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.     

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。     

对称布置翼板加翼桩的水平承载性能分析

影响加翼桩水平承载性能的因素众多,其中翼板数量、荷载方向与翼板夹角是主要影响因素。采用ABAQUS有限元计算软件研究了软黏土地基中桩径为5.0 m,对称布置二、三和四翼板的加翼桩在不同荷载作用方向时桩身泥面水平位移、桩身倾斜率、桩身内力、桩身应力和极限承载力等的变化。通过与相同条件单桩的承载特性对比,分析了加翼桩水平承载性能提升幅度,明确了翼板通过同时或交替承担底面端承力、侧面摩擦阻力、水平土抗力和增加桩身抗弯刚度以提高其水平承载性能的机理,拟合了对称布置二、三和四翼板加翼桩水平极限承载力随荷载作用方向变化的计算式,对加翼桩极限承载力控制条件进行了对比分析。     

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。     

海上风电大直径单桩基础灌浆连接段轴向静载荷试验

灌浆连接段是海上风机大直径单桩基础的重要组成部分,其承载性能直接影响到基础稳定性。借助模型试验手段,以海上风机大直径单桩基础灌浆连接段为研究对象,针对灌浆连接段长度、剪力键设置、灌浆连接段形状等设计参数,确定"较短无剪力键"、"较短有剪力键"、"较长有剪力键"、"锥形有剪力键"4种模型试件,开展了轴向静载荷作用下的模型试验,研究了各设计参数对于灌浆连接段承载性能的影响。结果显示:在轴向静荷载作用下,锥形有剪力键试件承载力最优,较长有剪力键试件次之,较短无剪力键试件最差。证明了剪力键设置以及灌浆连接段的锥形构造对于提高大直径单桩灌浆连接段轴向承载性能的作用,为实际工程设计提供了技术参考。     

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。     

桩筒复合风电基础H-M荷载空间的承载力包络线研究

海上风电机组属于高耸结构物,上部结构及叶片塔筒等传递至基础顶面的水平向荷载H及倾覆力矩M是其地基基础主要承受的作用力。桩筒复合基础是一种新型的海上风电基础型式,其组合了单桩与单筒的地基承载优势,建立H-M荷载空间的地基承载力包络线,是评价该种新型基础地基稳定性的重要手段。本文通过数值模拟分析研究了桩筒复合基础在砂性土中H-M加载模式的地基承载力包络线,并开展了室内模型试验验证了数值模拟结果的可靠性。研究表明新型基础结构在砂性土中H-M荷载空间的地基承载力包络线归一化后在第一象限内具有较好的规律性。在实际工程中,可以根据受力状态与承载力包络线的相对关系,评价桩筒复合型基础的稳定性。     

翼板刚度与埋深对加翼桩水平承载性能影响分析

采用ＡＢＡＱＵＳ构建加翼桩三维数值仿真模型，研究翼板刚度和翼板埋深对加翼桩桩身位移、桩 身弯矩、桩身应力以及极限承载力的影响。研究结果表明:翼板刚度对加翼桩泥面处水平位移和桩身弯 矩影响不大，对桩身最大应力和桩身与翼板连接处应力影响较大，当翼板刚度明显大于桩身刚度时，极 限承载力受翼板与基桩连接处最大应力控制，相对刚度1．0～2．0为合理翼板与桩身刚度比；埋深对加 翼桩泥面处水平位移影响较小，对桩身弯矩、应力影响较大，加翼桩水平极限承载力随着翼板埋深Ｚ的 增大而先增大后减小，0．2Ｄ左右时最大。     

分层地基环境下海上风电大直径单桩基础水平承载特性分析

依托某海上风电项目,针对几种典型地层条件通过数值方法研究分层地基环境下单桩水平承载性能影响因素并进行参数敏感性分析。首先,在用钢量恒定情况下,桩径对单桩水平承载力影响最大,且这种影响随着桩径增大而显著增大;其次,随着埋深的增大,水平承载力先增大而后趋于稳定;再次,桩周浅层土体弹模对桩基承载力亦影响较大,且桩径越大,其影响越明显且不能通过增加埋深来抵消。与均质地层相比,水平承载力在上劣下优地层中下降最为明显,在上优下劣及中夹差土地层中降幅较小。实际工程中除增大桩径或桩长,亦可对单桩周边浅层土体进行加固以提高水平承载性能。     

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。     

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.     

碎石土密实度对地基水平承载力影响研究

地基土密实度是影响地基水平抗力系数的比例系数m值的重要因素之一。通过室内物理模拟试验,使用碎石土作为地基模型材料,将地基土密实度进行了量化。通过单桩水平静载试验,获得不同地基密实度的情况下地基水平承载力特征值及m值的变化规律,为桩基设计提供参考依据。试验研究表明：① 增大碎石土地基的密实度可以显著提高单桩水平承载力及m值;② 密实度与地基参数m值呈线性关系;③ 碎石土地基密实度每提高20％,m值增加1.39倍,水平承载力特征值增加1.38~3.01倍。     

基于土体塑性与剪胀的复合地基静载数值模拟

CFG桩复合地基的承载力计算仍依赖于现场的静载试验以及经验公式等原位测试手段,但原位测试和经验公式均存在局限性,不能真实反映地基的实际承载情况。通过数值分析预估其承载力成为新途径之一,而提高数值分析精度问题的重点就是采用能够合理模拟土体特性的本构模型。运用Plaxis软件对海积软土上CFG桩静载试验进行数值分析,并采用能够有效反映土体塑性与剪胀性的Hardening-Soil模型来模拟桩间土。将数值分析结果与现场静载试验的对比发现,采用该模型能够很好地反映复合地基的承载力,同时也较好地反映了CFG桩的变形和再加载特性,为软土区CFG桩复合地基的设计施工提供了参考。     

考虑土体强度空间变异性的单桩水平承载力研究

空间变异性是土体的固有天然属性,在确定桩基础承载力时理应考虑土的这一特性。应用已有的土体参数随机模拟方法,考虑不同的变异系数和相关距离,通过数值方法研究了土体强度的空间变异性对单桩水平承载力的影响。研究发现:确定性分析得到的单桩水平承载力明显大于考虑土体强度空间变异性后的单桩水平承载力均值,应用规范方法设计的单桩基础仍有失效的可能;相关距离对单桩水平承载力均值无明显影响,但承载力标准差随相关距离的增大而增大;随着变异系数的增大,单桩水平承载力均值随之减小,但承载力标准差随之增大。因土体强度空间变异性导致单桩承载力的不确定性,其分布规律可以用对数正态分布进行描述,据此规律可获得任一荷载下单桩基础的失效概率。     

负摩阻桩承载性状数值分析

利用基于荷载传递函数法和有限层法基础上的数值分析法对承受负摩阻力的单桩荷载性状进行了分析,研究了填土高度、桩顶荷载、桩端土刚度对桩身轴力、桩底和桩侧阻力的发展及桩沉降的影响,研究发现软土地基中,0.5的填土高度能导致负摩阻力较充分地发挥,承载负摩阻力的端承型桩与摩擦型桩一样,承载力需综合沉降确定。     

上拔力-水平力-扭矩组合荷载作用下斜桩承载特性模型试验

斜桩广泛应用于桥梁、水上钻井平台及风力发电基础等工程中,其承载特性十分复杂。为揭示上拔力-水平力-扭矩共同作用下斜桩单桩的承载特性,利用自主设计制作的加载设备,在砂土地基中开展了4根斜桩室内模型试验,研究了桩身倾角、上拔及水平荷载对受扭斜桩桩顶水平位移、扭转角及桩身扭矩、弯矩的影响。试验结果表明：斜桩水平承载力随桩身倾角的增大而增大;倾角及上拔荷载的增大均会导致斜桩极限扭转承载力的减小;斜桩最大弯矩受到桩身倾斜角度及桩顶上拔荷载的影响,随其增加而增加;组合荷载作用下的斜桩存在有效荷载传递深度。