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。     

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。     

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。     

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。     

海上风电单桩筒组合基础承载性能有限元分析

为研究海上风电单桩筒组合基础的承载性能,以福建漳浦海上风电场项目为例,利用有限元软件ABAQUS建立了桩-筒-土三维模型,分析了不同模型尺寸对基础承载性能的影响,并根据分析结果对组合基础进行优化。结果表明：增加桩体直径、桩体入土深度、筒体直径、筒顶板厚度、分仓板数量均可增强结构的承载性能,但实际工程设计时,需要结合施工及造价条件合理选择尺寸参数;结构优化后的桩-筒组合基础比超大直径单桩基础更经济、可行。研究成果可为海上风电场设计提供参考。     

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.     

海上风电大直径单桩基础海缆引入施工技术

以江苏某海上风电工程单桩基础引入海缆施工为对象,基于目前国内外常用的桩身外侧设置电缆管引入和桩身开孔引入两种海缆进风机塔筒内部的技术利弊对比分析,对大直径单桩基础引入海缆施工工艺及关键技术进行了研究;并结合本工程海洋环境、地质条件,推荐采用桩身开孔引入海缆的布置方式,对于深水的机位其优点大于缺点。     

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。     

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。     

海上风电大直径单桩附属构件安装及施工测量技术

为保障海上风电大直径单桩基础沉桩及附属构件安装的安全与精确度,经探索提出了：(1)确定沉桩施工的3个工作面及其作业内容;(2)施工船舶与运输船驻位,集成式附属构件挂钩、吊装与脱钩等5项附属构件安装施工技术;(3)稳桩平台位置及其高程、沉桩施工中垂直度、桩顶高程和桩顶法兰盘水平度等5项关键施工测量技术。实践表明,该项技术有效助力了工程顺利竣工。     

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。     

海上风电导管架式基础钢管桩沉桩技术

以广东海域某海上风电场工程为例,分析了海上风电导管架式基础大直径、长钢管基础桩沉桩施工难点及关键技术,对基础桩沉桩施工流程进行了详述。通过应用特殊设计的负压式稳桩平台、夹持式起桩器及内插式送桩器等设备设施,并采取合理的施工工艺,有效地降低了恶劣海况对施工的影响,保障了沉桩精度,提高了沉桩施工工效及质量,可供类似工程借鉴。     

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。     

基于桩筒复合基础海上风机振动特性分析

海上风机所处环境复杂,在风、波浪等随机动载作用下易发生共振破坏。为研究采用桩筒复合基础海上风机的振动特性,选择合理的基础设计参数,利用有限元软件ABAQUS进行海上风机整体建模,采用Block Lanczos方法进行模态分析,同时将所得自振频率与外荷载频率进行对比研究,并分析不同基础形式与不同基础约束条件下的风机整体振动特性。研究发现:前2阶水平弯曲频率与第3阶扭转频率为判断风机整体共振的主要频率;与单桩基础相比,桩筒复合基础能够有效增加风机抵抗水平荷载的能力,且在该设计参数条件下风机能够避免共振的发生;在基础设计时,应考虑桩土相互作用(PSI)的影响。     

台风环境中海上风电管桩基础动响应特性研究述评

我国海上环境恶劣,极端天气容易导致风机倒塌。现有研究表明,台风环境下,“土塞 －管桩 － 桩侧土”的相互作用和动力响应特征,是决定风电支撑体系服役寿命的关键因素。为深入研究海上风电 基础的动力响应,对土塞的形成机理及其与管桩的相互作用做了基本论述,介绍了水平荷载下桩土相互 作用的研究现状,探讨了海洋环境下单桩支撑体系固有频率演变和土体循环弱化特性的联系。最后,总 结得出台风环境下敞口桩动力响应研究现状的不足之处,为今后的研究方向提供了参考。     

海上风电钢管复合嵌岩桩设计要素研究

基于福建兴化湾某海上风电场钢管复合桩水平推力实验数据和设计边界,对桩基模型进行数值模拟,在现场水平推力试验获得的H-Y、桩身测斜曲线与有限元结果拟合较好的情况下,采用该套模型对复合桩的钢管桩占比、径深比、嵌岩比、GSI、桩身刚度等要素进行敛散性和敏感性研究,成果可作为海上风电钢管复合嵌岩桩的设计参考。