计算第一变异系数和第二变异系数平方和的开方确定第三变异系数。
[0089]
步骤十一：通过安德森-达林检验来检验p-y曲线模型误差对应的概率分布形式，并通过已知的第三均值、第三变异系数和概率分布形式确定p-y曲线模型误差。
[0090]
具体地，安德森-达林检验(anderson-darlingtest)能够用于衡量我们的数据与指定分布的拟合程度(安德森-达林检验为现有技术，在此不再赘述)，从而通过安德森-达林检验得到p-y曲线模型误差对应的概率分布形式，结合上述步骤十计算的第三均值e(ε
py
)和第三变异系数cov(ε
py
)进行反向计算，能够得到p-y曲线模型误差ε
py
，从而实现了p-y曲线法模型误差的准确评估，为解决p-y曲线法模型误差难以评估的问题提供了一种新思路。
[0091]
通过上述步骤，本技术提供的技术方案，在海上风电单桩基础的试桩数据稀缺的情况下，以三维有限元基准模型为桥梁，提出了海上风电单桩评估p-y曲线法模型误差的计算方法：首先获取海上风电单桩的实测试桩数据，实测试桩数据包括荷载-位移曲线；然后创建用于分析海上风电单桩水平承载力的三维有限元基准模型；之后分别通过实测试桩数据和三维有限元基准模型计算相同工况下的实测水平极限承载力和第一模型水平极限承载力，并根据实测水平极限承载力和第一模型水平极限承载力之间的差异，标定三维有限元基准模型相对于实测试桩数据的基准模型误差；然后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相同的仿真案例依次进行分析计算，得到互相对应的p-y水平极限承载力和第二模型水平极限承载力，并根据p-y水平极限承载力和第二模型水平极限承载力之间的差异，确定p-y曲线法相对于三维有限元基准模型的曲线偏差；最后通过曲线偏差和基准模型误差综合评估p-y曲线法相对于实
测试桩数据的p-y曲线模型误差。弥补了试桩数据的不足，进而提高了p-y曲线法相对于实测试桩数据误差评估的准确度，为海上风电大直径单桩的可靠度计算以及基于可靠度理论的设计方法的研发提供帮助。
[0092]
如图5所示，本实施例还提供了一种海上风电单桩p-y曲线法的模型误差评估装置，装置包括：
[0093]
数据采集模块101，用于获取海上风电单桩的实测试桩数据，实测试桩数据包括荷载-位移曲线，荷载-位移曲线用于表征桩顶的水平荷载与泥面处桩身的水平位移之间的关系。详细内容参见上述方法实施例中步骤s101的相关描述，在此不再进行赘述。
[0094]
模型创建模块102，用于创建用于分析海上风电单桩水平承载力的三维有限元基准模型。详细内容参见上述方法实施例中步骤s102的相关描述，在此不再进行赘述。
[0095]
有限元模型误差标定模块103，用于分别通过实测试桩数据和三维有限元基准模型计算相同工况下的实测水平极限承载力和第一模型水平极限承载力，并根据实测水平极限承载力和第一模型水平极限承载力之间的差异，标定三维有限元基准模型相对于实测试桩数据的基准模型误差。详细内容参见上述方法实施例中步骤s103的相关描述，在此不再进行赘述。
[0096]
仿真数据生成模块104，用于调整三维有限元基准模型的模型参数，得到多个仿真案例。详细内容参见上述方法实施例中步骤s104的相关描述，在此不再进行赘述。
[0097]
曲线偏差标定模块105，用于分别通过p-y曲线法和三维有限元基准模型对相同的仿真案例依次进行分析计算，得到互相对应的p-y水平极限承载力和第二模型水平极限承载力，并根据p-y水平极限承载力和第二模型水平极限承载力之间的差异，确定p-y曲线法相对于三维有限元基准模型的曲线偏差。详细内容参见上述方法实施例中步骤s105的相关描述，在此不再进行赘述。
[0098]
p-y曲线法误差评估模块106，用于通过曲线偏差和基准模型误差评估p-y曲线法相对于实测试桩数据的p-y曲线模型误差。详细内容参见上述方法实施例中步骤s106的相关描述，在此不再进行赘述。
[0099]
本发明实施例提供的海上风电单桩p-y曲线法的模型误差评估装置，用于执行上述实施例提供的海上风电单桩p-y曲线法的模型误差评估方法，其实现方式与原理相同，详细内容参见上述方法实施例的相关描述，不再赘述。
[0100]
通过上述各个组成部分的协同合作，本技术提供的技术方案，在海上风电单桩基础的试桩数据稀缺的情况下，以三维有限元基准模型为桥梁，提出了海上风电单桩评估p-y曲线法模型误差的计算方法：首先获取海上风电单桩的实测试桩数据，实测试桩数据包括荷载-位移曲线；然后创建用于分析海上风电单桩水平承载力的三维有限元基准模型；之后分别通过实测试桩数据和三维有限元基准模型计算相同工况下的实测水平极限承载力和第一模型水平极限承载力，并根据实测水平极限承载力和第一模型水平极限承载力之间的差异，标定三维有限元基准模型相对于实测试桩数据的基准模型误差；然后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相同的仿真案例依次进行分析计算，得到互相对应的p-y水平极限承载力和第二模型水平极限承载力，并根据p-y水平极限承载力和第二模型水平极限承载力之间的差异，确定p-y曲线法相对于三维有限元基准模型的曲线偏差；最后通过曲线偏差和基准模型误差综合评
估p-y曲线法相对于实测试桩数据的p-y曲线模型误差。弥补了试桩数据的不足，进而提高了p-y曲线法相对于实测试桩数据评估水平极限承载力误差的准确度，为海上风电大直径单桩的可靠度计算以及基于可靠度理论的设计方法的研发提供帮助。
[0101]
图6示出了本发明实施例的一种海上风电单桩p-y曲线法的模型误差评估设备，该设备包括处理器901和存储器902，可以通过总线或者其他方式连接，图6中以通过总线连接为例。
[0102]
处理器901可以为中央处理器(central processing unit，cpu)。处理器901还可以为其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现场可编程门阵列(field-programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。
[0103]
存储器902作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块，如上述方法实施例中的方法所对应的程序指令/模块。处理器901通过运行存储在存储器902中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行处理器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例中的方法。
[0104]
存储器902可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储处理器901所创建的数据等。此外，存储器902可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器902可选包括相对于处理器901远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器901。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
[0105]
一个或者多个模块存储在存储器902中，当被处理器901执行时，执行上述方法实施例中的方法。
[0106]
上述海上风电单桩p-y曲线法的模型误差评估设备具体细节可以对应参阅上述方法实施例中对应的相关描述和效果进行理解，此处不再赘述。
[0107]
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，实现的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，rom)、随机存储记忆体(random access memory，ram)、快闪存储器(flash memory)、硬盘(hard disk drive，缩写：hdd)或固态硬盘(solid-state drive，ssd)等；存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
[0108]
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

技术特征：
1.一种海上风电单桩p-y曲线法的模型误差评估方法，其特征在于，所述方法包括：获取海上风电单桩的实测试桩数据，所述实测试桩数据包括荷载-位移曲线，所述荷载-位移曲线用于表征桩顶的水平荷载与泥面处桩身的水平位移之间的关系；创建用于分析海上风电单桩水平承载力的三维有限元基准模型；分别通过所述实测试桩数据和所述三维有限元基准模型计算相同工况下的实测水平极限承载力和第一模型水平极限承载力，并根据所述实测水平极限承载力和第一模型水平极限承载力之间的差异，标定所述三维有限元基准模型相对于实测试桩数据的基准模型误差；调整所述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曲线法和所述三维有限元基准模型对相同的仿真案例依次进行分析计算，得到互相对应的p-y水平极限承载力和第二模型水平极限承载力，并根据所述p-y水平极限承载力和第二模型水平极限承载力之间的差异，确定p-y曲线法相对于所述三维有限元基准模型的曲线偏差；通过所述曲线偏差和所述基准模型误差评估p-y曲线法相对于实测试桩数据的p-y曲线模型误差。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述模型参数包括桩体参数和土体本构参数，所述桩体参数包括桩的埋深、桩的直径、桩的壁厚、加载点高度；所述土体本构参数包括：土体有效重度、初始参考孔隙比、泊松比、临界状态线斜率、压缩系数、膨胀系数、渗透系数、初始超固结参数、超固结控制参数、初始结构性参数和结构性控制参数。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过p-y曲线法计算各个仿真案例对应的p-y水平极限承载力的步骤包括：将单桩从泥面以下至桩底的部分划分为预设数量的计算单元，并根据所述计算单元和当前仿真案例创建有限差分方程；初始化桩顶水平荷载和各个节点的水平位移，所述节点是所述计算单元的端点；将各个节点初始化的水平位移代入p-y曲线，得到各个节点的土抗力；将各个节点的土抗力代入所述有限差分方程，计算得到各个节点的新水平位移；若各个节点的新水平位移和各个节点初始化的水平位移之间的误差小于预设阈值，且泥面处桩身的新水平位移达到0.1倍桩径时，将初始化的桩顶水平荷载作为当前仿真案例的p-y水平极限承载力；若各个节点的新水平位移和各个节点初始化的水平位移之间的误差大于等于预设阈值，或泥面处桩身的新水平位移没有达到0.1倍桩径，则返回所述初始化桩顶水平荷载和各个节点的水平位移的步骤，重新初始化。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述曲线偏差是所述第二模型水平极限承载力和所述p-y水平极限承载力的比值；所述基准模型误差是所述实测水平极限承载力和所述第一模型水平极限承载力的比值。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述通过所述曲线偏差和所述基准模型误差评估p-y曲线法相对于实测试桩数据的p-y曲线模型误差，包括：分别估计所述基准模型误差和所述曲线偏差的概率分布；根据估计的基准模型误差概率分布确定所述基准模型误差对应的第一均值和第一变
异系数，并根据估计的曲线偏差概率分布确定所述曲线偏差对应的第二均值和第二变异系数；通过所述第一均值和所述第二均值的乘积计算所述p-y曲线模型误差对应的第三均值；通过所述第一变异系数和所述第二变异系数平方和的开方计算所述p-y曲线模型误差对应的第三变异系数；通过安德森-达林检验来检验p-y曲线模型误差对应的概率分布形式，并通过所述第三均值、所述第三变异系数和所述p-y曲线模型误差对应的概率分布形式确定所述p-y曲线模型误差。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述基准模型误差和所述曲线偏差的概率分布估计为对数正态分布。7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述有限差分方程包括：7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述有限差分方程包括：7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述有限差分方程包括：式中，h为计算单元的长度；y
i
表示第i个节点的水平位移；m0为作用在泥面处桩身上的弯矩；v0为作用在泥面处桩身上的水平剪力，其中m0和v0由初始化的桩顶水平荷载转化得到；p
i
为作用在第i个节点上的土抗力；e
i
i
i
为第i个节点的抗弯刚度，其中第0个节点为泥面处的节点，泥面以上的节点为负数，泥面以下的节点为正数。8.一种海上风电单桩p-y曲线法的模型误差评估装置，其特征在于，所述装置包括：数据采集模块，用于获取海上风电单桩的实测试桩数据，所述实测试桩数据包括荷载-位移曲线，所述荷载-位移曲线用于表征桩顶的水平荷载与泥面处桩身的水平位移之间的关系；模型创建模块，用于创建用于分析海上风电单桩水平承载力的三维有限元基准模型；有限元模型误差标定模块，用于分别通过所述实测试桩数据和所述三维有限元基准模型计算相同工况下的实测水平极限承载力和第一模型水平极限承载力，并根据所述实测水平极限承载力和第一模型水平极限承载力之间的差异，标定所述三维有限元基准模型相对于实测试桩数据的基准模型误差；仿真数据生成模块，用于调整所述三维有限元基准模型的模型参数，得到多个仿真案例；曲线偏差标定模块，用于分别通过p-y曲线法和所述三维有限元基准模型对相同的仿真案例依次进行分析计算，得到互相对应的p-y水平极限承载力和第二模型水平极限承载力，并根据所述p-y水平极限承载力和第二模型水平极限承载力之间的差异，确定p-y曲线法相对于所述三维有限元基准模型的曲线偏差；p-y曲线法误差评估模块，用于通过所述曲线偏差和所述基准模型误差评估p-y曲线法
相对于实测试桩数据的p-y曲线模型误差。9.一种海上风电单桩p-y曲线法的模型误差评估设备，其特征在于，包括：存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行如权利要求1-7任一项所述的方法。10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使计算机执行如权利要求1-7任一项所述的方法。

技术总结
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。型误差评估的准确率。型误差评估的准确率。


技术研发人员：张泽超 张璐璐 张炜 雷肖 廖晨聪 徐海滨 王卫 于光明 王浩
受保护的技术使用者：中国长江三峡集团有限公司
技术研发日：2023.04.20
技术公布日：2023/8/21