近海風(fēng)機(jī)超大直徑單樁水平承載特性試驗(yàn)與數(shù)值分析.pdf

1、隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源短缺問(wèn)題日益突出。海上風(fēng)電是一種新型能源形式，受到世界各沿海國(guó)家的重視。大力發(fā)展海上風(fēng)力發(fā)電是解決我國(guó)能源短缺問(wèn)題的有效途徑。直徑達(dá)4-8m的超大直徑單樁基礎(chǔ)以施工速度快，經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)成為目前海上風(fēng)電場(chǎng)使用率最高的基礎(chǔ)形式。海上風(fēng)電機(jī)組服役期間不可避免的要承受風(fēng)、浪和極端風(fēng)暴潮等水平荷載的作用。為保證風(fēng)機(jī)在服役期間的正常運(yùn)行，須嚴(yán)格控制基礎(chǔ)的變形。因此海上風(fēng)機(jī)超大直徑單樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)主要以變形為控制標(biāo)準(zhǔn)，而非

2、極限承載力。傳統(tǒng)樁基水平受荷分析方法難以適用于超大直徑單樁基礎(chǔ)。目前水平荷載作用下超大直徑單樁基礎(chǔ)的受荷性狀尚不明確，缺乏成熟的變形控制方法。因此開(kāi)展超大直徑單樁基礎(chǔ)水平受荷變形性狀的研究具有重要意義。
　　本文通過(guò)大比尺模型試驗(yàn)、有限元數(shù)值模擬等方法較系統(tǒng)的研究了水平靜力及循環(huán)荷載作用下粉土與砂土中超大直徑剛性樁與柔性樁基礎(chǔ)的樁土相互作用規(guī)律與變形特性，提出了超大直徑單樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法。所做主要工作和研究成果如下：
　　(

3、1)基于浙江大學(xué)軟弱土與環(huán)境土工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室物理模型試驗(yàn)系統(tǒng)，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)原型直徑為5m，埋深為30m的超大直徑剛性樁基礎(chǔ)采用不同密實(shí)度的飽和粉土地基，開(kāi)展了水平靜力與循環(huán)加載模型試驗(yàn)，其中水平靜力加載試驗(yàn)共6組，水平循環(huán)加載試驗(yàn)共8組。
　　(2)基于剛性樁水平靜力加載模型試驗(yàn)，獲得了不同密實(shí)度粉土地基中不同加載高度超大直徑單樁基礎(chǔ)變形特性與樁土相互作用規(guī)律。結(jié)果顯示，粉土與砂土中剛性樁p-y曲線(xiàn)呈加工硬化型，前人極限土抗力表達(dá)

4、式計(jì)算值過(guò)于保守。水平荷載施加過(guò)程中剛性樁轉(zhuǎn)動(dòng)中心在土面以下0.75-0.85倍樁基埋深附近。建立了小變形條件下利用樁周土最大土壓力計(jì)算圓形截面樁基樁周土反力的解析解。提出了粉土與砂土地基與樁基土面下當(dāng)前深度處位移相關(guān)的水平非線(xiàn)性地基反力系數(shù)表達(dá)式，建立了粉土與砂土的加工硬化型p-y曲線(xiàn)。據(jù)此，根據(jù)水平荷載施加過(guò)程中剛性樁樁身受力與彎矩平衡，建立了水平靜力荷載作用下剛性樁水平變形解析解。
　　(3)基于剛性樁水平循環(huán)加載模型試驗(yàn)結(jié)

5、果，分析了循環(huán)荷載水平、地基密實(shí)度、循環(huán)次數(shù)等因素對(duì)剛性樁累積變形與樁周土壓力、超靜孔隙水壓力等參數(shù)變化的影響，研究了循環(huán)荷載作用下樁基累積變形機(jī)理。研究結(jié)果表明:水平循環(huán)荷載作用下，剛性樁轉(zhuǎn)動(dòng)中心位于土面下約0.85倍樁基埋深處;循環(huán)荷載作用下樁基累積變形和卸載剛度均與循環(huán)次數(shù)的對(duì)數(shù)呈線(xiàn)性比例關(guān)系;累積變形與循環(huán)荷載比密切相關(guān)而與粉土相對(duì)密實(shí)度無(wú)明顯關(guān)聯(lián)，卸載剛度與相對(duì)密實(shí)度相關(guān)，循環(huán)荷載比對(duì)卸載剛度卻沒(méi)有明顯影響。提出了循環(huán)荷載作用

6、下粉土地基中剛性樁累積變形發(fā)展的兩個(gè)階段:剪切階段與致密化階段。建立了預(yù)測(cè)循環(huán)荷載作用下剛性樁累積變形與卸載剛度的表達(dá)式。
　　(4)通過(guò)粉土與福建標(biāo)準(zhǔn)砂室內(nèi)三軸試驗(yàn)，率定了有限元數(shù)值分析土體參數(shù)，建立了超大直徑柔性樁基礎(chǔ)三維有限元數(shù)值分析模型，系統(tǒng)分析了土體強(qiáng)度參數(shù)與樁基幾何尺寸等對(duì)柔性樁水平承載特性的影響規(guī)律。針對(duì)海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在服役期間可能遇到的極限荷載狀況，提出了靜力荷載條件下樁基最小埋深的確定方法。研究結(jié)果表明現(xiàn)有樁基最小

7、埋深確定方法:vertical-tangent和zero-toe-kick準(zhǔn)則過(guò)于保守，對(duì)直徑4-8m的超大直徑柔性樁基礎(chǔ)來(lái)說(shuō)，當(dāng)樁基埋深增大到8倍樁徑以上時(shí)，繼續(xù)增大埋深對(duì)水平變形的發(fā)展沒(méi)有明顯的影響。
　　(5)基于砂土循環(huán)荷載作用下的割線(xiàn)剛度衰減模型，結(jié)合砂土循環(huán)三軸試驗(yàn)結(jié)果率定了剛度衰減模型計(jì)算參數(shù)。通過(guò)ABAQUS有限元軟件提供的二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)，編寫(xiě)了自定義的USDFLD剛度衰減模型子程序，建立了循環(huán)荷載作用下超大直徑單樁

8、基礎(chǔ)三維有限元數(shù)值模型。研究了土體強(qiáng)度參數(shù)，樁基幾何尺寸以及循環(huán)荷載水平等對(duì)超大直徑柔性樁累積變形的影響規(guī)律。提出了循環(huán)荷載作用下針對(duì)海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在服役期間可能遇到的極限荷載狀況確定樁基最小埋深的方法。研究結(jié)果表明，靜力條件下確定的臨界埋深不滿(mǎn)足長(zhǎng)期循環(huán)荷載下的樁基臨界埋深要求，增大樁徑可減小循環(huán)次數(shù)對(duì)樁基臨界埋深的影響。
　　(6)分析總結(jié)了超大直徑單樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)關(guān)鍵問(wèn)題，提出了超大直徑單樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)原則與流程，并采用一個(gè)工程算例進(jìn)

9、行了設(shè)計(jì)分析。土體強(qiáng)度較高或基巖埋深較淺的海床，可采用受力形式簡(jiǎn)單的剛性樁基礎(chǔ);對(duì)土質(zhì)條件較差的海床，剛性樁不能滿(mǎn)足承載力要求或樁徑不滿(mǎn)足現(xiàn)有施工條件時(shí)，應(yīng)采用樁長(zhǎng)較長(zhǎng)的柔性樁。在設(shè)計(jì)超大直徑柔性樁時(shí)，在滿(mǎn)足土面變形的前提下，應(yīng)首選樁徑小埋深大的樁基尺寸組合;首先確定樁徑，通過(guò)靜力與循環(huán)荷載作用下的變形驗(yàn)算，通過(guò)調(diào)整埋深控制土面處水平位移。
　　本文采用模型試驗(yàn)與有限元數(shù)值分析等手段對(duì)水平靜力與循環(huán)荷載作用下的超大直徑單樁基礎(chǔ)變形