大直径钢管桩水平载荷试验研究

文章首次对直径为2800mm 的超大直径钢管桩开展了单桩水平静载试验,研究分析了超大直径钢管桩的桩侧水平抗力、桩身截面弯矩、桩身水平位移与桩基水平荷载之间的变化曲线,得到了不同水平位移时桩周地基反力模量的变化规律,为超大直径桩基水平承载力设计提供了现场试验数据。     

海上风电单桩基础侧摩阻力研究

单桩基础是目前应用最广泛的海上风电基础形式。现有单桩竖向承载力设计时仅考虑外侧摩阻力与端阻力,并未考虑桩基内侧摩阻力对竖向承载力的贡献。文中基于江苏某沿海海域两个风电场的现场试桩数据,分别采用API规范、美国陆军工程兵团方法以及港口工程桩基规范中的公式计算桩身外侧摩阻力,研究了土层类型、土深度对于钢管桩内外侧摩阻力比值的影响规律,并与实测数据进行了对比分析。研究结果表明:接近泥面处内外侧摩阻力比值较小,内外侧摩阻力比值随深度增加呈增大趋势;在海上风电单桩基础竖向承载力设计中,桩基内侧摩阻力不容忽视。     

桩基尺寸对砂土中水平受荷桩-土作用力的影响

p-y 曲线法在水平受荷桩的设计中得到了广泛应用,然而近年来在海上风机超大直径单桩基础设计中受到了学术界和工程界的质疑,当前研究表明,桩基尺寸是产生这一问题的主要原因。本文通过三维数值仿真技术,研究了砂土地基中水平受荷桩-土作用特征的演变规律,探讨了当前超大直径单桩设计方法存在的主要问题及产生的原因。计算结果显示：超大直径单桩基础因其桩径大、长径比（入土长度与直径的比） 小的尺寸特征,在水平荷载作用下桩土作用具有明显的三维空间效应,即除受水平向土反力外,还受到桩端水平向的摩擦力、沿桩身不均匀摩阻力产生的抵抗力矩及桩底不均匀土反力提供的抵抗力矩;进一步研究表明,后三类抗力对桩基水平承载力的贡献占比与桩基尺寸有关,即桩基直径越大、长径比越小,这些抗力的贡献越大。因此,在水平受荷超大直径单桩承载特性计算与分析的过程中,除当前水平向p-y 弹簧提供的抗力外,还应考虑桩底的水平剪力、桩身摩擦力和桩底反力不平衡产生的抵抗力矩。     

海上风电楔形单桩基础竖向承载力特性分析

为提高基础利用率增加海上风电设施的可行性，对楔形单桩基础竖向承载力特性进行研究分析。采用PLAXIS 3D 有限元软件建立楔形单桩基础模型，从桩侧摩阻力、桩侧法应力及土体位移对比分析楔形单桩基础与等截面单桩竖向承载特性差异，并探讨内摩擦角、楔角及楔高对承载力的影响。研究表明：楔形单桩基础竖向承载力高于等截面单桩基础，且承载力随着楔角、楔高的增大而增大，提高率最大达24.786%。倾斜侧壁的引入改变了桩侧摩阻力的传递规律；倾斜侧壁挤密桩周土体，桩侧摩阻力与法向应力增大，从而有效提高单桩基础的竖向承载力。研究成果可为今后海上风电单桩基础截面型式的设计提供参考。     

黏土中海上风电水平受荷大直径单桩设计方法的思考

文章回顾了目前风电大直径单桩基础水平受荷静力响应分析的p-y 曲线规范方法,结合现有成果探讨了该方法会高估桩侧初始刚度并低估极限承载力的原因。为解决其不足,文章介绍了一种基于土体应力应变关系的p-y 曲线方法,它不但能较为正确地反映桩侧刚度,还能跟踪桩周土体的平均塑性应变的累积。在此基础上探讨了桩基在循环疲劳状态下的规范方法,由于其无法精确反映循环次数和幅值对于桩侧刚度弱化的影响,因此,进一步介绍了基于静力p-y 骨干曲线的滞回曲线构造方法,最后,基于上述分析方法,提出了一些大直径单桩优化设计的建议。     

海上风电大直径加翼桩水平承载性能研究

为改善海上风电大直径钢管桩的水平承载性能,基于ABAQUS有限元软件对单桩改进形式的加翼桩结构进行了系统研究,计算分析了软黏土地基中加翼桩在水平荷载作用下桩身弯矩、应力、位移、桩身泥面处倾斜率和极限承载力,研究了加翼桩面积、形状、埋深和刚度等翼板参数对加翼桩水平承载性能的影响规律,根据加翼桩的桩-土作用机理,参考现行规范模式提出适用于软黏土地基大直径钢管桩的P-Y曲线。研究结果表明,加翼桩通过在泥面处设置翼板可降低桩基泥面处倾斜率50%、提高桩基极限承载力60%以上,加翼桩水平承载性能明显优于单桩。     

多层砂土地基扩底桩单桩抗压模型试验及颗粒流模拟研究

利用室内半模试验和颗粒流数值模拟,揭示多层砂土地基扩底桩单桩抗压承载特性及变形特征。结果表明,通过对比分析极限承载力与H_h/D(持力层厚度与扩大头直径之比)的关系可以看出,单桩的抗压极限承载力随H_h/D逐渐增加,当H_h/D超过2.0时,极限承载力基本不再增加,此时的单桩抗压极限承载力稳定在300.01~303.25 N,是H_h/D=0.5时极限承载力(183.83 N)的1.65倍。扩大头下部土体发生局部压缩-剪切破坏,破坏面从扩大头底面边缘向斜下方扩展,在水平方向影响范围达到最大后逐渐向桩内侧收缩;荷载作用越大,地基破坏区域越大,相应的极限抗压承载力也越大;持力层厚度增加,扩大头分担的荷载比例增大,分担的荷载达到稳定需要的桩顶位移也越大,H_h=0.5 D试验扩大头分担的荷载比例稳定时为60%,对应的桩顶位移约为29 mm;桩顶位移达到33 mm后,H_h=1.0~3.0 D试验稳定在63%~65%之间;通过细观颗粒流理论对砂土移动特性的研究发现,持力层厚度从0.5 D增大至2.0 D,破坏面的起始扩展角度从31°增大至42°。数值模拟研究结果与模型试验数据吻合效果良好,证明该方法分析多层砂土地基扩底桩单桩抗压荷载传递机理是可行的。     

大直径钢管桩土塞效应的判断和沉桩过程分析

港口工程和海洋工程中出现了越来越多的大直径超长钢管桩。由于这种桩直径较大,土塞的形成对桩的可打入性和承载力有较大的影响。鉴于此,根据大直径和超大直径钢管桩土塞性状的特殊性,考虑了桩直径对侧壁摩阻力、端阻力的影响,引入了尺寸效应系数,重新建立了土塞微分体的静力平衡方程,提出了采用改进的静力平衡法进行土塞效应判断,同时采用波动方程法近似模拟土塞与桩管内壁的相互作用,建立了简化的土塞与桩壁相互作用模型,并用该方法进行实际工程的打桩分析,分析结果表明该方法对土塞效应的判断、打桩过程的预测等与工程实测数据吻合较好。     

压力注浆螺旋钢管桩抗拔承载性能试验研究

针对海相软土地区螺旋钢管桩承载力低与腐蚀问题,提出一种新型压力注浆螺旋钢管桩,并设计5根足尺试验桩,进行现场抗拔承载性能试验,研究螺旋叶片直径与排布方式对成桩直径与桩基抗拔承载性能的影响.结果表明,成桩直径与螺旋叶片直径呈正相关,在每节延长段钢管末端设置螺旋叶片利于提高水泥土柱完整性,使成桩直径更为饱满,提高桩基的抗拔承载性能.将试验结果和现行规范抗拔极限承载力计算结果进行对比,计算结果约为实测平均值的94％,在此基础上提出压力注浆螺旋钢管桩抗拔承载力计算参数修正建议,为后续的设计提供参考.     

海上风电钢管桩自平衡法现场试验研究

一种新型钢管桩预装荷载箱法被研发出用于自平衡法海上风电钢管桩基检测试验,并通过现场自平衡试验研究探究了海上打入桩桩基础特性。该方法首次成功应用于海外某海上风电场直径1.4 m的超长大直径钢管桩承载力检测,用于探究其承载特性和桩侧桩端阻力发挥规律。现场试验显示,该新型检测方法达到了预期的测试效果和经济效益,与现有钢管桩自平衡法相比,对土的影响更小,可靠度更高,为类似土层和直径的超长钢管桩承载力试验提供了新的途径。     

Physical Modeling of a Footing on Soft Soil Ground with Deep Cement Mixed Soil Columns under Vertical Loading

Deep cement mixing (DCM) technique is a deep in-situ stabilization technique by mixing cement powder or slurry with soft soils below the ground surface to improve their properties and behavior. Some of DCM treated soft soil grounds are approximately in a plane-strain condition; for example, a fill embankment on DCM improved ground. In this study, a plane-strain physical model was created with instrumentation and used to investigate the bearing capacity and failure mode of a soft soil improved by an end-bearing DCM column group. This study focuses on the observed wedge-shaped shear failure of the model ground and attempts to give an account of the failure. Two different methods are used to calculate the bearing capacity of the model ground, and the computed values are compared with the measured ones. It is found that the simple Brom's method gives a better estimate of the bearing capacity of the present model ground. It is also found that measured data of pore water pressures at different locations in the soft soil indicate coupling between failure of columns and consolidation of the soft soil. This study has presented the first time that a wedge-shaped block failure was observed for pattern of DCM treated soil ground.     

梁板式高桩码头结构整体可靠度计算方法

在环境条件和使用荷载作用下,高桩码头结构损伤和承载力降低是普遍存在的问题。在役梁板式高桩码头结构安全评估,是保证港口设施安全运行的必要措施。结构整体可靠度是结构安全评估的核心指标,但目前尚未建立结构整体可靠度计算的有效方法。基于非线性有限元数值模型,采用蒙特卡罗模拟技术确定了典型梁板式高桩码头结构整体极限承载力概率分布模型及其统计参数,研究了损伤位置、损伤程度和损伤数量等对极限承载力概率分布及其统计参数的影响,明确了无损结构整体极限承载力概率分布模型及其统计参数可用于损伤结构分析。将结构整体极限承载力作为结构抗力随机变量,采用一次二阶矩法计算结构的可靠指标,建立了一种在役梁板式高桩码头结构整体可靠度计算的有效方法。     

Drainage conditions around monopiles in sand

Large diameter monopiles are typical foundation solutions for offshore wind turbines. In design of the monopile foundations in sand, it is necessary to understand the drainage conditions of the foundation soil under the design loading conditions as the soil performance (strength and stiffness) is highly dependent on the drainage conditions. This paper presents a numerical investigation into this issue, with a purpose to develop a simple design criterion for assessing the soil drainage conditions around a monopile in sand. It is found that for typical monopile foundations in sand, the drainage condition during a single load cycle is generally expected to be undrained. However, the current state-of-practice uses p-y springs derived for drained soil responses for monopile design. The impact of this discrepancy on monopile foundation design was evaluated and found to be insignificant due to the relatively low level of loading as compared to the capacity of the soil.     

桩-筒组合基础在单层黏土中水平承载性能分析

桩-筒组合基础是将单桩基础与筒型基础组合的一种新型海上风电基础形式,其受力模式不同于传统桩基基础,优点是可通过合理减小桩长、桩壁厚等途径提高承载性能。基于极限地基反力法,提出单层黏土中桩-筒组合基础受力模式及水平承载力的计算方法。利用力加载和位移加载两种控制方法进行数值分析,研究水平承载性能的影响因素。结果表明,在一定范围内,桩-筒组合基础水平承载性能随桩入土深度、桩壁厚、筒外径的增大而提高。基于实际工程,对等用钢量的单桩基础与组合基础进行比较计算,结果表明,桩-筒组合基础可有效降低基础倾斜度和位移,提高承载性能。     

海床表层软土对宽浅式筒型基础承载特性影响研究

近海海床表层多为软黏土或淤泥质土,为探究海床表层软土对海上风电宽浅式筒型基础承载特性的影响,以中国广东某海域风电场为背景,通过有限元分析的方法,研究竖向、水平、弯矩荷载作用下软土层厚度和土体强度对基础极限承载力、破坏模式以及筒基土压力分布的影响。研究结果表明:当软土层厚度小于H/2(H为筒裙高度)时,单向荷载作用下宽浅式筒型基础极限承载力随软土层厚度的增加呈线性减小的趋势;当软土层厚度大于H/2后,承载力降低速率逐渐增大。表层软土的存在,使得塑性区范围缩小,软土层内土体塑性破坏更加明显。竖向荷载作用下,随软土层厚度的增大,筒顶承载先减小后增大,筒内侧摩阻力先增大后减小;水平荷载和弯矩作用下,筒侧被动土压力的降低是引起软土覆盖地基中基础承载能力降低的主要因素。     

Ultimate Bearing Capacity of Subsoils to Marine Pipelines

- Based on the theory of limit analysis, the Finite Difference Method (FDM) is established for evaluating the ultimate bearing capacity of subsoils to bear the unburied pipelines. The analytical results of bearing capacity of the ideal clay is given. The approach to bearing capacity evaluation of cohesionless subsoils without surcharge is suggested. The results from this method are consistent with those obtained from model tests.