水泥土大直径单桩水平承载性能试验研究

为研究水泥土中大直径单桩的水平承载性能,开展了水泥土中大直径单桩水平承载性能离心机试验,分析了加固前后桩基水平承载力、弯矩和水平土抗力-水平位移(p-y)曲线的变化规律.基于黏土典型p-y曲线,考虑土体径向非均质性和桩径效应,修正初始地基反力模量和极限土抗力,提出了一种适用于水泥土加固桩水平承载力的计算模型.结果表明,相比未加固桩,加固桩的水平承载力明显提升,单桩初始刚度和极限承载力分别增加2.61倍和6.29倍.加固桩和未加固桩的桩身弯矩随荷载和深度变化趋势大致相同,但加固桩的最大弯矩位于泥面附近.水泥土加固可以提高桩身p-y曲线的初始刚度和极限土抗力,进而提高桩基水平承载力.计算值与实测值吻合较好,从而验证了所提计算模型的合理性.

大直径水平受荷单桩的抗力组分分析及其应用

现有海上风机单桩设计方法的改进主要从修正p-y曲线入手,较少涉及单桩抗力组分的研究。文章将大直径水平受荷单桩的桩-土相互作用分解为桩-土水平抗力p、侧壁摩阻力τz、基底水平摩阻力Fs、基底竖向抗力Fbot,建立含4类抗力弹簧的简化梁单元分析模型,通过三维有限元分析对工程试桩验算,提取各抗力弹簧的组分,明确大直径单桩的抗力组成和变化规律。结果表明,小长径比单桩的水平承载力主要由水平抗力(p-y抗力)控制,但侧壁摩阻力τz、基底水平摩阻力Fs不可忽略;大直径单桩变形模式由桩土相对刚度控制,长径比是影响单桩水平承载力组分变化的重要因素。在此基础上提出了p-y抗力组分曲线,并通过案例分析展示了修正单桩水平承载力的步骤和结果。

单桩式近海风机横向基频的微分变换法求解

精准求解海上风机(OWTs)系统基频是海上风机结构研究的关键性难点之一。基于Euler–Bernoulli梁和Timoshenko梁理论,考虑风机塔筒变截面特性,根据是否考虑桩-土相互作用,分别建立底部弹簧模型与底部固接模型,采用微分变换法计算风机变截面梁横向振动方程,利用MATLAB软件求解风机系统基频。通过与实测结果进行比对,验证本文方法的有效性和精确性,并分析计算项数、塔筒高度、锥度比、弹簧刚度对风机基频的影响。研究结果表明,当计算项数为10及以上时,利用微分变换法计算基频满足精度要求;风机基频对塔筒高度变化的敏感性强,当塔筒高度增加时,基频下降趋势显著;变截面梁锥度比降低使塔筒底部直径变大,进而导致风机基频有所提升;考虑弹簧地基系统的风机基频随任一弹簧刚度的增加而提升,其中耦合弹簧刚度对风机基频的影响程度最大。

高应变动测技术在如东海域大直径钢管桩基工程中的应用研究

基于江苏如东海域三根大直径敞口钢管桩的初打和复打高应变动测试验数据,提出了适用于该海域的桩端折减系数η的推荐值和承载力恢复计算公式,为该海域大直径钢管桩基础的承载力评估提供了技术依据。敞口钢管桩高应变试验数据显示,试验桩侧阻力的恢复系数都远大于端阻力的,且桩侧阻力随时间增长显著,但端阻力的增长却很小。基于此,推荐如东海域大直径敞开钢管桩的桩端阻力折减系数η取0.05进行估算。此外,通过桩基土体恢复和增长机理探讨,提出桩基承载力恢复计算公式,且验证误差在10%以内。

黏土中大直径钢管桩p-y曲线法适用性研究

大直径钢管桩作为常用的海上风机基础形式,其水平承载性能是风机基础结构设计中最关键的一环。API规范建议的p-y曲线法是目前计算钢管桩水平承载力最主流的方法,但其对大直径刚性桩及刚柔性桩的适用性有待探讨。通过开展数值模拟方法,研究了不同长径比水平受荷桩的桩身变形规律及桩周土体破坏规律,提出了基于长径比的刚柔性桩判断标准,并通过比较不同长径比下钢管桩水平极限承载力,得到了传统p-y曲线的适用范围。研究结果发现传统p-y曲线模型由于仅考虑了水平向的土阻力,适用于计算长径比≥15的刚柔性桩及柔性桩;而对于长径比<9的刚性短桩,其误差最高可达63%,严重低估了单桩的水平向承载力;对于长径比在9~15之间的刚柔性桩可适当使用API规范进行计算。

砂性土中海上风电单桩基础水平极限承载力确定方法对比

总结已有的3类单桩基础的水平极限承载力确定方法,分别为极限平衡法、p-y曲线法和定性方法,并结合试验实例研究采用不同方法计算得到的水平极限承载力之间的差异性。结果表明:不同方法求得的结果差异性较大,最大差距可达38.84%。鉴于无统一的方法,以及采用不同方法得到的结果差异性较大,单桩基础的水平极限承载力确定还需要进一步研究。

海上风电大直径单桩基础循环重固结效应离心机试验研究

我国东南沿海台风频发,海上风机在其服役期内往往经历多次循环重固结阶段。然而当前绝大多数研究仅局限于未经历重固结的单桩循环响应,鲜有研究考虑循环重固结效应对后续单桩响应的影响。为此,针对软黏土中两种桩径的大直径单桩基础开展了一系列不同幅值下的循环重固结离心机试验,旨在揭示并量化循环重固结效应对大直径单桩循环累积位移、桩头刚度等关键设计指标的影响。试验结果表明:同等循环荷载幅值下,经历2轮循环重固结后,单桩基础桩头刚度相比初始刚度最大提高了1.5倍,这使得单桩累积位移显著减小,最大减幅达63%。因此,若设计过程中不考虑循环重固结效应对单桩后续循环响应的影响,而直接将每场极端台风下单桩的累积位移进行累加,则会严重高估桩头累积位移,使单桩基础设计偏于保守。

统一硬化本构在海上风电大直径单桩桩-土分析中的应用

[目的]文章旨在推动海上风电基础的优化设计,将理论更加完善,模拟结果更加符合实际的高级岩土本构模型推广至实际工程应用。[方法]首先介绍了一种高级本构模型:UH模型(Unified Hardening model,统一硬化本构模型)的理论框架,随后对其进行了面向实际工程应用需求的修正,最后将修正后的模型应用在大直径单桩桩-土分析中,并对结果进行了宏观和单元层面的分析以验证其有效性与实用性。[结果]经过修正和验证,得到了适用于实际工程问题的UH_G0模型。该模型将原始UH模型中的参数“初始孔隙比”替换为“超固结比”;并引入Andersen经验公式,将剪切模量与本构参数κ解耦,显著提升了原始UH模型的初始剪切刚度,使得UH模型对变形(刚度)敏感的边值问题具有适用性。[结论]UH模型作为理论框架清晰,参数物理意义明确的高级本构模型具有较好的实际工程应用潜力。研究进行的面向工程设计需求的两项修正是必要的,二者分别提高了UH模型实际应用于边值问题的便捷性和初始刚度计算的准确性。修正后的UH_G0模型在有限元模拟过程中表现出对实际工程问题良好的有效性与实用性。

基于现场试验的海上风电大直径钢管桩p-y曲线特性分析

作为美国石油协会(API)推荐的规范方法,p-y曲线法在水平受荷桩的计算分析中得到了广泛应用。随着海上单桩基础尺寸的增大,基于柔性长桩得出的API规范p-y曲线的适用性受到了越来越多的质疑。以中国某海上风电场大直径单桩基础水平静载试验为工程背景,分析了试桩的水平受荷变形特性。基于实测数据,对比了4种较为常见的p-y曲线方法的计算效果。结合三维有限元模拟分析了基础尺寸对p-y曲线形式的影响,并探讨了上述p-y曲线的适用工况。结果表明:API法不适用于大直径桩的分析计算;4种方法中,Sullivan法的预测值与实测值最为吻合。同时根据现场试验与有限元分析的结果提出了修正的p-y曲线计算方法。文中研究成果能为相似海域内大直径单桩水平承载变形特性设计提供一定参考。

海上风电大直径单桩基础施工技术研究

大直径单桩基础在全球海上风电场中的使用占比超过75%,是最常采用的基础形式。为了解决在复杂地质条件及海况下进行大直径单桩基础施工的难题,对单桩基础施工技术进行了深入研究,主要包含风机基础单桩沉桩、基础冲刷防护和集成式附属构件的安装,重点讨论了施工技术中的难点以及对应的解决方案,可为今后相关的施工作业及研究提供参考。

海上风电大直径单桩基础沉桩施工技术研究

海床地质情况复杂多变,加大了海上风电单桩基础沉桩施工难度。针对江苏省射阳某海上风电项目,为确保单桩基础顺利沉桩,提出了海上抱桩器安装、钢管桩吊装、锤击沉桩施工、终锤及停锤控制等钢管桩沉桩工艺流程。研究成果可为海上风机单桩基础沉桩施工提供参考。

海上风机超大直径桩基翻桩夹具结构型式优化设计

针对海上风机超大直径桩基翻桩夹具,基于结构安全性考虑,结合原翻桩夹具存在的问题,进行结构型式优化设计,并进行有限元分析。结果表明,优化的翻桩夹具结构强度满足规范要求,大幅提高结构安全性,且无需调平即可吊装就位,有效提升翻桩作业效率。

超长期循环荷载作用下海上风机大直径单桩动力特性演变规律研究

大直径单桩基础是目前应用最广泛的一种海上风机支撑结构,其现有相对成熟的研究主要集中在承载力、累积变形和初始动力特性计算等问题。而海上风机对海洋环境中的风、浪、流、地震波及其运行荷载等动荷载非常敏感,因此在长期循环荷载作用过程中,其振动特性变化规律必须得到充分研究。通过在干砂中对大直径单桩进行室内1 g模型试验,以模型桩承载力为参考值,施加相同频率、不同幅值的循环荷载,并在加载过程中进行频响分析,得到桩顶水平位移频响函数,进而得出了以下结论:(1)桩基一阶共振频率随循环次数增大而增大;(2)阻尼比随循环加载次数整体呈降低趋势;(3)桩顶刚度则受循环荷载的致密作用和振动坑的形成等多因素影响,割线刚度主要呈下降趋势,卸载刚度呈增大趋势。

海上风机加翼桩基础水平承载性能分析

利用有限元软件分析加翼桩水平承载规律。在此基础上讨论了翼片长度、宽度以及埋深对其水平承载能力的影响;从提高水平承载性能和节约用钢量两个角度共同考虑,改进了翼片效率指标公式,利用该公式优化翼片尺寸;研究了水平荷载加载高度、方向以及竖向荷载对加翼桩水平承载力的影响规律。结果表明:翼片尺寸和埋深是影响加翼桩水平承载性能的关键因素;矩形翼片最优宽度为0.6倍桩径、最优长度为4倍桩径;荷载作用高度增加会降低加翼桩水平承载力;45°方向水平荷载作用下,加翼桩水平极限承载力最小;均质粘土地基中,竖向荷载的存在会影响加翼桩水平承载性能的发挥。

固化土在海上风电基础冲刷防护工程中的应用

局部冲刷是海上风电工程中常见的现象。目前,工程中对于海上风电基础冲刷防护仍以抛石措施为主,然而该措施存在防护效果差、后期维护费用高的缺点。结合如东海上风电工程,对固化土加固海上风电桩基础冲刷坑的抗冲刷过程进行了分析。根据扫测结果对桩基础冲刷坑形态进行总结分类,并针对性地提出了四种防护方案,进而对固化土施工方案和施工工艺进行了总结。采用多波束对固化土防护效果进行了检测,扫测结果显示固化土防护后的桩基础周围基本保持平整状态,未见明显的冲刷现象,说明固化土防护层能够抵抗高速水流的冲刷,可作为传统抛石措施的替代方案。研究可为海上风电基础冲刷防护工程提供参考。

固化土加固海上风电桩基水平承载特性研究

为探究固化土加固对于海上风电大直径单桩基础水平承载特性的影响,以江苏如东H4#海上风电场工程为背景建立了固化土加固海上风电大直径单桩基础的有限元计算模型,研究了固化土加固前后单桩基础的水平承载特性,分析了固化土强度参数对单桩基础水平承载特性的影响。研究结果表明:利用固化土加固单桩基础可显著改善桩基的水平承载特性,桩基的水平承载力可提高147%;桩身位移对于固化土粘聚力的变化较敏感,内摩擦角的变化对于桩身位移的影响则较低。

海上风电大直径单桩自沉与溜桩分析

[目的]为了能够更加准确、快捷地预测海上大直径单桩的自沉深度,降低施工风险,分别采用了基于设计参数的方法和基于CPT原位测试的方法进行分析计算并根据现场实际施工数据进行初步分析。[方法]通过API推荐的桩基承载原理,利用现场沉桩数据,结合误差分析,将理论计算结果与实际沉桩数据进行比较,修正设计输入参数。[结果]分析结果表明:计算粘土的自沉与溜桩分析过程中,折减强度系数Sr的不同,对沉桩预测差异很大;同时,自沉过程与溜桩过程折减强度系数Sr的选取不同。[结论]通过对比分析,得到了广东沿海海域粘土强度折减系数Sr取值范围,可以为后面海上沉桩作业提供设计参考,此外,研究发现利用CPT数据能够更好地预测自沉和溜桩现象。

基于均匀和局部腐蚀模型的海上风电单桩基础承载特性

针对不同腐蚀形式对海上风电大直径钢管单桩基础承载特性的影响进行研究。基于Abaqus大直径钢管单桩有限元数值模型,分析均匀腐蚀、局部腐蚀以及均匀腐蚀与局部腐蚀联合作用对大直径钢管单桩水平和竖直承载特性的影响规律。结果表明:均匀腐蚀对单桩基础桩顶挠度影响显著,当腐蚀时间达20 a时桩身最大挠度增幅为15.9%,此时在局部腐蚀作用下其增幅仅2.0%;均匀腐蚀对单桩基础竖直沉降量影响较大,当腐蚀时间达20 a时桩顶沉降量的最大增幅为21.8%,此时在局部腐蚀作用下其增幅仅4.1%;在水平载荷作用下,局部腐蚀和均匀腐蚀均会导致桩身最大应力增大,且无论在水平载荷还是在竖直载荷作用下,在局部腐蚀处均出现小范围的应力集中现象。研究成果可为海上风电大直径钢管单桩基础防腐措施提供理论支持。

海上风电变径单桩基础动力响应分析

采用有限元分析软件ABAQUS建立了海上风电变径桩基础数值模型,开展了变径单桩基础非线性动力时程分析,并进行结构尺寸参数敏感性分析。数值分析结果表明:在风浪流荷载作用下,变径单桩基础的位移与应力值在允许范围内;底部桩径对结构整体动力响应影响最为明显,变径段上部长度影响具有一定边际效应,变径段长度影响较小。

嵌岩桩在强风化花岗岩海床中的孔壁失稳

中国东南沿海地区广泛分布着风化程度较高的花岗岩,在强风化花岗地层中进行海上风电大直径嵌岩单桩施工存在现孔壁失稳问题。为此,将可以描述强风化花岗岩结构性和超固结性的弹塑性本构通过子程序UMAT嵌入到有限元软件ABAQUS中,根据土工试验结果确定了本构模型参数取值。在此基础上建立了孔壁稳定性数值模型,分析了孔壁失稳的发展规律及其影响因素。研究结果表明,孔壁周围土体由于卸载应力达到临界状态是发生塌孔的主要原因,塌孔发展速度随时间逐渐变缓,最终塌孔形态趋于土拱形式。塌孔范围随着孔径和出桩长度的增大而增大,最大塌孔半径与桩径的比值介于0.5~0.7范围内。