基于静载试验的海上风电钢管桩砂土p-y 曲线研究

基于福建某近海风电项目2根钢管桩基础水平静载试验,获得桩身弯矩和位移随深度变化规律:桩身最大弯矩位于泥面以下1D(桩径)深度附近,桩身位移在泥面下约7 m达到零值。通过实测p-y(地基土水平抗力-桩水平位移)曲线,讨论中粗砂地层的初始刚度和极限抗力随深度变化规律,并分别给出考虑桩径、埋深影响的修正公式,并在此基础上提出修正双曲线模型计算砂土的p-y曲线,并与API(American Petroleum Institute)规范及双曲线模型进行比较。结果表明API规范高估了p-y曲线的初始刚度而低估了极限抗力,计算结果在桩基变位较小时偏于危险,在桩基变位较大时偏于安全;双曲线模型同时低估了初始刚度和极限抗力,计算结果偏于保守;此外,对于泥面以下0.5D范围的中粗砂地层,各类方法均低估了p-y曲线的初始刚度和极限抗力,建议适当增加。     

响水海上风电钢管桩基础水平承载特性对比研究

结合江苏响水海上风电场2 m桩径钢管桩水平试验工程,以ANSYS有限元软件为平台建立海上风力机钢管桩的单桩基础模型,根据设计提供土层参数,采用API规范建议的p-y曲线法、港口工程桩基规范的m法和m折减法进行水平承载力计算,与实测的桩顶荷载-位移曲线、桩身变形和弯矩曲线进行对比分析,结果表明,API(American Petroleum Institute)规范建议的p-y曲线计算结果偏于安全,m法和m折减法偏于不安全,总体上m折减法与实测值更接近。上述几种分析方法的对比研究尚需更多的试验数据和计算分析工作。     

海上风电基础修正p-y曲线模型研究

单桩基础是海上风电基础中应用范围较广的基础形式,目前工程中在分析桩土相互作用及单桩位移时常采用API规范推荐的p-y曲线模型进行计算。随着桩土理论的不断发展和进步,现有的API规范推荐的p-y曲线模型在应用于大直径桩的分析和计算时,其结果低估了不同深度处土体的极限土抗力,高估了初始地基反力模量,因而降低了计算结果的准确性。该文针对该问题,分析了现有p-y曲线法中影响极限土抗力和初始地基反力模量的因素;通过建立桩土相互作用的有限元数值模型,对不同桩径和土体深度的计算模型进行分析和数据回归,引入修正系数来考虑大直径桩的尺寸效应,并讨论了不同因素影响指数的变化规律,最终建立了适用于大直径单桩基础的修正p-y曲线模型。最后通过与模型试验和现场试验的结果对比,修正后的模型对极限土抗力和初始地基反力模量的计算更加符合实际情况,从而验证了修正p-y曲线模型的可靠性与合理性。     

近海风力机水平受荷单桩简化p-y曲线研究

开展近海风力机水平受荷单桩的现场试验,实测得到桩顶荷载-位移关系、桩身变形和弯矩,揭示水平荷载作用下桩-土相互作用规律。考虑地基土埋深效应来修正初始地基反力模量,提出适用于砂土和黏土中水平受荷桩承载特性的简化p-y曲线模型,并与实测值和API规范计算值进行对比,最后对极限抗力系数和形状参数进行敏感性分析。结果表明：简化方法计算的桩顶位移和桩身最大弯矩与实测值相对误差分别为15.6%和3.2%,提出的简化方法能提高计算精度;极限抗力系数和形状参数对水平受荷桩内力和变形均较为敏感,以变形控制为设计原则的单桩基础建议取较大值。     

基于静力触探的黏土中桩基p-y曲线研究

将华能灌云海上风电场试桩试验实测数据与4种基于CPT测试的黏土p-y曲线方法的理论计算结果进行对比。对比显示：传统的p-y曲线因其原始试验的局限性会显著低估桩侧土体的极限土反力，使桩基设计偏于保守；而双曲线型的p-y曲线虽然高估桩侧土反力，但是对桩侧土体初始刚度预测较准。根据以上对比分析结果，采用Matlab回归函数进行模型集成，将传统型p-y曲线模型与双曲线型p-y曲线模型结合，提出一种基于CPT测试的适用于黏土的复合p-y曲线模型。最后通过与已有工程实例实测数据进行对比，验证了新提出方法的可靠性。该方法可为黏土中水平受荷桩基计算提供新途径。     

基于实测数据的海上风电大直径桩p-y 曲线研究

对砂土的小直径桩实测p-y(水平抗力-水平位移)曲线进行分析计算。分析桩土参数对实测p-y曲线的影响,并选用合理的标准化参数对各p-y曲线进行归一化,选用双曲线拟合归一化曲线。分析目前土体极限抗力的研究成果,选取合理的双曲线模型参数。由双曲线模型推得大直径(4~6 m)单桩的实测p-y曲线,通过软件ABAQUS和SACS对实例进行对比分析,证明双曲线模型以及参数选取的有效性及适用性。由双曲线模型得到的大直径p-y曲线形式简单,同时计算过程较简化。通过参数的选取,可充分考虑桩径和施工效应等因素的影响,普适性较好,可广泛用于工程中水平受载海上风电基础大直径桩的p-y曲线分析。     

水泥土复合单桩水平承载性能模型试验研究

为研究水泥土复合桩水平承载性能,开展水泥土复合桩水平承载性能模型试验,对比分析水泥土加固前后单桩极限承载力、桩身弯矩和桩周土抗力变化规律;考虑桩周土径向非均质性来修正初始地基反力模量和极限土抗力,提出一种适用于水泥土复合单桩水平承载性能的简化p-y曲线模型,并与试验结果进行对比,验证该简化p-y曲线模型的合理性。结果表明：相比未加固桩,加固桩极限承载力得到明显提高,2种加固宽度下单桩极限承载力分别提高5.34倍和2.68倍;无论加固桩或未加固桩,桩身弯矩随荷载和深度变化趋势大致相同,最大弯矩点位置不同,加固桩最大弯矩点位于泥面附近;水泥土加固有效提高桩身土抗力,进而提高桩基水平承载性能;对比试验结果发现,该文计算值与实测值均吻合较好,验证了该简化计算方法的合理性。     

两段变直径桩的解析分析及工程应用

桩在水平荷载作用下的内力与位移计算,桩基设计规范推荐使用m法。m法的缺点是,当为了显著增大桩的水平承载力而在靠近承台的区域将土进行换填时,该处的土实际的刚度与其假定相距甚远。采用2K法进行水平荷载作用下桩的内力与变形分析,重点把握土的两个侧向弹簧刚度。2K法在工程中的应用是广泛的:承台附近土换填或加固,或将桩顶附近弯矩较大的桩身部分设为更大的直径,上段桩土弹簧刚度将增大,在一定的水平荷载作用下,桩顶位移将减小,桩的水平承载力得到提高而节省工程造价;如果在计算模型中未建立桩单元而欲求得桩顶反力,则采用变直径桩解析分析获得的位移函数和内力函数可计算桩的内力用于配筋;对于箱型基础、大型筏板基础,可较为精确地考虑其对桩顶的嵌固作用而提高桩的水平承载力;上部结构的刚度使得桩顶部有侧向支撑,桩身弯矩变小,也可优化桩基设计;对于桩基上的动力机器和块式基础,可以认为块式或承台是上段大直径桩,由此获得的上段桩侧向土弹簧刚度将非常可观,可用于优化桩基设计。如果考虑将桩建入计算模型,可以通过本方法得出的四个刚度参数输入到弹簧支座刚度矩阵中,能够节省桩建模及其内部单元带来的大自由度,计算模型更容易维护,其这也是一体化建模发展过程中的一个重要里程碑。     

海上风电钢管桩水平承载力计算方法研究

  [目的]  p-y曲线法在计算钢管桩水平位移时的桩身受力状态有明显优势。  [方法]  开发了一套新的p-y曲线自动提取程序,根据提取的剪力用三次样条曲线进行拟合,然后一次求导得到p。  [结果]  研究表明:该方法提高计算精度的同时,降低了使用者的经验要求,方便工程推广使用。  [结论]  针对桂山海上风电场项目的大直径单桩基础现场试桩结果进行三维有限元分析,验证了该提取方法在桩土相互作用分析中的可靠性。     

北疆膨胀土渠道混凝土衬砌结构变形特性研究

为研究北疆膨胀土梯形渠道混凝土衬砌结构变形和内力的变化规律,通过室内试验和数值模拟计算基土膨胀变形量,基于弹性地基梁理论,建立计算混凝土衬砌板变形和内力的力学模型,分析了基土初始含水率为6%、9%、12%、15%的膨胀土渠道运行后混凝土衬砌板变形和内力的变化规律。结果表明,混凝土衬砌板变形和内力值随基土初始含水率的减小而增加,当基土为风干含水率6%时,渠道底板和坡板膨胀变形最大值分别可达到3.48、3.94 cm;当初始含水率一定时,坡脚处膨胀反力最大,渠底板中间位置位移和弯矩最大;渠坡板距坡脚1/3处位移最大,距坡脚1/6处弯矩最大。最后,根据研究结果提出了两种“防渗保湿”工程措施。     

长期循环荷载作用对大直径单桩水平承载特性的影响分析

海上风力机结构体系长期经受波浪、风等水平循环荷载的作用,循环荷载的长期作用会引起桩周地基土体产生棘轮效应及形成密实沉陷区,研究长期循环荷载效应对风力机单桩承载特性的影响规律具有重要的工程意义。基于有限差分软件FLAC^3D计算平台,建立风力机单桩的数值计算模型,与既有桩基试验开展对比验证模型的有效性;随后引入长期循环荷载效应引起的桩周密实沉陷简化模型,开展海上风力机大直径单桩的承载性能对比研究,探讨考虑与未考虑密实沉陷区时桩基的变形、弯矩、p-y(土体抗力-桩基水平位移)曲线的差异,分析长期循环荷载效应对桩基承载特性的影响规律。结果表明,密实沉陷对单桩的刚性转动点位置基本无影响,但在桩基埋置的浅层区域,桩周密实沉陷区对桩基水平位移影响显著,且引起桩基弯矩发生突变。     

地震作用下高桩码头钢管桩塑性区及损伤特性研究

为研究地震峰值加速度和钢管桩径厚比对高桩码头钢管桩塑性区及损伤特性的影响规律,选取径厚比分别为64、82、100的三种钢管桩,采用p-y土弹簧模拟桩土相互作用,分析了三种钢管桩全直桩码头结构在不同地震峰值加速度下的动力时程,并根据桩身截面的最大应变判别其塑性区域及地震损伤水平。计算结果表明,钢管桩塑性区出现在桩顶和淤泥质粉质粘土层中,桩顶塑性区长度在0~2.09 m范围内,土内塑性区处于泥面以下3.2~8.7m的范围内。随着地震峰值加速度的增加,钢管桩塑性区长度和损伤程度呈上升趋势,在三种钢管桩中,径厚比为100的钢管桩塑性区长度和损伤程度相对较小。     

伺服系统对10 MW单桩式近海风力机地震响应影响

为研究伺服系统对10 MW单桩式近海风力机地震动力特性的影响,以DTU 10 MW风力机为原型,建立考虑伺服系统的单桩式近海风力机模型,通过p-y曲线法构建分布式弹簧土-构耦合模型,并基于中国实测地震数据和风力机实际运行环境构建湍流风-波浪-地震伺服系统多物理场计算平台,研究其在不同状态下的动力特性。结果表明：无地震载荷作用时,当平均风速大于额定风速,风力机变桨伺服系统有效缓解了塔顶振动,并减弱了气动载荷对塔基弯矩的影响;地震载荷使风力机塔顶位移明显增加,平均增加71.66%,变桨伺服系统对塔顶位移的作用效果被削弱,使发电机转速发生更剧烈波动;地震及波浪载荷对塔基弯矩的影响很大,风浪震作用较仅湍流风载荷作用下风力机塔基弯矩最大值平均增加131.24%,不能忽略波浪载荷对塔基弯矩的影响。     

多土层桩-土耦合效应对静止状态下近海超大型风力机地震动力学响应及屈曲的影响分析

以近海DTU 10 MW超大型风力机为研究对象,选用东海实测海床土壤参数构建桩周土水平抗力-桩基形变(p-y)曲线,并基于非线性弹簧单元建立纯砂土、纯黏土及多土层桩-土耦合效应模型,选取实测地震位移数据作为地震载荷,采用有限元方法对比研究了3种桩-土耦合效应下风力机动力学响应特性.结果 表明:多土层桩-土耦合效应下塔顶位移、塔顶前后位移及侧向位移峰值及其波动的剧烈程度小于纯砂土,但大于纯黏土,采用纯砂土或纯黏土构建桩-土耦合效应模型将导致预估响应结果不准确;不同桩-土耦合效应下,塔架一阶模态均被地震载荷诱发;地震作用时纯砂土桩-土耦合效应下塔架屈曲因子最小,多土层次之,纯黏土最大;塔架最大剪应力峰值位于塔架支撑结构处,地震作用时塔架下端易发生局部屈曲,结构设计时应重点关注此处.     

桩土相互作用模拟方法对海上风机整体结构模态分析的影响

鉴于海上风机整体结构自身的频率较低使基础设计往往受其整体频率的控制,以江苏省海上某风电场工程为例,选取m法、p-y曲线法及DP模型实体有限元方法3种桩土相互作用模拟方法,分析了不同方法对海上风机整体结构模态分析产生的影响。结果表明,3种方法计算的频率相差较小,结果可靠。     

碎石桩加强软土地基的数值模拟研究

用碎石桩加强软弱土地基是水利工程中最常用的地基改良技术之一,但桩土界面处的显著水力梯度会促使粘土颗粒迁移到碎石桩孔隙中,导致阻塞,进而对软土的固结速率产生不利影响。同时,碎石桩的承载力大小主要取决于周围软土提供的侧向约束,而在深度较浅处所受围压较小,碎石桩可能发生侧向变形进而凸胀破坏。因此,基于快速拉格朗日有限微分数值模型,深入研究了碎石桩加固软土地基的荷载-沉降和固结特性,且分析了阻塞和侧向变形因素的影响。另外,模型还引入了时间变量,探讨了阻塞效应、荷载传递、横向变形随时间变化的特性,计算结果与实际情况有很好的一致性。     

冲刷作用下砂土地层中桩的侧向力学性质分析

  [目的]  冲刷是在水流以及波浪作用下土体流失的一个过程,它通常发生在桥梁、港口码头、以及海岸平台等结构的基础周围,造成基础的承载力下降,危及上部结构的安全。目前在分析桩的侧向力学行为时,只考虑了冲刷深度对桩的侧向承载力的影响,而忽略了冲刷形成的冲刷孔的影响。事实上,冲刷孔的几何形状不仅包括冲刷深度、还包括了冲刷孔的宽度以及冲刷孔的坡度。目前,工程设计中广泛采用的侧向桩分析方法,即p-y曲线方法无法考虑冲刷孔三维几何形状对桩的侧向力学性质的影响。  [方法]  针对这个问题,文章提出了一种修正的p-y曲线方法以用于分析砂土地层中桩在冲刷作用下的侧向力学响应。  [结果]  该方法改进了基于锲形体破坏模型的Reese p-y曲线法,从而能考虑冲刷孔三维几何形状的影响。将计算得到的结果与三维有限差分数值分析的结果进行了比较,验证该修正方法的可靠性。  [结论]  计算结果表明:在冲刷孔的几何形状参数里,冲刷深度对桩的侧向力学性质的影响最大,其次是冲刷孔的宽度与坡度。忽略冲刷孔几何形状的影响,桩在地面位置的侧向位移会增加49%～68%。     

承台群桩风力机基础沉降内力分析

介绍一种基于Winkler地基模型和剪切位移法的群桩沉降轴力简化分析方法。采用简化方法对风力机基础工程实例进行分析,并与沉降量实测数据进行对比。分析表明,该方法考虑了群桩效应以及土体的分层特性,计算较简便,且计算精度满足工程要求,在风力机基础竖向力学分析计算中得到较好应用。     

承台群桩风力机基础水平向力学反应分析

介绍一种基于Winkler地基模型能够考虑群桩效应以及土体分层特性的群桩水平力学反应简化计算方法。采用有限元法对已有风力机基础工程实例进行建模分析,并与简化方法计算结果进行对比。采用简化方法详细分析群桩效应对群桩风力机基础位移内力的影响。分析表明:简化方法能够考虑群桩效应以及土体的分层特性,计算较简便,且计算精度满足工程要求,在风力机基础水平力学分析计算得到较好应用。     

某大型土石坝坝脚挡墙变形机理分析

常见土石坝坝脚挡墙变形破坏机理主要有地基承载力不足、地基不均匀沉降、温度效应或自身抗滑(倾)稳定性不足等。某项目土石坝坝脚棱体排水改为挡墙后，挡墙变形特征与常见起因均不相符，变形仅在挡墙伸缩缝处可见，伸缩缝呈张开、闭合或错位等变化。研究发现，伸缩缝变形是因坝体固结沉降导致挡墙产生水平位移，并与相邻挡墙间形成水平位移差有关，位移差越大变形越严重；同时挡墙水平位移大小与坝截面高度、坝基所处水文地质条件等相关。土石坝下游棱体排水改为重力式挡墙后，除按规范要求设计计算外，还应计算挡墙间水平位移差，并考虑挡墙位移、排水不畅对坝体下游排水系统的影响。研究结果对正确分析坝脚挡墙变形机制和挡墙抗滑设计具有较好的参考价值。