基于现场试验的海上风电大直径单桩三维水平承载力研究

p-y曲线法是计算分析水平受荷桩常采用的方法。但现场多为3 m以内直径试桩,对于海上风电大直径单桩(4～8 m)结构的桩土相互作用计算分析,其适用性值得商榷。结合江苏某海上风电大直径钢管桩水平静载荷试验,得到桩身挠度曲线和弯矩曲线;采用ABAQUS建立单桩三维数值模型,将数值模拟结果与试验结果进行了对比分析,并对桩土接触法向刚度进行初步的敏感性分析,验证数值模型的有效性和适用性。随后对大直径单桩进行水平静载数值模拟,与规范推荐的p-y曲线法计算结果进行对比,结果表明,规范推荐的p-y曲线法过于保守,规范推荐的p-y曲线法不适于直接应用在大直径钢管桩的水平承载力分析;所得结论对该区域海上风电大直径钢管桩设计优化具有指导意义。     

p-y曲线法在海上风电基础桩土作用计算中的适用性研究

p-y曲线能够反映桩土非线性特征,是API,DNV等规范推荐的一类桩-土相互作用分析方法,其计算公式是根据现场试桩数据归纳所得,但多为3 m直径以内的试桩,对于直径4~6 m甚至更大的海上风电单桩基础结构而言,p-y曲线法的适用性值得商榷。然而,直接针对这类大直径单桩进行现场试验来获取p-y曲线并对规范推荐公式进行验证或修正难度较大,为此,采用数值仿真技术,通过有限元模拟,对p-y曲线法的适用性进行了计算和分析。结果表明,规范给出的p-y曲线用于海上风电大直径钢管桩桩-土仿真分析误差较大。     

桩径对桩土相互作用p-y曲线影响的研究

利用三维有限元方法建立桩土相互作用模型,针对0.02 m到2.134 m不同直径的桩与砂土相互作用时的p-y曲线进行计算,分析桩径对桩侧土层水平极限抗力与极限位移的影响.结果表明,土层极限抗力随桩径增加而逐渐增大,且与API规范、Reese方法建议的土层水平极限抗力吻合.桩径变化时土层的极限位移与Reese建议的值不完全一致;当桩径d≥0.4 m时,土层的极限位移大约为桩径的3/80,这与Reese建议的结果一致;当桩径d<0.4 m时,土层的极限位移明显大于Reese建议的3/80倍桩径,此时只有当桩侧位移足够大时,桩侧土体才能发生破坏.进一步的反分析与模型试验结果验证了上述结论的正确性.此研究成果为今后应用小直径桩进行桩土相互作用研究提供了依据.     

硬化土模型在海上风电大直径桩基础工程中的应用

海上风电单桩基础极限承载能力主要由桩基变形控制,在进行桩基分析和设计时选择合适的土体本构模型非常重要。以室内桩基水平受荷模型试验为基础,通过对比HS模型、MC模型、p-y曲线3种方法计算得到的桩基水平受荷变形特征及其与试验实测结果关系,分析各种方法在大直径桩基工程分析中的适用性。结果表明,在水平极限承载力以内,p-y曲线法和MC模型均会过高地估计土体的水平向抗变形能力,而HS模型计算结果与实测数据更接近,因此,更适合用于大直径单桩基础分析和设计。     

软黏土中大直径加翼桩p-y曲线探讨

加翼桩作为新型的基础形式,横向荷载作用下的理论体系尚不成熟,大直径加翼桩横向荷载试验难度大、成本高,并且实测桩侧土抗力的精度也难以满足理论分析要求,目前尚无这方面的试验资料。以普遍采用的5 m直径加翼钢管桩为原型,通过有限元数值模拟,研究了桩侧翼板和横向荷载方向对桩身受力变形规律的影响,探讨了海相软黏土地基中大直径加翼桩p-y曲线的计算方法。结果表明:加翼桩位移、土抗力分布与单桩规律相似。同级荷载作用下,加翼桩桩身横向位移远小于单桩,且随横向荷载与前翼板夹角增加而增大;翼板范围内桩侧土抗力远大于单桩,翼板范围外与单桩相近。加翼桩土抗力与横向位移关系与单桩规律相同,受荷载方向影响较小。现行规范中单桩p-y曲线模式能够适用于横向承载加翼桩分析,但需对相应参数进行适当修正。研究成果不仅为深入研究大直径加翼桩的p-y曲线提供了思路,而且可为工程设计提供参考。     

海上风机大直径钢管桩基础水平承载特性试验研究

东海大桥风电场二期工程进行了2根1.7 m直径钢管桩的现场水平试验,实测了桩顶荷载-位移关系、桩身变形和桩身弯矩。现场试验结果表明,API规范p-y曲线法计算偏保守,S?rensen修正的p-y曲线计算结果与实测推算结果吻合较好,建议海上风电基础设计应通过细致的地勘或试验,确定符合实际地质特征的p-y曲线或对规范p-y曲线进行修正。     

海上大直径钢管桩水平向桩土界面参数试桩分析

为了研究海上大直径钢管桩水平向承载机理与桩土作用关系,基于海上大直径钢管桩水平向静载试验成果数据,运用 API 规范建议的 p － y 曲线方法,结合有限差分解法,对海上大直径钢管桩水平承载特性及桩土界面参数分析计算方法进行研究。结果表明,地基上部土层的性状是影响基桩水平承载性能的主要因素; 采用土体参数范围值计算的基桩水平承载性能基本可以反映土体的真实性状。按照 API 规范给出的 p － y 曲线模式计算得到的桩身挠度和弯矩与试桩测试数据存在一定的拟合关系,拟合优度在 0. 891 ～ 0. 932 之间,其中黏性土的拟合优度整体上大于无黏土,浅层黏性土的拟合优度大于深层黏性土。在 0 ～ 20 mm 水平位移下,桩侧土体处于线弹性状态,桩身挠度与弯矩的计算值均大于测试值,说明此时 p － y 曲线法低估了土体性能; 在大于 20 mm 的水平位移下,桩侧土体处于非线性状态,桩身挠度与弯矩的计算值均小于测试值,表明此时 p － y 曲线法高估了土体性能。研究成果可为进一步深入分析海上大直径钢管桩水平向承载性状和桩土的相互作用机理提供参考。     

基于现场试验的海上风电大直径单桩三维水平承载力研究

p－y 曲线法是计算分析水平受荷桩常采用的方法。但现场多为 3 m 以内直径试桩,对于海上风电大直径单桩( 4～8 m) 结构的桩土相互作用计算分析,其适用性值得商榷。结合江苏某海上风电大直径钢管桩水平静载荷试验,得到桩身挠度曲线和弯矩曲线; 采用 ABAQUS 建立单桩三维数值模型,将数值模拟结果与试验结果进行了对比分析,并对桩土接触法向刚度进行初步的敏感性分析,验证数值模型的有效性和适用性。随后对大直径单桩进行水平静载数值模拟,与规范推荐的 p－y 曲线法计算结果进行对比,结果表明,规范推荐的 p－y 曲线法过于保守,规范推荐的 p－y 曲线法不适于直接应用在大直径钢管桩的水平承载力分析; 所得结论对该区域海上风电大直径钢管桩设计优化具有指导意义。     

加翼桩水平承载力计算方法研究

加翼桩作为海上风电基础的新型结构,目前相关研究甚少。基于ABAQUS三维数值仿真模型,对比分析了海上风电大直径单桩与加翼桩在水平荷载作用下桩身弯矩、应力、位移、泥面处桩基倾斜率、极限承载力以及破坏模式等水平承载性能。研究了大直径单桩和加翼桩桩身与翼板土压力分布,基于计算结果和桩土作用机理,参考现行规范中P-Y曲线模式,对相关系数进行修正,提出软黏土地基大直径单桩P-Y曲线。根据加翼桩翼板面积、形状、刚度和埋深等翼板参数对加翼桩水平承载性能影响的研究成果,提出基于大直径单桩承载力的软黏土地基大直径加翼桩极限承载力经验式和加翼桩翼板参数影响系数的计算式,为加翼桩的研究和运用提供了技术支撑。     

海上风机基础大直径加翼单桩常重力模型试验数值仿真

海上风机大直径单桩基础承受风、浪、流等水平荷载作用,提高其水平承载性能非常重要.针对一种通过在近地表桩体上设置稳定翼板以充分调动浅层土抗力的海上风机大直径加翼单桩基础,进行了常重力模型试验的数值仿真.数值仿真采用ABAQUS有限元软件结合Mohr Coulomb模型,按钢管桩不同外径、壁厚、埋入深度,加载高度和加载方向,共进行9组试验.数值仿真结果与模型试验结果进行对比,均得出翼板长度或宽度的增加将引起所调动的浅层桩前土的土抗力范围增加,承载力提高,水平位移降低;翼板埋深增加,所调动的浅层土范围减少,承载力降低;这验证了数值仿真的合理性.进而借助数值仿真结果对桩、土受力特征进行了观察和分析,从数值仿真角度进一步验证了设置稳定翼能够显著提高浅层土抗力,提高单桩水平承载性能.     

侧向荷载作用下砂土与粘土中桩的受力性状研究

采用p-y曲线法对砂土与粘土中侧向受荷桩进行非线性分析。对于砂土与粘土采用不同的p-y曲线模型,并用m值和统一极限抗力作为模型参数。通过有限差分法与迭代方式进行计算,迭代过程中将土体变形分为弹性区与塑性区,建立全新的计算模型。利用Fortran语言编程,分别对粘土与砂土中侧向受荷桩的受力性状进行分析计算。将计算结果与实例进行对比分析,证明该模型适用于砂土与粘土中桩基的计算。     

Monopile responses to monotonic and cyclic loading in undrained sand using 3D FE with SANISAND-MSu

Monopile response under undrained conditions in sand is gaining increasing interests owing to the recent development of offshore wind farms in seismic regions. Pore pressure evolution in liquefiable soil can significantly reduce the strength and stiffness of the soil which in turn affects the structural dynamic response. Several numerical models have been developed in the last two decades to enhance understanding of the mechanism of monopile–soil interaction with the existence of pore water pressure. In this study, the effects of geometry and static vertical load on monopile lateral response were studied using three-dimensional finite element methods that consider the existence of lateral cyclic load-induced pore water pressure. To achieve reliable simulation results of pore pressure development and pile displacement accumulation during cyclic loading, the simple anisotropic sand model with memory surface for undrained cyclic behavior of sand was adopted. For piles with the same diameter, a accumulated pile head displacement during lateral cyclic loading decreased linearly with increasing pile embedded length but increased with increasing eccentricity. Static vertical load had minor effects on pile cyclic lateral response. The distributions of mean effective stress and pore water pressure in the soil domain were presented. The pile reaction curve (cyclic soil reaction against pile defection) of the monopile was extracted. The numerical results aim to provide reference for optimized engineering design procedures.     

加装稳定翼的海上风电大直径单桩基础数值仿真

针对海上风电机组大直径单桩基础水平位移不易控制等问题,提出了一种加装稳定翼的单桩结构型式.通过在近地表(泥面)一定范围内的桩身设置一组翼板,充分利用浅层桩前土的抗力,增强了基桩水平承载性能.借助数值仿真计算结果,采用指数拟合法、四阶多项式拟合法对水平荷载与基桩水平位移关系进行拟合,进而求解单桩水平极限承载力.结果表明,四阶多项式拟合法精度更高;加装稳定翼的单桩水平位移及桩身最大弯矩明显降低,单桩水平极限承载力显著增强,稳定翼安装位置会对基桩水平承载力的提高效果产生影响.该结构形式可推广到其他海上风电基础结构小直径钢管桩的桩型改良中,有利于减小相应的材料成本及施工成本.     

基于FLAC^3D 的海上风电大直径钢管桩基础竖向承载力数值模拟研究

为研究不同深度地层的大直径钢管桩基础承载性能,采用FLAC^3D建立大直径钢管桩数值模型,开展数值模拟研究。结果表明:数值模拟所得桩极限承载力为10450 kN,与现场静载试桩试验结果相近,数值模型可靠;桩身轴力随着土层深度的增加而减小,桩的轴向承载力主要由桩侧摩阻力提供,桩底轴力趋近于0;当桩入土深度大于30 m时,桩极限承载力提升较快,说明土层⑥-1可作为良好的持力层。研究成果可为岸外辐射沙洲海域海上风电施工建设提供参考依据。     

Large-scale experimental study on scour around offshore wind monopiles under irregular waves

The Keulegan-Carpenter (KC) number is the main dimensionless parameter that affects the local scour of offshore wind power monopile foundations. This study conducted large-scale (1:13) physical model tests to study the local scour shape, equilibrium scour depth, and local scour volume of offshore wind power monopiles under the action of irregular waves with different KC numbers. Systematic experiments were carried out with the KC number ranging from 1.0 to 13.0. With a small KC number (KC < 6), and especially when the KC number was less than 4, the scour mainly occurred on both cross-flow sides of the monopile with a low scour depth. When the KC number exceeded 4, the shape of the scour hole changed from a fan to an ellipse, and the maximum scour depth increased significantly with KC. With a large KC number (KC > 6), the proposed method better predicted the equilibrium scour depth when the wave broke. In addition, according to the results of three-dimensional terrain scanning, the relationship between the local equilibrium scour volume of a single offshore wind power monopile and the KC number was derived. This provided a rational method for estimation of the riprap redundancy for monopile protection against scour.     

Countermeasures for local scour at offshore wind turbine monopile foundations: A review

Local scour at monopile foundations of offshore wind turbines is one of the most critical structural stability issues. This article reviews the contemporary methods of scour countermeasures at monopile foundations. These methods include armouring countermeasures (e.g., riprap protection) to enhance the anti-scour ability of the bed materials and flow-altering countermeasures (e.g., collars and sacrificial piles) to reduce downflow or change flow patterns around the monopiles. Stability number and size-selection equations for riprap armour layers are summarised and compared. Moreover, other alternative methods to riprap are briefly introduced and presented. A typical graph of the scour depth reduction with different collar sizes and elevations under specific test conditions is summarised and compared with a plot for a pile founded on a caisson. Reduction rates for different flow-altering countermeasures, including the collar, are listed and compared. A newly developed soil improvement method, namely microbially induced calcite precipitation (MICP), is also reviewed and introduced as a scour protection method. As a popular bio-soil treatment method, MICP has a good potential as a scour countermeasure method. Bio-soil treatment methods and traditional armouring methods are defined as active and passive soil enhancement scour countermeasures, respectively.