海上桩基础注水加压拆除法的研究

近年来,全球海上风电发展势头迅猛.单桩基础作为最早应用于海上风电的基础类型,在全球风场中占据主导地位.现有风机的寿命一般约为20年,预计未来10年将迎来大量风机退役,这使得海上桩基础的回收问题变得愈发重要.为更好地解决海上桩基础退役拆除问题,本文通过物理模型实验的方式对注水加压拆除法进行了研究.实验结果显示:大直径桩基础拆除时所需压强更小,更易通过注水加压拆除法进行拆除;桩基础初始倾角对注水加压拆除所需压强影响较小,但初始倾角越大基础越易倾倒;拆除过程中桩基础单位位移引起的舱内压强下降幅度始终相同,不受基础直径、入泥深度以及倾角的影响.根据物理模型实验数据,结合土力学、水力学相关理论,建立了注水加压拆除法全过程理论模型,可大致预测不同桩径、不同入泥深度桩基础的启动舱内压强与舱内压强-位移曲线,并且在此基础上,结合渗流计算,利用有限元模型对水泵在注水回收过程中可产生的最大舱内压强进行了预测,对比最大舱内压强与基础拆除所需的启动舱内压强即可判断此水泵能否用于注水加压拆除.本文所得结论可为海上风电桩基础的退役处理提供参考,有助于保障风场海床资源的可持续利用,具有一定的工程价值.

海上风电单柱复合筒型基础承载特性

文章针对一种新型海上风机基础型式的单柱复合筒型基础的承载特性,在砂土中进行了小比尺物理模型试验。试验中采用了位移控制的水平单调加载方式,选择加载速度与压载为变量,得到水平承载力荷载位移曲线。试验结果表明,基础极限承载力与加载速度和压载质量均呈正相关。得出了基础在加载过程中不同舱内孔隙水压力的变化规律。

粘土中吸力锚基础的抗扭承载特性研究

文章对粘土中的吸力锚基础承受水平与扭矩组合荷载、垂直与扭矩组合荷载的性能展开了研究。首先通过数值模拟试验,验证了有限元模型的合理性。基于有限元建立了长径比为1的吸力锚基础模型,研究了水平荷载、竖直荷载和扭矩荷载组合作用下的吸力锚基础承载特性。结果表明:在扭矩荷载的作用下,吸力锚基础的水平和竖直承载性能均显著降低,随着水平荷载作用点的下降,吸力锚抵抗扭矩荷载的能力呈现出先增大后减小的趋势;在水平-竖直-扭矩荷载三者组合作用的情况下,随着扭矩荷载的增大,吸力锚极限承载力的下降趋势显著增大,随着荷载方向与水平面夹角增大,吸力锚抵抗扭矩荷载的能力呈现增大趋势。

海上风电单柱复合筒型基础吸力沉放特性研究

单柱复合筒型基础作为一种新型海上风机基础结构,在中国海上风电抢装潮中得到了广泛的应用。针对单柱复合筒型基础在土体中的下沉特性,在室内进行了小比尺物理模型试验。试验中采用抽水负压下沉的方式,选取结构总重量作为主要变量,得出结构的下沉时程曲线,随着结构重量增加,结构下沉所需要的总时间减小,自重下沉阶段占比增加;总结了下沉过程中的结构倾角变化规律,入土瞬间倾角较大,自重下沉阶段结构的倾斜情况受土质均匀性的影响表现得比较复杂,仅通过抽水阀门的调节倾角难以恢复,负压调平效果明显;得出下沉过程中舱内孔隙水压力的变化规律,舱内孔隙水压力随下沉过程逐渐减小,自重下沉阶段孔隙水压力对土体扰动相对较小;土体中下沉渗流减阻效果十分明显,渗流方向为自舱外沿筒底部流向舱内。

海上风电单柱复合筒型基础拖航性能研究

单柱复合筒型基础结合了单桩基础与筒型基础的优点,能有效缩短施工期、降低成本且对环境友好。拖航是单柱复合筒型基础可重复利用、便于运输和安装的关键技术,需对拖航性能进行深入研究,为实际拖航过程提供技术指导。使用MOSES软件建立单柱复合筒型基础水动力模型,对单柱复合筒型基础的拖航过程进行数值模拟。计算结果表明,单柱复合筒型基础拖航性能较好,其运动响应受波浪和浮运条件影响显著,应避免横浪和大浪,且不宜在波浪周期接近基础固有周期时段拖航;通过调整系缆点高度、吃水深度及拖航速度可提升结构拖航稳性。

海上风电三筒导管架基础的湿拖耦合动力响应研究

[目的]为提高海上风电多筒导管架基础的湿拖运输安全性,需探究其湿拖运输过程的稳性和动态响应问题。[方法]基于海工分析软件MOSES构建水动力模型,对湿拖运输过程分别进行频域和时域分析,并定量分析波浪载荷、拖航方式等参数对三筒导管架基础拖航特性的影响。[结果]计算结果表明,三筒导管架具有良好的湿拖稳性,在吃水深度8~10 m范围内的正浮态均可满足完整稳性校核;三筒导管架基础的拖缆力、纵摇角、垂荡加速度、筒气压的幅值与波高呈正比关系,与吃水深度呈线性变化关系但影响较小;拖缆力和筒气压的幅值与波浪周期无明显关系,但波浪周期将影响该基础的纵摇和垂荡响应幅值;拖缆力与航速的平方近似呈正比关系;顺浪条件下三筒导管架基础的纵摇运动比逆浪条件更为剧烈。[结论]研究成果对于提高多筒导管架基础的湿拖运输安全性具有重要的指导意义。

海上风电单柱复合筒型基础复合加载条件下的承载特性

为研究新型海上风电单柱复合筒型基础在二维复合加载条件下的承载特性,利用有限元模型计算,首先得到模型在一维荷载空间下的极限承载力,随后通过施加不同的竖向荷载,得到在V-H、V-M、V-H-M荷载空间下的承载能力包络图,并分析不同二维荷载工况下的单柱复合筒型基础各位置处的土压力分布情况以及筒体底部等效塑性应变区的变化情况。结果表明:对于单柱复合筒型基础,在一定范围内,竖向荷载(0~0.15倍竖向极限承载力)的存在能够增大结构的水平及弯矩承载力;在V-H与V-M荷载空间中,基础各位置处的土压力变化、土体等效塑性应变变化具有一定的相似性,可互相对映参考;基础所承受的最大土压力位置与基础受力倾倒方向一致;随着竖向荷载的增加,结构达到极限承载力时,基础底部土体等效塑性应变区的范围与深度相应扩大。

砂土中桩靴插桩对临近筒型基础的影响研究

通过物理模型试验和有限元法研究砂土中风电安装船桩靴插桩对临近筒型基础的影响。首先通过物理模型试验,验证有限元模型的合理性,初步确定桩靴在砂土中贯入的影响范围大致在2.5倍桩靴直径。基于有限元CEL方法进一步研究桩靴和筒型基础的净距与桩靴直径之比(S/D)对筒型基础在位稳定性的影响。结果表明:筒型基础的倾斜率、最大竖向位移以及筒壁应力随着S/D的增大而逐渐减小,插桩过程中,靠近桩靴一侧的筒裙和分舱板应力远大于远离桩靴一侧的筒型基础应力,且筒顶的土压力远小于筒底土压力。

复合加载模式下四筒导管架基础承载特性分析

针对海上风电四筒导管架基础在砂土中的复合承载特性,采用数值模拟的方法,计算5种不同荷载组合下的四筒导管架基础的极限承载力。为分析不同加载模式下筒基长径比和筒间距对基础极限承载力的影响,分别改变筒高和吸力筒圆心距离进行计算并绘制破坏包络线。结果表明,在竖向荷载作用下,基础的水平极限承载力先增大后减小;抗扭承载力随竖向荷载的增大而增大,随水平荷载的增大而减小;不同竖向荷载的作用下,水平和弯矩极限承载力基本呈线性相关。

海上风电单柱复合筒型基础拖航浮运特性分析

为保证单柱复合筒型基础拖航安全性,针对实际工程中单柱复合筒型基础制作比尺模型,采用模型试验的方法,对单柱复合筒型基础浮运特性展开研究,分析不同拖航方式对结构的拖航特性的影响,旨在为实际工程提供指导性建议。研究结果表明:在实际拖航中,要合理的选择拖揽点的位置和吃水深度,避免结构出现艏倾现象,在保证安全拖航的前提下可适当增吃水深度增加结构的拖航稳性。

多浮筒全潜式海上风机整机拖航运动特性试验对比

[目的]基于搭载了DTU 10 MW风机的三四筒型全潜式浮式风机整机海上拖航过程,开展了物理模型试验,对比研究三浮筒型式和四浮筒型式的SFOWT在拖航过程中各自由度运动响应及拖缆力在不同工况下的变化规律。[方法]首先在静水中开展自由衰减试验,随后在规则波和不规则波浪环境中开展拖航过程试验,研究不同的拖缆点高度、波高以及周期对拖航过程的影响。[结果]结果表明:(1)对SFOWT的垂荡、横摇和纵摇自振周期进行分析,发现相同自由度下2种结构SFOWT的自振周期相差在5 s以内,三浮筒式SFOWT与四浮筒式SFOWT相比,三浮筒式SFOWT垂荡加速度更小,纵摇和横摇的自然周期更大;(2)随着波高的增加,SFOWT在各自由度上的响应以及拖缆力都在增大,规则波和不规则波工况下波高的增加对三浮筒型式SFOWT垂荡加速度、横摇角的影响更大,纵摇角以及拖缆力较小;(3)当波浪周期与SFOWT自身的固有周期相差较大时,随着波浪周期的增大,除垂荡加速度外SFOWT各自由度上的响应呈现减小的趋势;(4)当拖缆点高度与水线面齐平时,2种型式SFOWT的拖缆力幅值较其他两种工况最大分别减小11.1%和14.7%。[结论]四浮筒型式SFOWT的拖航运动性能更佳。在实际工程中,应当将拖缆点高度布置在结构自浮时水面线所在的位置,以减小拖航过程中的运动响应。

砂土中海上倾斜螺旋群桩基础承载特性研究

[目的]海上风电产业是全球新能源发展道路上最具先导性和战略性的新兴产业之一。文章以应用于海上风电基础中的倾斜螺旋群桩基础为研究对象,系统地研究了其承载特性。作为一种具有广阔应用前景的新型基础型式,对其承载特性进行精准研究对后续倾斜螺旋群桩基础的普及应用及海上风电行业发展有着重要意义。[方法]通过有限元软件系统地研究了桩数、桩间距和倾斜角度等变量对倾斜螺旋群桩承载特性的影响,进而得出了多种工况下螺旋桩的群桩效应系数及承载力随桩数、倾斜角度和桩间距的变化规律。[结果]结果表明:倾斜螺旋群桩相较于单桩基桩承载力提升了15%左右,群桩效率系数随桩数增加而增大;群桩基础承载力随桩间距呈正相关变化趋势,桩间距越小中心土体压力叠加越显著,在桩间距取值范围内,极限承载力变化幅值为4%左右;倾角越大,倾斜螺旋群桩基础受压承载力性能越优异,群桩受压效率系数也随之增大,受压承载时8°倾角较为高效;受拉拔作用时,倾斜螺旋群桩上部土体受到扰动较小,倾斜群桩基础受桩间距的影响程度更大,群桩中心处土体竖向位移极值深度随桩间距增大而逐渐上移;受压作用时,倾斜螺旋群桩对土体影响范围更大,桩间相互影响更为稳定,群桩中心处土体竖向位移极值深度与桩间距、倾角无明显相关关系。[结论]研究成果可为我国海上风电螺旋群桩基础建设提供一定的研究思路及手段,对倾斜螺旋群桩基础尺寸设计及承载力评估具有一定的参考意义,有一定的科学意义和工程应用价值。

排水方式及加载条件对三筒型基础水平承载的影响

以三筒型基础为研究对象,分析吸力筒筒高、加载角度、加载速度以及排水条件对其承载性能的影响。研究表明,在其他3种影响因素不变的情况下,随着筒裙高度的增大,三筒基础的水平承载力提高;不排水条件下,加载速度明显影响筒型基础水平承载力和筒内孔隙水压力,排水条件下加载速度对筒型基础的水平承载力影响有限;加载角度不同,筒型基础的水平承载力最大增加1倍;不排水条件较排水条件可致使水平极限承载力最大增幅达149%。因此,实际工程中,沉放三筒型基础后,宜关闭筒顶阀门,有助于筒型基础保持较好的水平承载能力。

海上风电单柱复合筒基础屈曲特性研究

为加深海上风电单柱复合筒基础屈曲特性研究,本文以海上风电单柱复合筒基础屈曲特性为研究对象,使用ABAQUS建立海上风电单柱复合筒基础结构,通过使用线性屈曲计算方法,对3种模型在不同下沉深度及径高比下的屈曲特征值及屈曲变形分布形态变化进行分析,并考虑初始缺陷,采用非线性屈曲计算的方法对实际工程中的结构屈曲值进行了计算,为工程设计提供参考。结果表明:下沉深度、径高比、初始缺陷对海上风电单柱复合筒基础周向屈曲负压值有着不同程度的影响,在径高比较大时,屈曲受初始缺陷影响较小,结构的屈曲应力值会随着下沉深度的增加而增大。同时对美国海军试验水槽计算公式进行了修正,得到适用于预测不同下沉深度时结构的周向屈曲值的拟合公式。

循环荷载下四筒导管架基础抗弯承载特性试验研究

海上风电基础在25 a服役期内会面临千万次的周期性荷载,为了研究循环荷载对四筒导管架基础抗弯极限承载力的影响,在砂土地基中开展了物理模型试验,介绍了四筒吸力式导管架筒型基础,并对砂土地基进行制备测试,系统分析了循环荷载幅值比、3种不同的变幅加载方式对循环后单向极限承载力的影响,并对循环累积转角进行分析。同时将抗弯承载力与上述变量变化的关系进行了函数拟合。结果表明:循环荷载幅值比和抗弯承载力近似呈正比增长,筒周塑性变形区域的增大会导致循环累积转角呈现非线性增加。无论是增序还是减序方式的加载变幅值循环加载试验,对于超过8万次的长期循环作用来说,海上风力机的抗弯极限承载力的变化并不明显。

土质对三筒吸力桩导管架基础水平承载特性的影响

针对三筒吸力式导管架基础在粉砂质土、淤泥质土中的承载特性进行一系列的数值研究。选取不同厚度的粉砂质土和淤泥质土组合,利用ABAQUS有限元软件对不同土质组合下基础单向的水平承载能力、破坏特性和吸力筒的临侧土压力进行分析。研究发现:三筒吸力式导管架基础在不同土质组合下的水平承载能力呈规律性的变化,且随粉砂质土厚度的增加而增大。结构承载力在吸力筒侧壁的粉砂质土厚度为3~6 m时表现出最大的增长能力,研究结果可为实际工程中三筒导管架基础设计提供建议和参考。

海上风电机组嵌岩桩与砂土桩承载力对比分析

通过室内缩尺模型试验,比较和分析了嵌岩桩(RSP)和砂土桩在水平荷载下的承载能力.试验使用磷石膏来模拟底部岩石,采用夯实法制作上层砂土.试验前进行了颗粒分析试验以确认土壤的均匀程度.采用圆锥负荷试验(CPT)评估土壤,确认所有试验分组的土壤条件相似,即土体性质引起的误差可以忽略不计.通过有限元模拟对嵌岩桩的承载能力进行了验证,数值模拟结果与试验结果吻合良好.研究表明:嵌岩桩和砂土桩的弯矩分布一致,桩身最大弯矩的位置在2~3倍桩径深度处,但嵌岩桩的最大弯矩位置比砂土桩深约1倍桩径(5 cm);当上层覆土较浅时,嵌岩桩的承载效果更显著,承载力相对于砂土桩增加约41%;由于岩石的挤压效应,嵌岩桩的横截面变形明显小于砂土桩.

砂土中吸力式导管架基础沉贯试验研究

吸力式导管架基础具备高承载力、高施工效率、高环境友好度、低造价等特点,使用其作为海上风电底部支撑结构有利于产业的规模化发展,实现上述愿景的前提在于使筒型基础顺利安装以满足设计要求。基于此,在不同初始施加泵压下,对吸力式导管架的沉贯效率特征值、基础内外围渗流变化、筒裙端部土压力特点进行探究。通过抱桩器使吸力式导管架在吸力安装过程中仅具备竖向自由度,从而进行纯沉贯试验。结果表明:初始泵压2 kPa时沉贯效率特征值最高;沉贯过程中基础外围渗流水压小于基础内围渗流水压;筒裙外侧所受土压要大于筒壁内侧所受土压。

海上风电倾斜螺旋群桩基础适用性分析

根据实际工程数据,通过有限元软件进行倾斜螺旋群桩基础与传统高桩承台群桩的设计与选型,并对二者在多种荷载工况的承载特性进行定量对比分析。结果表明:在承载性能方面,螺旋群桩基础竖向承载性能以及抗侧刚度都明显优于普通群桩,在相同的荷载情况下,结构位移和变形都相对很小;从经济指标来看,相同用钢量下,螺旋桩高桩承台基础倾斜率和沉降变形均能满足设计要求,而普通桩高桩承台基础均无法满足,若要满足使用要求需要付出更大的代价,综合经济和工程性能考虑,倾斜螺旋群桩基础是更理想的选择。

黏土中海上风电三筒基础上拔阻力特性研究

通过数值仿真的方式对黏土中三筒导管架基础上拔阻力特性进行研究,明确吸力筒直径与筒高对三筒基础上拔阻力曲线的影响与上拔过程中吸力筒所受摩擦力的分布特征。结果表明:三筒导管架上拔阻力随基础位移呈现快速升高后逐渐回落的特点;最大上拔阻力随着吸力筒直径的增大而近似线性增大,最大上拔阻力对应的基础位移稳定在吸力筒筒高的2%左右;在上拔过程中,筒壁摩擦力从向上转为向下,吸力筒下部摩擦力与吸力筒外侧摩擦力都表现出了更快的响应速度;仅自重作用下基础吸力筒摩擦力分布与破土时刻吸力筒摩擦力分布规律相似、大小相近、方向相反;吸力筒内壁摩擦力相较于吸力筒外壁摩擦力沿圆周分布更加均匀。