水平荷载作用下风电机桩基础的离心模型试验研究

桩基础是近海风机经常采用的基础形式。由于风电机组对基础的承载力和变形有着严格的要求,而水平荷载常常是控制荷载,因此,研究水平荷载作用下风机桩基础的应力、变形特性具有重要意义。针对风机单桩基础,选取典型的黏土地基,进行了水平加载条件下的离心模型试验,重点分析了桩身的响应及桩周围土体的变形特点。试验结果表明,在水平荷载作用下,桩顶的水平位移随着水平力的增加而增加,位移的增加速率在临界荷载之后增长较快;桩身弯矩分别在埋深1/5和3/5处附近分别出现极大值和极小值,且桩底具有一定弯矩值;桩周围土体的变形随着离桩距离的增加而减小,可分为主动区和被动区。桩对土体变形的影响区域随着水平力的增加而不断扩展,最后基本稳定在2倍桩径范围内。     

水平环境荷载与地震动联合作用下的海上风机单桩基础动力响应模型试验

近海风机结构和基础长期承受着巨大的水平向环境荷载。在风机的服役周期中,地震荷载与水平环境荷载会有大概率同时空作用于风机基础上。研发了初始水平环境施加装置,设计了砂土地基中的近海风机单桩基础超重力动力模型试验,从物理模型尺度初步实现了考虑初始水平环境荷载与地震荷载联合作用的单桩基础动力试验。通过超重力振动台试验发现,联合工况下干砂地基和饱和砂地基中风机单桩基础的震后桩身弯矩值要大于初始弯矩值。在饱和地基中部分深度处的震后桩身弯矩是初始弯矩值的4倍。此外桩顶水平位移在施振过程中出现了震荡累加的现象,在饱和地基中震后桩顶水平位移是初始位移的1.3倍。初始水平环境荷载与地震荷载联合作用下风机单桩基础表现出的这种耦合效应对风机的安全服役产生了巨大的挑战,在风机基础设计中值得关注。     

离心场中风力电机桩基复杂加载测试设备的研制

桩基础是近海风力发电中经常采用的基础形式,承受着包括低频风循环荷载在内的复杂荷载组合。为了采用离心模型试验来研究风机桩基础特性,研制了离心场中风机桩基础复杂加载测试设备。该套设备除了可以施加水平向和竖向静力荷载外,还实现了离心场中长时间低频率的水平循环加载,并能够实现多种荷载同时或者先后施加。通过一系列测试试验,验证了该套设备的有效性,满足离心模型试验中对模拟风机桩基础的复杂荷载要求。初步试验结果表明,桩顶水平位移随着水平荷载循环周数的增加而增大,但增长速率逐渐减小,至一定周数后,桩顶位移趋于稳定,土体变形主要集中在桩周一定区域内     

可液化场地桩基震后水平变形预测模型研究

近海海域实测数据显示,风机主要承受大幅值、长历时的水平向环境荷载。在服役周期内,位于高烈度区域内的近海风机遭受地震作用的概率极大。这些持续性的、量值巨大的初始水平环境荷载对风机的地震响应所产生的影响尚不清晰,目前相关研究多基于数值模拟方法。以福建海域某拟建近海风电场为对象,利用ZJU-400超重力振动台,开展了嵌岩桩单桩基础在砂土中的超重力物理模型试验,揭示了初始水平荷载与地震动荷载耦合作用下的桩身弯矩和位移响应。此外,引入超孔压参数来表征耦合荷载作用下的桩-土弱化效应,建立了能反映不同超孔压比下的大直径单桩基础桩身土反力-桩-土水平位移曲线模型。结合非线性Winkler地基梁理论框架,所构建的预测模型可以较有效地预测近海风机嵌岩单桩在初始水平荷载作用下的震后弯矩及位移分布。     

黏土中两种不同直径单桩水平循环加载模型试验与分析

为探讨海上风机在风、浪等水平往复循环荷载下大直径单桩基础的循环弱化特性,设计了稳定输出长期循环荷载的机械加载装置,开展了软黏土中长期水平循环荷载下海上风电大直径单桩基础和传统长桩基础的模型试验对比研究。根据API给出的骨干曲线和Masing二倍准则构建循环荷载下的p-y（荷载-位移）曲线,并借鉴前人工作,采用累积塑性应变描述软黏土的不排水抗剪强度弱化,提出了分析大周数水平循环荷载下单桩基础循环弱化的理论方法。该方法将循环荷载次数、幅值等外界条件与桩周土体的循环弱化特性建立联系,以适应海洋环境复杂多变的水平循环荷载形式。通过模型试验和理论研究认为,大直径单桩基础因刚度较大,在同样的水平力循环荷载条件下,其抵抗循环荷载的能力明显优于传统长桩。在海上风机大直径单桩的设计中采用基于黏土残余强度的循环后稳定水平承载力更为合理。     

一种适用于室内模型试验的循环加载装置研制及试验研究

设计了一套适用于室内模型试验的循环加载装置,该装置主要由水平滑动系统、动力系统以及反力架系统组成,具有稳定可靠,制造加工成本低廉,且荷载幅值和频率可调节等优点。将装置输出的实测荷载与理论值进行对比,并利用该装置对海洋风机单桩式基础进行循环荷载试验研究,结果表明:实测荷载与理论值之间的拟合相似程度为91.3%,输出荷载稳定可靠;淤泥质软土地基中单桩式基础的位移在循环加载初期增长很快之后逐渐趋于稳定,桩后土体与桩分离形成间隙,桩前及桩侧土体出现径向裂纹;桩身弯矩会随着加载次数的增加而呈现累积增加的趋势,最后逐渐趋于稳定,桩身最大弯矩出现在土表下4D~5D(D为桩径)。基于以上结果表明,该循环加载装置设计合理、能够提供稳定可靠的荷载,且能满足模型试验的要求。     

基于拉格朗日乘数法的大弯矩水平受荷桩研究

水平受荷单桩常用于海上风机基础,该条件下单桩受到巨大的倾覆力矩。通过引入力和弯矩平衡的拉格朗日乘子,将桩身挠曲线泛函极值问题转化为非线性方程组。方程组求解采用牛顿法,以Matlab矩阵运算实现。所提方法适用于任意非线性或分段形式的p-y(水平抗力-水平位移)曲线,计算迅速,可模拟荷载和桩身参数的变化。与试桩资料的对比表明,所提方法计算准确。算例研究表明,加载高度与桩长相仿时,绝大部分桩基变形是由桩顶弯矩导致,水平承载力校核失去意义。通过计算不同设计参数下的桩基变形曲线,研究了海上风机单桩基础的设计问题。研究表明,单桩基础存在明显的有效桩长。设计桩径是由水平位移限值决定的,更小的桩径就能满足规范中的转角限值。     

导管架平台桩-土相互作用试验系统研制及应用

海洋环境中的导管架平台承受着风浪、地震等水平荷载,而平台的稳定对桩基础有严格要求,故研究水平荷载下导管架平台桩-土系统变形规律和相互作用机制具有重要意义。研制了1套导管架平台桩-土相互作用试验系统,主要由导管架平台试验模型子系统、电动伺服加载子系统、传感器与数据采集子系统、振动测试子系统组成,可用于研究冲击荷载、静载、循环荷载下导管架平台的桩身变形规律、桩基周围土体响应及平台的振动特性。通过初步试验结果表明,该系统能够如实反映水平荷载下桩-土间的相互作用和导管架平台的振动特性,验证了该系统的有效性。     

砂土地基中受水流影响的竖向力-水平力联合受荷桩承载特性模型试验研究

海上风机大直径单桩基础除承受竖向荷载V与水平荷载H外,同时还受水流冲刷、扰动。基于Swipe加载法,在室内水槽模型中设计完成了砂土中的V-H联合受荷桩测试,获得了静、动水流状态及不同竖向力大小条件下的荷载-位移曲线及桩身弯矩分布;经无量纲化处理与拟合,得到了考虑水流影响的V-H联合受荷桩承载力包络线及其简化计算公式。结果表明:水流冲刷降低了总的桩侧摩阻力,导致竖向荷载-位移曲线初始刚度降低;桩身水平位移和弯矩在仅受水流作用时较小,但同时受水流、水平荷载作用相比于单一水平受力时则明显增大;增加桩顶竖向荷载在水平位移较小时有助于提高桩身水平承载力,但随水平位移增大且竖向荷载接近竖向极限承载力V_u时,可能会因重力二阶(P-Δ)效应而削弱桩身水平承载力;桩身最大弯矩位置不会随水流状态与竖向荷载大小的改变而明显变化,基本保持在泥面以下2～3倍桩径处。     

局部冲刷下群桩水平承载试验研究

基于典型冲刷坑形态,通过改变冲刷深度来模拟不同局部冲刷作用,对典型的9桩群桩进行了冲刷前、后水平承载试验,对相同参数的单桩进行了平行对比试验,详细分析了荷载-位移特性、桩身弯矩分布、群桩效率系数以及荷载分担比的变化规律。结果表明,随着冲刷深度增加,单桩和9桩基础水平承载力均呈现减弱趋势,水平群桩效率系数逐渐增大,承台约束作用效应更加明显,桩身弯矩增大,最大弯矩点位置向桩端移动,前排桩荷载分担比增大,中、后排桩荷载分担比减小;前排角桩受冲刷深度和水平荷载影响最大,设计时需采取有效的加强措施。     

Hybrid Foundation System for Offshore Wind Turbine

The demand on green and clean energy is increasing all over the world. This urge us to try to reduce the obstacles in this field. One of the main obstacles is the high cost of offshore foundation system of wind turbines. A novel offshore hybrid foundation system is proposed for large offshore wind turbines to try to reduce the construction cost. This new system consists of circular precast concrete plate connected on site (i.e. offshore) to a steel monopole that is smaller than the usual pile size used. Parametric study for different foundations systems including monopiles had been done. The displacements at different locations of the foundation and the rotation at the pile head were analyzed and evaluated using a 3D nonlinear finite element model under field-like loading conditions considering different foundation configurations. This work paves the way for the development of design guidelines for this novel foundation system in offshore wind turbine applications.     

Ultimate lateral resistance of tripod pile foundation in clay

In this paper we investigate the effect of pile group geometry and loading direction on the ultimate lateral soil resistance developing on a tripod foundation, using numerical and analytical upper bound methods. Two distinct kinematic mechanisms are established, corresponding to different failure modes associated with wide and narrow pile spacing. A comparison of tripod group performance against other common pile group layouts suggests that the former results in optimal efficiency for cases when the direction of the lateral load is unknown, such as the foundation of offshore structures subjected to wind, wave and ocean current loads.     

海上风电桩基础竖向承载力循环弱化简化分析

提出了一个考虑循环衰减作用的软黏土弹塑性损伤弱化模型,在此模型基础上建立了一个基于剪切位移法的单桩竖向承载力简化计算方法,并利用大型有限元软件进行了不同循环荷载水平下单桩竖向承载力的计算。为了证明简化方法的准确性与有效性,将计算结果与有限元计算结果进行对比,二者的吻合度较高。先期循环荷载能引起单桩竖向承载力弱化,并且弱化程度随先期循环荷载水平的增加而增加。最后将简化方法应用于某海上风电场桩基础承载力的计算中,结果表明,提出的简化方法可应用于实际工程问题的分析。     

海上风电机组筒型基础工作及承载特性研究

筒型基础是一种新型的海上风电基础,由于其具有减少工程量、节省投资、缩短施工时间、可重复使用等优点,在某些领域正在逐步替代桩基和重力式基础。目前工程上对筒型基础的设计还没有现成的规范可供使用,一般是将筒内部土体与筒壁视为一体,然后采用简化的极限平衡方法进行设计计算,不能反映筒内土体的工作特性。以福建近海某风电基础工程为依托,采用大型有限元软件ABAQUS对海上风机单筒基础的承载特性进行了三维有限元数值分析。根据海上风机的受力特点,考虑基础隔舱的作用效果,建立了筒型基础的简化模型与有无隔舱的计算模型。计算结果表明：筒型基础在受荷过程中,基础内部土体产生屈服变形,使得筒型基础的承载特性不同于简化极限平衡方法。两者之间的差异使得实际的地基承载能力比极限平衡方法计算所得的要小。此外,对现行简化计算方法的误差进行了估计,并对筒型基础承载力计算提出建议,可供筒型基础设计者参考。     

局部冲刷对风机支撑系统承载性能的影响

海上风力发电作为一种绿色能源越来越受到重视,单桩基础局部冲刷的研究受到广泛关注。建立了不同冲刷深度的海上风机系统模型,对各模型进行静力、动力分析。结果与前人冲刷模型试验吻合,随着桩基冲刷深度的增大,支撑系统的最大水平位移、最大水平应力和最大弯矩值逐渐增加。冲刷深度为两倍桩径时,最大水平位移、应力及弯矩分别比无冲刷条件下增加了3.61%、12.7%、10.3%。风机系统的自振频率随冲刷深度的增加而降低,高阶频率更易受影响。桩基冲刷对风机系统的动力特性有显著影响,塔顶水平位移时程曲线随冲刷深度不断上移。海上风机设计时必须考虑冲刷对支撑系统承载性能的影响。     

砂土海床中大直径单桩水平承载与变形特性

通过室内三轴固结排水剪切试验等获得典型剪胀性砂土的力学参数,在此基础上利用有限元软件ABAQUS,开展了近海大直径单桩基础在水平荷载作用下的三维有限元数值分析,揭示了加载过程中桩周土的应力路径,探讨了桩周土内摩擦角、剪胀角及桩土接触面特性等对三维数值分析结果的影响,得到了离心模型试验的验证,进而提出了砂土海床中大直径单桩基础的合理数值分析模型及参数取值方法,并建议风机大直径单桩基础水平承载力确定以变形作为控制标准。在此基础上,利用该数值分析模型分析了现有桩基承载力和变形分析方法对超大直径单桩的有效性,并提出了采用数值分析来确定基础的临界埋深的确定方法。     

海上风电机高桩基础关键参数试验研究

针对东海大桥近海风电场钢管桩高桩基础的相关工程参数开展了试验研究。通过水平静载荷现场试验测得了海上钢管直桩及斜桩的水平承载力,并采用自平衡测试法测得了桩基的竖向承载力。对波流力作用下连接及未连接平台的钢管桩进行了测试,获得了加速度时程曲线以及钢管桩固有频率。试验结果分析显示,正斜桩的水平承载性能优于直桩和反斜桩;钢管桩未连接平台时,在波流作用下的位移明显大于连接平台后;钢管桩的实测固有频率在1.05～1.3 Hz之间,斜桩的固有频率略高于直桩。试验结果已直接应用于该工程高桩基础设计中。