近海風機超大直徑單樁水平承載特性試驗與數值分析.pdf

1、隨著我國經濟的快速發(fā)展，能源短缺問題日益突出。海上風電是一種新型能源形式，受到世界各沿海國家的重視。大力發(fā)展海上風力發(fā)電是解決我國能源短缺問題的有效途徑。直徑達4-8m的超大直徑單樁基礎以施工速度快，經濟性好等優(yōu)點成為目前海上風電場使用率最高的基礎形式。海上風電機組服役期間不可避免的要承受風、浪和極端風暴潮等水平荷載的作用。為保證風機在服役期間的正常運行，須嚴格控制基礎的變形。因此海上風機超大直徑單樁基礎的設計主要以變形為控制標準，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。目前水平荷載作用下超大直徑單樁基礎的受荷性狀尚不明確，缺乏成熟的變形控制方法。因此開展超大直徑單樁基礎水平受荷變形性狀的研究具有重要意義。
　　本文通過大比尺模型試驗、有限元數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的設計方法。所做主要工作和研究成果如下：
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3、1)基于浙江大學軟弱土與環(huán)境土工教育部重點實驗室物理模型試驗系統(tǒng)，針對現場原型直徑為5m，埋深為30m的超大直徑剛性樁基礎采用不同密實度的飽和粉土地基，開展了水平靜力與循環(huán)加載模型試驗，其中水平靜力加載試驗共6組，水平循環(huán)加載試驗共8組。
　　(2)基于剛性樁水平靜力加載模型試驗，獲得了不同密實度粉土地基中不同加載高度超大直徑單樁基礎變形特性與樁土相互作用規(guī)律。結果顯示，粉土與砂土中剛性樁p-y曲線呈加工硬化型，前人極限土抗力表達

4、式計算值過于保守。水平荷載施加過程中剛性樁轉動中心在土面以下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前深度處位移相關的水平非線性地基反力系數表達式，建立了粉土與砂土的加工硬化型p-y曲線。據此，根據水平荷載施加過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)加載模型試驗結

5、果，分析了循環(huán)荷載水平、地基密實度、循環(huán)次數等因素對剛性樁累積變形與樁周土壓力、超靜孔隙水壓力等參數變化的影響，研究了循環(huán)荷載作用下樁基累積變形機理。研究結果表明:水平循環(huán)荷載作用下，剛性樁轉動中心位于土面下約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)次數的對數呈線性比例關系;累積變形與循環(huán)荷載比密切相關而與粉土相對密實度無明顯關聯，卸載剛度與相對密實度相關，循環(huán)荷載比對卸載剛度卻沒有明顯影響。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)展的兩個階段:剪切階段與致密化階段。建立了預測循環(huán)荷載作用下剛性樁累積變形與卸載剛度的表達式。
　　(4)通過粉土與福建標準砂室內三軸試驗，率定了有限元數值分析土體參數，建立了超大直徑柔性樁基礎三維有限元數值分析模型，系統(tǒng)分析了土體強度參數與樁基幾何尺寸等對柔性樁水平承載特性的影響規(guī)律。針對海上風機基礎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。研究結果表明現有樁基最小

7、埋深確定方法:vertical-tangent和zero-toe-kick準則過于保守，對直徑4-8m的超大直徑柔性樁基礎來說，當樁基埋深增大到8倍樁徑以上時，繼續(xù)增大埋深對水平變形的發(fā)展沒有明顯的影響。
　　(5)基于砂土循環(huán)荷載作用下的割線剛度衰減模型，結合砂土循環(huán)三軸試驗結果率定了剛度衰減模型計算參數。通過ABAQUS有限元軟件提供的二次開發(fā)平臺，編寫了自定義的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、基礎三維有限元數值模型。研究了土體強度參數，樁基幾何尺寸以及循環(huán)荷載水平等對超大直徑柔性樁累積變形的影響規(guī)律。提出了循環(huán)荷載作用下針對海上風機基礎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。研究結果表明，靜力條件下確定的臨界埋深不滿足長期循環(huán)荷載下的樁基臨界埋深要求，增大樁徑可減小循環(huán)次數對樁基臨界埋深的影響。
　　(6)分析總結了超大直徑單樁基礎設計關鍵問題，提出了超大直徑單樁基礎設計原則與流程，并采用一個工程算例進

9、行了設計分析。土體強度較高或基巖埋深較淺的海床，可采用受力形式簡單的剛性樁基礎;對土質條件較差的海床，剛性樁不能滿足承載力要求或樁徑不滿足現有施工條件時，應采用樁長較長的柔性樁。在設計超大直徑柔性樁時，在滿足土面變形的前提下，應首選樁徑小埋深大的樁基尺寸組合;首先確定樁徑，通過靜力與循環(huán)荷載作用下的變形驗算，通過調整埋深控制土面處水平位移。
　　本文采用模型試驗與有限元數值分析等手段對水平靜力與循環(huán)荷載作用下的超大直徑單樁基礎變形