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。     

海上大直径单桩基础p-y曲线修正

海上风力发电作为一种具有前景的可再生能源,目前的增长十分迅速。超大直径钢管桩是目前海上风机结构的最常用基础型式,API规范建议的p-y曲线法是目前评价钢管桩水平承载能力的主要方法,但其对大直径桩基的适用性有待探讨。本文通过开展系列三轴CU试验标定了等向硬化模型中的各个参数,并通过与实测土体应力-应变曲线的对比验证了建立的等向硬化模型的可靠性。基于该模型采用三维有限元方法分析了黏土中大直径桩基的水平受荷特性,结果发现规范方法低估了大直径刚性桩p-y曲线的初始刚度和土体极限抗力,因此考虑土体强度不均匀性、桩土间粗糙度及桩径效应的影响,对极限土抗力pult和桩体变形参数yc进行了修正,提出了大直径刚性桩修正p-y曲线计算方法。基于现有离心模型试验验证了所提方法的合理性,为海上风机大直径单桩水平承载力计算提供了参考。     

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。     

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。     

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。     

海上风电基础结构大直径钢管桩水平静载荷试验数值仿真

采用数值模拟手段,对海上风电基础结构大直径钢管桩水平静载荷试验进行仿真,其中,仿真试验数值模型中桩土之间设置接触单元对桩土相互作用特性进行模拟。对仿真试验结果的处理与分析表明:桩土之间接触单元的设置更为真实地描述了桩土接触的性状;计算得到的p～y曲线较与一些已有方法的结果相比存在差异。     

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。     

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。     

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ANSYS的近海工程桩基础p-y曲线研究

海上风电机组体积庞大,桩基础需要承受很大的上部结构风压、波浪和自重等荷载的作用,为保证机组正常运行,需要对桩土相互作用进行研究。侧向受荷桩在近海工程中有着十分广泛的应用,p-y曲线法是分析侧向受荷桩桩土非线性相互作用的重要方法。不同土层土体参数各异,粘土和砂土的p-y曲线公式也不相同。采用我国海洋工程常用的API规范法分析土体相关参数,通过p-y曲线分析了混合分层地基的桩土作用相关特性,并且利用ANSYS中的COMBIN39单元实现桩土相互作用仿真计算,绘制出了单元等效应力云图和弯矩分布云图。计算结果表明,在产生相同位移时粘土中的土抗力比砂土要小得多。单桩在风浪等荷载作用下,最大弯矩发生在水面附近;最大位移发生在平台顶部,且最大位移可达0.35 m。研究成果可为近海工程桩基础和平台安全保护提供参考依据。     

海上风电大直径钢管桩抗拔承载特性试验分析

结合江苏某海上风电大直径钢管桩抗拔静载荷试验,对两根试桩的荷载—位移曲线、位移—时间曲线、桩身轴力及桩身单位侧摩阻力分布曲线进行了分析,揭示了海上风电大直径钢管桩的抗拔受力特性和荷载传递机理。所得结论对该区域海上风电大直径钢管桩抗拔设计优化具有指导意义。     

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.     

海上风电机组高承台群桩基础整体协同作用下极限承载特性分析

高承台群桩基础是我国首次提出并获得广泛应用的新型海上风电机组基础结构型式。建立了高承台群桩基础数值模型,通过t-z、q-z和p-y曲线模拟桩土相互作用,以承台转角θ与力矩M关系曲线代表基础整体承载状态,采用基桩现场抗拔承载力测试数据对数值模型进行了验证。并基于上海东海大桥海上风电场示范工程风电机组基础结构,对不同加载方式、压拔承载力比值的基础进行了极限承载性能数值模拟,分析了基础的荷载传递、分配和整体协同作用,揭示了群桩中基桩极限承载性能与群桩基础整体极限承载性能的关系,提出了海上风电机组高桩混凝土承台群桩基础承载力控制标准的建议。     

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。     

基于局部冲刷模型的海上风电单桩水平承载特性研究

复杂的海洋环境下海上风电单桩基础周围会出现局部冲刷现象，因此研究冲刷条件下单桩基础的承载特性具有重要的工程意义。采用现场勘测和数值模拟相结合的研究方法，开展江苏辐射沙洲海域局部冲刷条件下某单桩基础水平承载特性研究，得到以下主要结论：(1)多波束测深系统勘测显示，典型6 MW单桩基础桩周最大冲刷深度达8.6 m；(2)ABAQUS数值分析显示，冲刷坑导致单桩基础水平承载力下降约18.2%；(3)桩身挠度曲线在距离冲刷26.7 m处出现了明显的拐点，导致p-y曲线特征参数发生显著变化。上述研究结果表明，该海域海上风电场冲刷现象严重，会影响单桩基础承载特性。     

海上风电场单桩基础锥体结构冰荷载显式动力分析

针对渤海某 3MW 单桩式海上风电场进行了抗冰锥结构设计,并通过 LS－DYNA 软件对直立桩结构及加装的锥体结构冰荷载进行显式动力分析。通过分析冰排在直立桩和锥体结构前的破坏模式及破坏特点,获得冰力时程曲线及冰力值,将有限元分析结果与规范公式的计算结果进行对比分析。通过改变抗冰锥锥角,研究不同锥角情况下结构冰荷载的变化规律。结果表明,直立桩冰荷载数值分析结果与规范公式计算结果较为接近,锥体结构冰荷载数值分析结果与 Ｒalston 公式计算结果相差较小,冰荷载水平分量随锥角的增加而显著增大,而竖向分量则随之降低。显式动力分析结果可为单桩式海上风电结构抗冰锥冰荷载估算及锥体结构尺寸优化提供参考。     

考虑长径比及冲刷的单桩基础侧向承载特性分析

冲刷是海上风电单桩基础设计中需要考虑的重要因素，然而计算时通常忽略局部冲刷坑的几何形状及桩基入土段长径比（L/D）的影响，导致设计偏于保守。针对这一问题，建立考虑局部冲刷坑形态的海上风电桩基础三维有限元模型，研究冲刷作用下不同长径比桩基础的侧向承载特性变化规律，提出适用于受局部冲刷小长径比单桩基础的简化梁-弹簧分析模型并进行验证。研究结果表明：小长径比单桩基础的侧向响应对局部冲刷深度较为敏感。随着冲刷深度的增大，基底反力和桩侧垂向摩阻力等土反力分量对桩基水平承载力的贡献也随之增大，仅考虑桩侧土反力的传统API p-y曲线方法难以适用受冲刷单桩基础的计算分析，须考虑基底效应的影响。研究结果可为海上风电基础设计分析提供参考。     

岩质海床海上风机大直径单桩基础关键参数敏感性分析

针对台湾海峡岩质海床的海域特点,结合工程实例,以大直径单桩基础方案为研究对象,基于有限元分析软件ABAQUS,通过数值模拟方法对大直径单桩基础关键参数进行敏感性分析。研究成果表明:在进行桩-土相互作用的有限元模拟时,土体弹性模量的选取对单桩基础钢管桩的变形影响非常显著,其次是钢管桩桩径和入土深度,钢管桩变径段的位置影响最小。该成果可为类似海域大直径单桩基础结构设计及后续优化方向提供参考。     

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.