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。

考虑砂土渗透性变化的吸力锚沉贯及土塞特性研究

吸力锚负压沉贯过程中锚内部常常产生土塞现象,这将阻碍锚体的进一步沉贯,影响吸力锚在海床土体中的安装深度,最终导致吸力锚承载力的降低,本研究通过1g条件下室内模型试验研究土塞的形成机理。通过试验模拟吸力锚水下砂土中吸力沉贯过程,借助高分辨率相机记录锚体整个沉贯过程,同时利用微型孔压传感器测量锚内外负压值随沉贯深度变化情况。试验过程中发现吸力锚内部土柱在向上渗流作用下发生细颗粒迁移现象,且随着沉贯深度的增大,土塞隆起的高度逐渐增加。提出土塞的形成是由于吸力锚内部土体膨胀引起的,进而引起渗透系数的增加。本研究分析了渗透系数在锚体沉贯过程中的变化情况,并对Houlsby和Byrne提出的吸力锚砂土中沉贯吸力计算模型进行了改进,从而获得更加准确的沉贯吸力随沉贯深度变化关系理论计算方法,为吸力锚的工程设计和施工提供理论依据。

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。

吸力式筒形基础沉贯过程的大变形有限元模拟

吸力式筒形基础在海洋工程中已获得越来越广泛地应用,其安装过程的数值模拟对指导工程实践具有重要意义。在大型通用有限元软件ABAQUS平台上建立了二维轴对称模型,基于ALE(任意拉格朗日-欧拉法)技术模拟了黏土中吸力筒的大变形沉贯过程。模拟过程利用了子程序VUFIELD控制土体的不排水抗剪强度和弹性模量随土体深度变化。参照离心机试验及理论计算,对模型进行验证。利用已验证模型分析不同吸力下沉贯阻力、土塞高度,并讨论了筒壁摩擦特性。数值计算结果表明,ALE技术能有效地模拟吸力筒贯入过程,避免网格畸变。贯入方式对贯入阻力影响很大,吸力式贯入阻力明显低于压力式贯入阻力。进一步研究发现,随着最终吸力值的增大,沉贯阻力会显著降低,土塞高度会显著提高。对内壁摩擦特性的研究表明,内壁摩擦阻力是导致沉贯阻力改变的主要因素,并且相比吸力式贯入方式,筒壁摩擦特性会对压力式贯入造成更大的影响。

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。

裙式吸力基础在层状土中沉贯的渗流数值分析

针对一种新型吸力基础形式——裙式吸力基础,采用有限元方法,研究其在粘性土及层状土(上层砂土,下层粘性土)中,吸力沉贯时周围土体中渗流场及水力梯度分布规律。研究发现:在粘性土及层状土中,主桶内部土体等势线分布密集且斜率较小,外侧等势线分布稀疏且斜率较大;沉贯中水头损失主要集中在主桶内部。对于层状土中的沉贯,当基础穿越砂土进入粘性土层时,砂土中等势线分布变稀疏,水头损失变小;粘性土中等势线分布密集,水头损失增大。吸力沉贯过程中,水力梯度最大值出现在主桶端部。

饱和砂土吸力基础沉贯过程中渗流场分布

针对不同长径比的传统吸力基础及裙式吸力基础,采用有限元数值模拟的方法,研究其在饱和砂土内吸力沉贯过程中的土体渗流场分布规律。研究结果表明:传统吸力基础在沉贯过程中,土中渗流场均呈现层状分布,水头等值线密集分布于主桶内部土体,相对比较平缓;而主桶外部水头等值线变化较小且分布比较稀疏。裙式吸力基础渗流场主要存在于主桶内部和裙结构内部,并向外扩散至部分土体。吸力沉贯过程中土体的水头损失主要集中在主桶内部和裙结构内部,土体中的孔压分布和传统吸力基础规律一致,即成层状分布并未出现泡状的孔压分布形式。研究成果对揭示吸力基础沉贯机理有理论指导意义。

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。

桶式基础吸力沉贯试验研究

针对海上风电场单桶多隔舱基础开展沉贯试验研究,并通过土压计、应力计等科研传感器数据对基础沉贯阻力和侧壁变形进行分析。自重下沉阶段基础最大倾角约为1.2°,吸力下沉阶段初期将基础调平后,不再发生显著倾斜。对淤泥质土层中的钢制桶式基础,采用静力触探数据结合上限阻力系数获得的理论压差结果与实测值最为接近,并基于实测土压力获得了侧壁摩擦系数为0.23。施工期结构应力监测结果表明,最大应力发生于桶顶,侧壁在压差作用下发生显著挠曲。基于单桶多隔舱基础吸力沉贯过程中隔舱内压力基本保持一致的现象,提出一种将应力计布设于隔舱板,从而避免内外压差影响的传感器布设方案。

多舱筒型基础在砂土中沉放过程临界吸力研究

基于ADINA软件对多舱复合筒型基础在砂土中沉贯及调平过程的渗流规律进行模拟,以渗透破坏的最不利位置为控制点,考虑了基础分舱尺寸效应,先后推导了沉贯、调平过程中复合筒型基础临界吸力的公式,总结了沉贯与调平过程中所需临界吸力随沉贯深度、分舱尺寸以及倾斜角度的变化规律。为复合筒型基础的施工提出合理化建议。

砂土中筒型基础临界吸力计算方法研究

开展砂土中筒型基础吸力沉贯的系列模型试验,测试筒型基础下沉过程中吸力的发挥过程,并通过反分析得出筒内外土体渗透系数比的变化规律。结果表明:当筒内土体出现管涌现象时,筒内负压会瞬间降低;随着沉贯深度的增加,临界吸力值也逐渐增大;此外,筒内外土体的渗透系数比呈指数函数型增长;假设在沉贯过程中土体的渗透系数不变,则临界吸力的预测结果均小于实测值。根据试验结果改进砂土中筒型基础沉贯过程临界吸力的计算公式,并进行工程案例验证。