分层土中吸力基础沉贯吸力变化及土体变形规律试验研究

吸力基础近年来在海上风电工程中逐渐得到推广,我国海上风场地基广泛分布分层土,研究吸力基础在分层土中的沉贯特性有助于推动其在我国海上风电工程领域的应用。开展模型试验,探讨了土层分布形式(砂土、黏性土、上层砂土下层黏性土(简称上砂下黏)、上层黏性土下层砂土(简称上黏下砂))对吸力基础沉贯吸力值、沉贯阻力、土塞高度和土体变形的影响。研究发现在上砂下黏土层中,当基础贯入至土层分界处时,基础吸力值陡然增加;当吸力基础贯入至上黏下砂土层分界处时,基础内部吸力值陡然降低,通过有机玻璃吸力基础模型试验阐述了吸力变化的原因。不同土层条件下,基础内部最终土塞高度规律由高到低为:上黏下砂土层、单一砂土层、上砂下黏土层、单一黏性土层,阐明了不同土层分布情况下基础内部土塞形成机理。对于单一砂土层和上砂下黏地基,沉贯结束后,基础周围土体出现环形沉降区域,单一砂土地基中沉降区域范围大于上砂下黏地基情况。对于单一黏性土和上黏下砂土层中,沉贯结束后基础周围黏性土中产生裂缝,且吸力沉贯下土体裂缝数量及裂缝扩展范围大于压贯条件,土体最大裂缝范围约为1.9倍基础直径。

海上风电吸力基础在分层土中的沉贯特性研究综述

吸力基础与海洋工程大直径钢桩相比,具有成本低、安装周期短、对环境影响小、不受海况影响及可回收再利用等优点,近年来在海上风电工程中得到推广应用。吸力基础沉贯至海床预定位置,是其发挥承载力和确保服役稳定性的前提。海床地基土体常以分层土形式分布,且各层土体强度、压缩性和渗透性等存在显著差别,导致吸力基础吸力沉贯机理非常复杂。明确吸力基础在分层土中沉贯特性,有助于指导吸力基础在海上风电工程中的推广应用。对目前吸力基础在分层土中沉贯特性研究进行综述和总结,归纳了其沉贯机理研究进展,并对影响吸力基础在分层土中沉贯因素进行了分析;提出了分层土中吸力基础沉贯的研究方向和改进的沉贯方法。

海上吸力基础式风机结构动力响应研究

由于海上风机受到风浪流荷载的长期作用,因而其动力响应问题成为风机结构设计的关键问题。针对上述情况,以5 MW吸力基础固定式海上风机为研究对象,充分考虑风机基础与土的相互作用等非线性荷载,利用有限元方法建立了综合考虑空气动力、水动力和土壤约束力作用的海上风机整体动力耦合分析模型,在多荷载工况组合下进行了海上风机结构的动力响应分析。研究结果表明,海上风机整体结构位移最大区域在塔筒顶部,应力最大区域在吸力基础与风机塔架的连接处。通过对线性叠加法和Turkstra准则的对比分析验证可以看出,采用Turkstra准则能更准确地获得对风机结构动力响应最不利的荷载组合方式。

吸力基础贯入过程土塞隆起有限元分析

吸力基础广泛应用于大型海洋工程结构物的安装固定。本文使用有限元分析软件Abaqus,基于耦合欧拉-拉格朗日方法(CEL)建立三维大变形有限元分析模型,对吸力基础安装贯入时土塞隆起过程进行了有限元数值模拟,将有限元模拟结果与理论计算进行综合分析,得到了土塞隆起及其削弱吸力基础极限承载力的机理。

倾斜荷载作用下双桶吸力基础承载特性数值分析

通过数值分析,对双桶吸力基础的倾斜承载力进行讨论,研究加载点位置、荷载倾角对倾斜承载力的影响。研究结果显示,随荷载倾角增大,双桶吸力基础倾斜承载力降低,对周围土体影响范围减小;任意加载点下,水平加载时基础的承载力最高。随加载点位置埋深增大,基础的承载力先增后减。荷载倾角较小时,承载力达到最大值时对应加载点位置位于基础侧壁中间位置;随荷载倾角增大,加载点位置对承载力的影响减弱;当倾角为90°时,加载点位置对承载力不产生明显影响。

饱和细砂中裙式吸力基础水平单调加载模型试验——承载力及变形分析

海上风电资源的开发和利用是当今世界关注的热点问题，作为其塔架的基础，主控荷载是水平荷载。裙式吸力基础具有更高的水平承载能力和控制水平位移的能力，故非常适合作为海上风电塔架的基础。通过饱和细海砂中裙式吸力基础的水平单调加载模型试验，探究基础水平承载力的影响因素及转动点位置的变化规律，并分析了地基土的变形影响范围及规律。研究发现：与传统吸力基础相比，裙式吸力基础的水平承载力提高显著，且能有效控制水平位移；水平承载力随基础的裙高、裙宽的增加而增大，随加载高度的增加而减小；在水平荷载作用下基础主要是绕某一点（即转动点）发生转动，转动点位于主桶长度的0．45～0．7倍之间；达到极限荷载时，地表隆起范围远远大于沉降范围，沿加载轴线方向，隆起范围约为2．5倍主桶直径。

裙式吸力基础水平承载数值分析

裙式吸力基础是传统吸力基础的改进形式,即在原有桶形结构基础上增加了"裙"结构。采用有限元方法,对饱和砂土地基中传统吸力基础和裙式吸力基础分别进行水平单调加载和循环加载承载性能研究,分析了基础、土体的变形,得到了荷载-位移关系曲线以及基础位移随荷载振幅、频率变化的关系曲线。数值分析结果表明,与传统吸力基础比较,裙式吸力基础在单调荷载作用下的水平承载力提高约28.6%,同时基础的侧移量显著减小,约为传统吸力基础位移的50%;在循环荷载作用下,两种基础的水平位移均随振幅及频率的增加而增大,但裙式吸力基础水平位移量减少约40%。因此,裙式吸力基础更适合作为以水平荷载为主的结构的基础,例如海上风电工程,更能满足上部结构正常工作状态需求。

离岸裙式吸力基础在砂土地基中沉贯性研究

吸力基础是海洋工程中新型的一种基础型式,广泛应用于海洋平台、海洋浮动式结构等,近年来,也被作为浅海离岸风力发电工程的基础。吸力基础易遭受较大的水平动力荷载和弯矩,从而可能产生较大水平位移和转角;同时,由于海床冲刷,会降低其承载能力。为克服这些不足,提出了一种新型吸力基础———裙式吸力基础,把分析传统吸力基础砂土中的沉贯方法,拓广到裙式吸力基础中,研究该基础型式在砂土中的可沉贯性以及所需的吸力;并与同情况下的传统吸力基础进行了比较,证明了所提出的裙式吸力基础具有较好的沉贯性能,具有工程实践推广价值。

水平荷载作用下裙式吸力基础承载性能研究

传统吸力基础是一个单桶结构,被广泛作为海洋平台、漂浮结构的基础,近年来也被推广到海上风电塔架。作为风电塔架基础,要充分提高其水平承载能力。为此,提出一种改进的基础形式—裙式吸力基础。采用Z_SOIL有限元软件,针对砂土地基,从水平单调加载和循环加载两个方面,对传统单桶吸力基础和裙式吸力基础进行了承载性能对比研究,得到了相应的荷载-位移曲线。研究结果表明,裙式吸力基础由于设置了"裙"结构,显著提高了其抵抗水平静载和循环水平动力荷载的能力,并能有效控制基础的水平位移,是值得推广应用的一种新型海洋工程基础形式。

水平单调荷载作用下饱和细砂中裙式吸力基础土压力特性分析

吸力基础具有造价低、施工速度快、可重复利用等优点,因此被广泛应用于海洋工程领域,近年来也受到海上风电工程的重视。作为海上风电基础,主控荷载为水平荷载。为提高基础的水平承载能力并有效限制其侧移,以保证风机正常运行,提出一种改进的吸力基础型式-裙式吸力基础。通过饱和细砂中裙式吸力基础水平单调加载模型试验,探究基础周围土压力分布的影响因素,利用土压力增量方法,可以合理确定基础转动点的位置,并揭示'裙'结构尺寸对转动点位置的影响。相比于传统吸力基础,裙式吸力基础水平承载力提高,主桶结构前侧所受被动土压力减小,后侧所受被动土压力增大;裙式吸力基础转动点位置在0.54~0.67倍的基础埋深处,较传统吸力基础的转动点位置(位于0.71倍基础埋深)偏上,且随裙宽增加、裙高减小而上移。

黏性土中裙式吸力基础沉贯与注水拔出试验研究

开展模型试验研究海洋黏性土中裙式吸力基础沉贯和注水上拔特性,并研究了土体强度、基础尺寸和安装方式等影响因素。研究表明:主桶长径比为1.0和2.0的裙式吸力基础最终沉贯深度较相同高度传统吸力基础仅降低2%和6%,证实了裙式吸力基础在黏性土中具有良好沉贯性。主桶和裙结构在吸力沉贯时对土体造成扰动,导致吸力沉贯阻力小于压力贯入时的阻力。基于极限平衡方法,提出了裙式吸力基础在黏性土中的沉贯阻力与所需吸力的计算公式,并验证其准确性。得到传统和裙式吸力基础在注水拔出过程中基础内部水压力、上拔阻力与基础上拔位移之间的关系,发现基础内部水压力随上拔位移先迅速增加至最大值,然后逐渐降低,裙式吸力基础最终上拔位移小于相同基础高度的传统吸力基础。得到了裙式吸力基础注水拔出阻力计算公式。

裙结构对裙式吸力基础水平承载性能的影响

通过饱和细砂中裙式吸力基础的水平单调加载模型试验,探究了裙结构对基础水平承载力及土压力分布的影响.结果表明：不同加载高度下,与传统吸力基础相比,裙式吸力基础水平承载力显著提高,有效控制了基础的水平位移,且基础水平承载力随着裙高、裙宽的增加显著增加;不同条件下基础的归一化荷载-水平位移关系曲线可用同一公式表示.基础周围土压力的发展与基础的水平位移有密切联系,相比于裙宽对土压力分布的影响,裙高的变化对于主桶周围土压力分布的影响更为明显.此外,根据净土压力沿深度方向的分布规律,确定水平荷载作用下基础转动点约位于0.6～0.7倍的主桶埋深处.

竖向荷载作用下砂土中裙式吸力基础承载特性

针对一种新型吸力基础形式——裙式吸力基础,采用有限元数值模拟方法和模型试验手段,以传统吸力基础为参照,得到基础荷载-沉降关系曲线,分析基础周围土体变形规律。研究表明:裙式吸力基础竖向承载力较传统吸力基础显著提高,吸力基础各部分承受的竖向荷载比例不同,基础顶板、主桶内外壁分担了约90%的竖向荷载,其余则由尖端部分和裙内外壁承担;随着桶体高径比增加,桶体内外壁所承受的摩阻力逐渐增加,而尖端阻力和裙内外壁侧阻力所占比例始终小于10%;基础周围土体隆起量随裙高的增加呈减小趋势,但随裙宽的增加不断增大;裙宽对竖向承载力的贡献要比裙高大得多,但裙高能有效限制土体隆起。

倾斜荷载作用下裙式吸力基础承载特性研究

开展数值模拟,研究了裙式吸力基础在倾斜荷载作用下承载特性,讨论了不同加载点位置以及加载角度对基础承载特性的影响。研究表明,裙式吸力基础抗拔承载力随加载点位置下移,呈现出先增大后减小的趋势;当加载点位于基础顶面以下2/3倍基础高度时,基础抗拔承载力最大。载点位置固定时,基础抗拔承载力随着加载角度的增大逐渐降低;当加载方向为垂直时,基础极限承载力最小。此外,裙式吸力基础转动点的位置随加载角度增加逐渐下移下降。

组合荷载作用下裙式吸力基础承载特性数值分析

采用数值模拟的方法,对等质量下裙式吸力基础和传统吸力基础组合荷载作用下的承载特性进行分析,探讨主桶高度、裙高度以及裙宽度的变化对基础竖向承载力、水平承载力、弯矩承载力以及组合承载力的影响,得到了基础荷载位移关系曲线及周围土体隆起范围,分析了隆起的影响因素。研究发现裙的宽度是竖向承载力的主控因素,而主桶高度及裙高度是水平承载力和弯矩承载力的主控因素,并得到了组合荷载下吸力基础破坏包络线及其公式。研究成果可供工程设计参考。

砂土中裙式吸力基础水平循环承载特性的影响因素分析

吸力基础作为海上风电工程的基础主要受到风、波浪和洋流等产生的水平循环荷载作用,因此提高其水平循环承载力和控制侧移是保证风机正常运行的关键。采用有限元分析软件Z_SOIL对饱和砂土地基中的裙式吸力基础开展水平循环加载数值分析;考虑到土体小应变阶段刚度增大的特性,土体选用刚度与应力相关的小应变硬化模型(HSS模型);重点分析和讨论了循环荷载比、加载高度、加载方式和加载顺序对基础循环累积位移和刚度的影响。研究发现:当循环荷载比小于0.5时,基础累积位移很小,基础循环割线刚度随循环振次变化不明显;当循环荷载比大于0.5时,循环加载过程中基础周围砂土地基被挤密实,导致基础循环割线刚度随循环振次增加而增大,卸荷后基础残留较大塑性变形。裙式吸力基础的循环割线刚度随循环荷载比和加载高度的增加呈线性关系减小,基础水平及竖向累积位移则逐渐增大。3种加载方式下,基础水平累积位移从大到小排序为单向荷载、不完全对称荷载、双向对称荷载;竖向累积位移从大到小排序为双向对称荷载、单向荷载、不完全对称荷载。当循环荷载由大到小变化时,基础的水平和竖向累积位移均大于荷载由小到大时的情况,说明前期加载历史对基础后期变形有重要影响。

水平荷载下饱和软黏土中裙式吸力基础承载特性

海上风力资源的开发目前是世界各国关注的能源热点问题。裙式吸力基础能有效提高基础的水平承载力及显著控制所产生的水平位移,非常适合作为海上风电塔架的基础。针对裙式吸力基础在饱和软黏土中的水平受荷情况,采用数值分析的方法,讨论了不同裙尺寸对裙式吸力基础的水平承载力、周围土体变形、转动点位置的影响。研究发现:裙式吸力基础水平承载力比传统吸力基础有显著提高,且随裙高和裙宽的增大而增大;对比传统吸力基础,裙式吸力基础达到极限承载力时,对周围土体的影响范围更大,然而沿加载方向基础前侧土体隆起量明显小于传统吸力基础;增大裙高,基础达到极限承载力时转动点沿基础埋深发生上移。研究成果对作为风电塔架的裙式吸力基础设计具有一定参考价值。

不同剪切速率下吸力基础-黏土界面剪切特性研究

采用GDS界面剪切仪,开展不同剪切速率下吸力基础-黏土界面剪切试验,研究了沉贯过程中基础沉贯速率对吸力基础-黏土界面剪切特性的影响,分析了不同剪切速率、不同沉贯深度下的界面剪切特性。试验结果表明,吸力基础-黏土界面的抗剪强度随着法向应力的增加而增大,但随着剪切速率的增加而减小;界面峰值强度对应的剪切位移均在1 mm以内,且随着法向应力的增加而增大;界面凝聚力与剪切速率呈正相关,界面摩擦角则相反。在沉贯速率1.0~1.2 cm/min范围内,界面凝聚力增加幅度最大。摩擦系数在0.27~0.34变化,且随着沉贯速率的减小而增大,随沉贯深度的增加呈现减小趋势。

相对密实度对沉贯中吸力基础桶壁–砂土界面力学特性的影响

吸力基础是一种系泊海洋浮动平台及固定海上风电塔架的基础形式。吸力基础在砂土中吸力贯入时,沉贯阻力主要由内外壁摩阻力组成。吸力基础沉贯过程中基础–土体界面力学特性决定侧壁摩阻力的大小。开展界面剪切试验,研究了相对密实度及沉贯深度对吸力基础–砂土界面沉贯过程中相互作用的影响。结果表明:吸力基础–砂土界面剪应力随剪切位移增加,呈现出软化特征;随砂土密实程度的增加,界面摩擦系数、界面峰值强度和相对应的剪切位移逐渐增大;但上述参数随沉贯深度的增加先减小后逐渐增大。研究工况条件下,界面摩擦系数量值处于0.2~0.34。根据试验结果,得到了不同沉贯深度处基础桶壁摩阻力,基础侧壁摩阻力–贯入深度之间关系可用指数函数表示;内外壁摩阻力随砂土密实程度增加逐渐增大,外壁摩阻力增长幅度较内壁摩阻力更加明显,外壁摩阻力最大值是相同沉贯深度处内壁摩阻力的2.1倍。界面剪切试验中,砂土发生明显挤出现象,砂土挤出主要发生在剪切初期,对应剪切位移较小,可用于揭示吸力基础沉贯过程中,由于桶壁贯入造成的砂土置换侧向挤出现象。界面剪切过程中砂土颗粒发生破碎,填充至砂土颗粒间孔隙中,导致土体试样高度下降,砂土呈现出“剪缩”现象。发现界面摩擦角与土体内摩擦角之比随土体密实程度的增加逐渐降低。研究内容有助于准确得到沉贯摩阻力和沉贯所需吸力,确保吸力基础沉贯至预定位置。

基于模型试验的上拔过程中裙式吸力基础内部负压及荷载——位移变化

基于1-g模型试验,研究裙式吸力基础在饱和细海砂中的抗拔承载特性,及不同加载速率、裙结构尺寸对基础抗拔承载力和主桶以及裙内负压变化的影响。试验结果表明:裙式吸力基础底部的上拔破坏形式与传统吸力基础顶部密封时基础的底部破坏形式相同,也为局部拉伸破坏。增大裙高和裙宽均可增大裙式吸力基础的极限抗拔承载力,且增大裙宽对裙式吸力基础的极限抗拔承载力增大比较明显。裙式吸力基础上拔承载力,使得主桶被动吸力以及裙内被动吸力同时达到极限值。裙式吸力基础的主桶被动吸力不随裙高的增大而增大,但随着加载速率的增大,裙式吸力基础主桶被动吸力和裙内被动吸力均明显增大。