砂土中大直径单桩的长期水平循环加载累积变形

海上风电在风载、波浪荷载等长期水平循环荷载作用下的累积变形问题备受重视,因其过大会导致风机无法正常工作。考虑了桩周砂土的循环加载特性对海上风电大直径单桩基础的水平循环响应加以研究。首先采用R-O加载曲线和修正Masing准则构建砂土的加卸载应力应变曲线,基于砂土轴向累积应变显式公式推导了砂土加卸载割线刚度演化模型。其次在长期水平循环受荷桩的有限元数值模拟中对该演化模型加以实现,通过与文献的离心模型试验结果进行对比分析,验证了砂土加卸载刚度演化模型用于水平循环受荷单桩响应的合理性。进一步开展了单桩不同埋深的参数分析,探讨了埋深条件对桩顶累积转角发展的影响。研究表明,基于砂土加卸载割线刚度演化模型的有限元分析能够合理模拟砂土中水平循环加载条件下单桩桩顶累积转角的长期演化规律,为分析海上风电的长期循环响应提供了理论基础。     

循环荷载作用下粉土地基中刚性桩桩土相互作用研究

针对近海风机单桩基础,采用室内模型试验,对粉土地基中刚性桩循环加载条件下的桩土相互作用规律进行研究,实时监测了加载过程中荷载、位移和土压力的变化。研究发现循环荷载作用下桩周土压力最大值和最小值没有明显的弱化;循环加载模式下,刚性桩变形转动中心在0.85埋深以下;基于静力加载条件下的水平非线性地基反力系数,提出了粉土地基中刚性桩循环荷载作用下土的水平抗力-位移曲线。在此基础上,提出循环荷载作用下预测超大直径单桩基础变形的简化计算方法。     

软黏土地基单桩基础累积侧向位移研究

针对软黏土地基中单桩基础在水平循环荷载作用下的累积侧向变形问题,建立考虑围压和动偏应力的刚度衰减模型。通过开发ABAQUS子程序实现刚度衰减模型在有限元中的运用,建立数值模型分析水平循环荷载作用下单桩基础的累积侧向位移。结果表明,当水平循环荷载较小时,桩顶侧向位移随着循环次数增大而增大,在一定循环次数后趋于稳定;当循环荷载超过一定幅值时,桩顶侧向位移持续发展,且不再稳定。在临界长度内增大桩长能够有效地减小侧向位移,超过临界长度后增大桩长对位移影响很小。随着桩径的增加,桩顶侧向位移明显减小,因而增大桩径能够显著地降低桩基侧向变形。     

群桩受扭工作性状及非线性计算理论研究

复杂环境或复杂结构下的群桩基础将受扭矩荷载作用,深入探讨受扭群桩工作性状,并建立相应计算理论十分必要。首先在分析受扭群桩变形与荷载分配特点的基础上,考虑实际工程中各基桩的刚度差异,提出采用3个参数(承台转心x坐标与y坐标、转角φ)描述各基桩位移量的方法,并基于力平衡条件解算承台转心位置及任意转角条件下各基桩所分配的水平荷载和扭矩荷载。引入p–y曲线法与单桩扭矩刚度计算理论分别确定各基桩的水平刚度与扭转刚度,考虑受扭群桩中基桩共同工作特性与扭矩–水平荷载耦合作用特性,结合现有的试验成果确定了相关计算参数的取值。根据该方法编制了相应的计算机程序,实例分析表明,本文程序计算结果与实测结果吻合较好。最后,对刚度不对称时群桩转心位置的偏移量进行了计算分析,获得了一些有益的结论。     

砂土中大直径单桩水平受荷离心模型试验

大直径桩基在海洋工程中已越来越广泛应用。针对目前API规范p-y曲线对水平受荷大直径单桩的不适用性,通过离心模型试验研究了砂性土中大直径单桩分别在水平静力和循环荷载作用下的受力和变形特性。验证了通过实测桩身弯矩推算桩身变形和桩周土反力的有效性,分别获得了干砂和饱和砂的大直径单桩水平静力p-y曲线。在修正p-y曲线初始刚度的基础上,采用双曲线型p-y曲线分析了水平受荷大直径单桩的内力和变形。揭示了水平单向循环荷载下大直径单桩的桩身变形及内力变化特性,试验结果显示桩身变形和最大弯矩近似与循环次数的对数线性相关。最后,由各循环次数下的桩身弯矩获得了大直径单桩水平循环p-y曲线,提出了循环应力比相关的p-y曲线循环弱化因子,以及相应的桩基变形累积和内力变化分析方法。     

水平循环荷载下高桩基础受力性状模型试验研究

近海高耸结构基础承受风,浪,波流等水平循环荷载作用,受力变形性状十分复杂.在饱和粉土地基中完成了单桩和群桩的水平循环加载试验,揭示了单桩和群桩响应随循环加载的变化规律.试验结果表明循环加载使桩周土体产生累积塑性变形,桩-土体系水平刚度随循环次数增加不断下降;先期循环加载对后期加载的刚度有着明显影响;群桩中各基桩分担的水平荷载比例随循环加载发生重分配,前排桩的作用得到更多发挥;荷载循环效应对群桩的影响大于单桩.基于p-y曲线法引入循环效应系数以考虑荷载循环的影响,并将该方法与其它文献方法和试验结果作了对比验证.     

基于桩-土非线性作用的缺陷桩竖向承载特性分析

为评价桩身缺陷对基桩竖向承载性状的影响,提出一种考虑非线性桩-土相互作用的缺陷桩简化计算方法,重点分析桩身裂隙和缩径段长度、埋深等对桩身内力和变形的影响。结果表明,桩身裂隙使基桩Q-s曲线中部产生反弯段,裂隙段埋深越大反弯点位置距离原点越近,裂隙长度越大位移陡降现象越明显;桩身缩径主要影响基桩的竖向刚度和极限承载力,缩径桩Q-s曲线形状与正常桩类似,但桩身轴向应力在截面变化位置发生突变。简化分析方法为缺陷桩竖向承载性状的定量分析提供一条新途径,分析成果可为基桩缺陷判别和承载力评定提供参考。     

饱和黏土中不同刚度单桩水平循环加载离心试验

对正常固结黏土中具有不同桩土相对刚度单桩基础的水平静力及循环承载特性开展离心试验研究。在相同土层及桩基埋深条件下,通过调整模型桩材料及桩身截面几何尺寸,实现桩土相对刚度调节,对比组包括刚性桩、柔性桩和半刚性桩。在加载试验前执行T-bar循环插拔试验,各组试验土体强度与弱化参数一致,验证了制样的可靠性。桩基归一化荷载–位移曲线初始刚度和归一化极限承载力均随桩土相对刚度系数增大而增大,表明桩土相对刚度系数可用于描述水平受荷桩静力承载特性。尽管刚性桩刚度受循环荷载的影响更大,其循环稳定桩侧刚度仍显著优于柔性桩结果。循环稳定桩侧刚度与静力刚度比值随桩土相对刚度增大而减低,从长期刚度控制的角度,不断增大桩径不利于长期稳定承载,可通过增大桩基埋深提升长期承载的稳定性。     

Mindlin解均化应力法计算桩基沉降及工程应用

基于群桩Mindlin应力解附加应力场和群桩基础变形分布特征,考虑承台和上部结构刚度对沉降变形的均化效应,总结了Mindlin解均化应力分层总和法计算群桩基础沉降的具体步骤细则。针对计算中具体问题,诸如压缩层计算厚度、上部结构刚度贡献、变刚度调平设计中桩类型的多样性,结合特定侧阻分布概化模式不同长径比、不同桩距条件给出基桩均化附加应力计算简易方法。应用所提供的均化附加应力计算方法计算群桩沉降,通过工程实例验证,与Boussinesq实体深基础计算法和等效作用计算法比较,其沉降计算值与实测竣工沉降值较为接近。     

基于最小势能原理的基桩抗压刚度计算

根据竖向荷载作用下桩的变形特征,将桩身变形表示为含有待定参数的多项式。基于最小势能原理,推导了基桩抗压刚度计算公式,分析了不同地基土层情况下基桩抗压刚度的变化规律及其影响因素。结果表明,桩长径比、桩土相对刚度对抗压刚度有较大的影响,土层厚度与桩长之比对抗压刚度的影响较小,土层分布不同,桩抗压刚度表现出不同的变化规律。     

基于荷载传递曲线的大直径钢管桩水平受力特性分析方法

海上风电通常选用大直径钢管单桩基础。水平受力的大直径钢管桩桩截面转动引起的桩周土对桩的附加抗力作用较为显著,为考虑这部分附加抗力对大直径桩水平受力特性的影响,首先,提出适用于大直径钢管桩水平受力分析的修正文克勒地基梁模型,分别使用非线性弹簧模拟土和考虑剪切变形的C1型梁单元代表桩,假定桩单元内部土荷载传递曲线的割线刚度为线性分布,推导相应的有限元公式,形成考虑桩截面转动附加抗力作用的耦合法,并根据该算法编制程序。然后,基于现有的土荷载传递曲线使用耦合法对算例进行分析,以验证耦合法的合理性,并将其计算结果与仅考虑横向非线性弹簧作用的p-y法的计算结果进行对比分析。分析结果表明:耦合法可更好地预测大直径钢管桩的水平受力特性;大直径钢管桩桩身变形越接近于刚性转动,桩截面转动产生的附加土抗力作用越显著,当大直径钢管桩桩身变形接近于柔性变形时,桩截面转动产生的附加土抗力作用基本可以忽略。     

基于桩侧阻概化模式的基桩均化附加应力系数研究

基于群桩Mindlin应力解附加应力场和群桩基础变形分布特征,考虑承台和上部结构刚度对沉降变形的均化效应,在现有Mindlin解均化应力分层总和法计算群桩基础沉降基础上,提出任意布桩模式下基桩均化附加应力系数数值计算方法。针对特定侧阻分布概化模式给出不同长径比、不同桩距条件下的基桩均化附加应力系数表格,为手算群桩基础沉降所需的均化附加应力计算提供有效的简易方法。提供的均化附加应力计算方法计算群桩沉降通过工程实例验证,与Boussinesq实体深基础计算法和等效作用计算法比较,其沉降计算值与实测竣工沉降值较为接近。     

整体桥预应力桩-土相互作用试验

为探究整体式桥台无缝桥(简称整体桥)预应力混凝土桩吸纳上部结构变形的能力,对3根不同预应力的缩尺模型桩PC-1～PC-3进行了拟静力试验。利用布设于桩身表面的土压力计、位移计、应变片等,研究了预应力混凝土桩的破坏模式和变形规律,并与埋深不同且未施加预应力的混凝土桩对比,进一步说明预应力对柔性桩变形能力的影响; 通过与普通混凝土桩的对比,以临界荷载、屈服荷载、峰值荷载为评价指标,分析了预应力对试验桩强度和变形的影响。结果表明:随着预应力度的增大,模型桩的破坏形态由多条裂缝向1条主要裂缝转变; PC-2和PC-3主要裂缝出现位置分别较PC-1沿埋深方向增大0.4倍和0.6倍桩径,说明预应力度的提高增大了桩-土相互作用区域,且效果较增大桩基埋深更为显著; 随着位移荷载的增加,PC-1的桩身拉、压应变分布率先出现不对称,而PC-2和PC-3在更大位移荷载时仍保持对称,通过与不同埋深未施加预应力的混凝土桩对比发现,相较于增大桩基埋深,施加预应力可以更为显著地提高桩基的弹性工作范围及桩身的整体性和抗开裂能力; 通过分析比较模型桩的桩身承载比可知,提高预应力度可改善桩身受力性能,并可更充分发挥桩周土的承载能力; PC-2,PC-3的正向临界荷载、屈服荷载以及峰值荷载相较于PC-1均有提高,屈服荷载分别较PC-1提高了17.8%和42.3%,说明预应力度可以增大混凝土桩的弹性工作范围,提高变形能力; PC-1的等效刚度退化速率较PC-2,PC-3更快,说明施加预应力可减缓混凝土桩的刚度退化; 与PHC管桩等效刚度理论计算值对比发现,PHC管桩理论计算值偏安全,可应用于PC桩的等效刚度计算。     

单向循环荷载作用下开口管桩动力响应数值模拟

海上风力发电机的基础承受着结构自重及风、波浪、水流等多种循环荷载,而风力发电机组运行对基础的承载力和变形有严格要求.针对近海风机开口管桩单桩基础,通过PFC2D数值模拟研究了水平单向循环荷载对单桩基础受力变形的影响.结果表明:水平单向循环荷载作用下,桩顶累积位移随着循环荷载谷值与峰值的比值ζc的增大前期增加速率较快,而后期较慢,但并未改变桩体转动中心的位置,约为0.85倍的桩体埋深;ζc值越大,桩基初期卸载刚度越大,但稳定后卸载刚度的终值相近,约为6.70kN/mm;随ζc值的增大,桩顶主动区局部土体扰动程度增大,但影响范围大致相同,严重扰动区为2～3倍桩径;桩侧摩阻力降低幅度随ζc值增加而增大,且前期侧摩阻力降低速率增加,后期侧摩阻力均趋于稳定状态.     

海上风机加翼桩水平受荷简化分析模型研究

海上风机加翼桩是一种在近地表桩体上设置翼片以充分发挥浅层土抗力的新型基础形式,目前工程上尚缺乏对其在水平荷载作用下的变形计算方法。首先对于黏土地基中大直径加翼桩水平承载特性进行了有限元数值分析,得到了加翼桩桩周土体变形模式,进而提出了海上风机加翼桩水平受荷的等效扩大头桩模型。基于该简化分析模型,结合考虑桩径效应的大直径单桩p-y曲线,建立了水平荷载作用下海上风机加翼桩变形计算方法。通过与已有原位试验结果和有限元计算结果的对比,验证了所建议计算方法的合理性。采用所建议计算方法,系统探讨了桩体尺寸、翼片尺寸、桩周土力学参数等对于桩头位移及桩身内力分布规律的影响,并从降低位移角度提出了翼片效率指标,初步建议了达到最优翼片效率的翼片尺寸。     

单桩加斜桩海上风机基础特点与施工技术

海上风电多采用单桩基础，对于大直径单桩需要嵌岩成孔后再复沉钢桩的机位（也称Ⅱ型单桩机位），目前国内成功案例较少。基于中广核平潭大练海上风电项目，提出了一种将已初沉的单桩超高部分割除后，在单桩周围增设6根小直径钢管桩，变成一种新型的单桩加斜桩基础再浇筑混凝土承台的组合结构形式并成功实施。结果表明，在保证安全可靠的前提下，该基础结构形式成功规避了大桩嵌岩的施工难题，并且加快了施工进度，也有效降低了工程投资。     

水平荷载下基桩分布式变形检测模型试验研,

为克服传统测试技术获取水平荷载作用下基桩变形的不足,开展基于光频域反射(OFDR)技术的室内模型桩试验。将光纤对称粘贴于桩表面,检测水平荷载下基桩变形及应力分布,推导基于OFDR的桩身挠度和弯矩计算公式,采用有限元软件ABAQUS模拟桩变形和分析桩土作用。结果表明:基于光纤应变数据,可准确计算桩身沿深度的水平位移分布,理论计算与百分表测值基本吻合;水平荷载作用下,模型桩变形主要集中在地面以下0.2 m范围,桩身弯矩最大值与反弯点深度随荷载增加均有不同程度的增大;数值模拟结果与光纤实测规律基本一致,桩土接触压力随水平荷载增加不断向深部发展。基于OFDR技术的水平荷载作用下基桩分布式变形检测方法是可行的,变形与弯矩计算公式是可靠的。     

连续结构大直径基桩水平承载力特征值确定方法研究

基桩水平承载力特征值通常由基桩容许水平变形值确定.连续结构(如桥梁)更关注墩顶水平位移容许限值对基桩水平承载性能的影响,判定连续跨越工程单桩水平承载力特征值时,应综合考虑基桩变形以及墩台变形限值等因素.通过分析刚性墩、柔性墩的水平变形特征,并根据墩柱变形限值要求得到海床(地面)处基桩的水平位移限值的分布特征.在此基础上,结合地基土承载特性,提出采用墩顶水平位移容许限值和海床(地面)处桩身水平位移限值两项指标综合判定连续结构(如桥梁)单桩水平承载力特征值的方法.结合实体工程试桩进行了实例分析,分析结果表明:判定的试桩单桩水平承载力特征值小于根据相关规范得到的判定值,说明通过试桩试验分析单桩水平承载性能的方法合理可行.     

水平及扭转荷载作用下群桩基础受力分析方法

江河与海上的大型结构在船舶撞击、风浪等作用下,其桩基础往往会受到水平及扭转荷载共同作用,极易造成基础倾斜倒塌。针对水平和扭转共同受荷下群桩基础,建立了由刚性承台-弹性梁-土非线性弹簧组成的群桩计算模型。通过水平p-y曲线法、竖向荷载传递法、扭转τ-θ曲线法,计算单桩非线性刚度;群桩各基桩间相互作用和基桩各自由度耦合,通过考虑p乘子和运用考虑推力弯矩影响的基桩受扭计算模型体现。结合牛顿迭代法,对计算模型进行求解,并与大尺寸物理模型试验结果进行了对比。通过参数分析表明在水平和扭转荷载共同作用下,群桩中各基桩桩头剪力分配不均性十分显著;并获得不同承台高度时群桩中基桩轴力变化规律,为复杂荷载下群桩设计提供依据。     

考虑斜桩的群桩基础设计与分析程序开发

桩基础是一种重要的基础形式,在受到水平荷载作用时,经常会设计部分斜桩提高其水平承载力,然而考虑斜桩的群桩基础尚无明确的计算方法。基于桩和承台共同作用的基于线性弹性模型的梁柱原理为基本分析理论,由结构物的刚度矩阵求解得到承台的空间位移和每根基桩分配的荷载,并求解每根桩的内力和位移,对桩基础进行计算与分析。基于以上计算方法与面向对象的编程技术开发了考虑斜桩的群桩基础的分析与设计程序,建立由直桩或斜桩和各种地层组成的群桩的三维桩土模型,计算承台与基桩的空间受力与位移,并能通过改变桩的直径与布置等调整桩的刚度,从而改变桩的受力与变形,优化设计,具有很好的工程实用价值。