近海风机单桩基础桩周土应力特征分析

桩周土体的力学响应规律对近海风机桩基础的变形和稳定性有重要影响。采用有限元方法对一个概化的近海风机单桩基础进行数值模拟,着重分析动荷载作用下桩基础和桩周土的变形规律、桩周土应力作用特征及应力主轴的旋转模式。发现桩周土体各方向的应力分量随循环荷载的作用呈现出周期性的往返变化,第一周期的应力路径与继后周期的应力路径明显不同,浅层桩周土存在显著的应力主轴往复旋转,旋转幅度可达60°。     

近海风机单桩基础桩周土应力特征分析

桩周土体的力学响应规律对近海风机桩基础的变形和稳定性有重要影响。采用有限元方法对一个概化的近海风机单桩基础进行数值模拟,着重分析动荷载作用下桩基础和桩周土的变形规律、桩周土应力作用特征及应力主轴的旋转模式。发现桩周土体各方向的应力分量随循环荷载的作用呈现出周期性的往返变化,第一周期的应力路径与继后周期的应力路径明显不同,浅层桩周土存在显著的应力主轴往复旋转,旋转幅度可达60°。     

海上风电结构地基土动应力变化规律研究

以承受水平荷载为主的海上风力发电机在风、浪等荷载的共同作用下其结构—地基系统具有复杂的受荷特性,使得基础周围的地基土表现出复杂的应力变化特性。本文通过数值计算分析了海上风机上部结构所受水平荷载与波浪荷载的作用方向夹角以及荷载频率对地基土应力状态的影响,揭示了海上风机单桩结构地基土的典型应力时程变化及分布规律。结果表明海上风电结构地基土的应力幅值大小和主应力方向角都在发生变化,上部水平荷载与波浪荷载间的夹角以及二者的频率都对地基土的应力状态,特别是主应力方向角的旋转产生了很大影响。     

大直径扩底灌注桩的地震反应特性

大直径扩底桩的地震反应分析对其抗震设计至关重要。本文采用ABAQUS有限元程序建立地震荷载作用下扩底桩-土-结构和普通等直径桩-土-结构动力相互作用体的三维有限元模型,分析大直径扩底桩与普通等直径桩地震反应的差异。桩周土采用Drucker-Prager弹塑性模型以考虑土体的非线性,桩体采用线弹性模型,桩与桩周土之间设置非线性接触。输入Imperial Vally地震波,对两种桩基的地震反应进行了数值计算,分析了桩土模量比、软夹层、上部质量等因素对桩基地震反应的影响。结果表明:与普通等直径桩相比,扩底桩的抗震性能没有明显提高,扩底直径对抗震性能影响不大,增大扩底桩直径,并不能提高扩底桩的抗震性能;上部结构的质量及桩土模量比对桩基的动力响应影响显著。     

基于Pasternak地基模型和Adomian分解方法的扩底桩水平动力响应分析

工程上广泛采用基于Winkler模型的层状地基反力系数法对桩土水平动力响应进行分析,该方法忽略了地基土剪切作用的影响,与工程实际有一定偏差。另外,对桩土的非线性相互作用和如扩底桩、楔形桩等变截面桩问题常用的传递矩阵法或中心差分法,计算过程较为繁琐。基于Pasternak地基模型和Adomian分解方法,提出一种考虑地基土剪切作用的桩土水平动力相互作用近似计算方法,该方法计算简便且结果精度较高,对变截面桩问题有很好的适用性;并基于该方法,对扩底桩水平动力响应问题和影响因素进行分析。结果指出,扩底半径和上部桩周土弹性模量对扩底桩水平动力响应影响较大,随着扩底半径的增加和桩周土弹性模量的增大,扩底桩水平振动位移幅值逐渐减小。另外,在较低频率的荷载激励下,应考虑土层对桩的剪切作用。     

大直径扩底灌注桩的抗震性能研究

深入分析土-大直径扩底灌注桩体系动力相互作用机理是地震工程的重要研究内容。本文采用快速拉格朗日FLAC~(3D)有限差分程序建立地震荷载作用下扩底桩-土和等直径桩-土动力相互作用体的三维数值模型,分析大直径扩底桩与普通等直径桩地震反应的差异。桩周土采用Mohr-Coulomb弹性模型以考虑土体的非线性,桩体采用线弹性模型,桩与桩周土之间采用"切割模型"法设置桩土间接触面。输入5·12汶川地震波,对两种桩基的地震反应进行了数值计算与分析。结果表明:扩底桩的抗震性能优于等直径桩;与具有显著差异的加速度时程曲线相比,扩底桩对位移动力响应并不敏感。     

应力主轴往返旋转条件下砂土变形规律试验研究

在已有空心圆柱扭剪仪上开发新的控制模块,实现应力主轴以任意初始方向角开始并以任意角度幅值进行往返旋转。在此基础上,对丰浦砂开展系列应力主轴往返旋转试验。试验结果表明:1应力主轴往返旋转角度幅值和初始主应力方向角均对砂土变形有不可忽视的影响;2不同于应力主轴连续循环旋转的情形,应力主轴往返旋转时砂土由于"楔入效应"可能出现体胀。     

循环荷载作用下桩周土体强度弱化特性试验研究

软黏土地基在循环周期荷载的连续作用下不会发生液化现象,但是随着循环荷载的周期、振幅、应力的不断增加,土体的有效强度会不断降低,从而引起土体破坏。特别是桩结构在工作期间除了要承受竖向的荷载外,还将受到波浪、冰荷载以及船的撞击荷载。这些荷载一般都具有往复作用的性质,这种往复荷载作用期间会使桩周土体产生疲劳效应,土体结构发生破坏,引起桩周土体的弱化。通过室内动三轴模拟天津码头区域桩周土承受的静（结构荷载）、动（波浪荷载）组合作用,对振动前后桩周土体的强度弱化情况进行研究,试验获得该区域桩周土体在周期荷载作用下,土体土体强度的变化关系。同时提出一个相对较简单且符合试验规律的天津地区桩周土的强度弱化公式,为该地区土体弱化的评估提供参考依据。     

可液化场地大直径扩底桩的动力p-y曲线特征研究

可液化场地大直径扩底桩-土动力相互作用p-y曲线研究对扩底桩抗震设计具有重要意义。基于有限差分程序FLAC~(3D),分别建立扩底桩和等直径桩的三维有限差分模型,通过在模型底部输入正弦波,得到可液化场地中不同埋深下扩底桩与等直径桩的桩-土动力相互作用p-y曲线,对两者的动力p-y曲线特征进行对比分析。结果表明:正弦波输入下扩底桩动力p-y曲线多呈倒"S"形,随着埋深增加,动力p-y曲线滞回圈面积及面积增长速度逐渐减小,斜率逐渐增大;扩底桩与等直径桩动力p-y曲线所围成的图形相似,两者动力p-y曲线斜率均随埋深增加逐渐增大,扩底桩动力p-y曲线滞回圈面积及面积增长速度在各埋深处均大于等直径桩,利于能量耗散,抗震性能更好。     

桥梁在役桩的竖向动力响应特性及损伤识别研究

基于ANSYS LS-DYNA建立桥梁的墩-承台-桩-土有限元显式动力学模型,模拟桥梁的桩基础在承台上表面施加冲击荷载后完整桩和有断裂缺陷桩的竖向速度响应,分六桩-承台和八桩-承台两种桩基础进行数值计算。结果表明：在所要检测的基桩对应的承台上表面施加冲击力,产生的应力波通过承台到达下方的基桩后沿桩身向下传播,类似于低应变反射波法测桩的原理,应力波在到达桩底桩土交界面或者断裂面等阻抗变化较大处会发生应力波反射,在桩头处的竖向速度响应波形曲线中能识别出反射回的应力波,进而判别桩是完整还是存在断裂损伤;数值计算同时记录承台表面的竖向速度响应,发现承台表面的竖向速度响应波形比桩头处的竖向速度响应波形由于应力波在桩承台界面的多次反射而更加复杂,难以准确判断反射波。     

波浪荷载作用下软黏土软化模型研究

波浪荷载能引起海床土体的主应力轴连续旋转。不同于地震、交通等循环荷载,在周期性波浪荷载作用的土体应力路径方式下,软黏土的软化效用更为明显。本文分别对天然和扰动的海床土体在波浪荷载作用下的应力响应进行模拟,并分析应力路径的特点;为描述软化后的应力-应变关系,将软化效用和累积塑性应变的参数引入到能够反应土体动力非线性的Hardin-Drnevich模型中,建立修正模型,使之能够反应软黏土体软化与塑性应变累计特性;通过与模拟波浪荷载下土体应力特征的循环耦合试验结果进行对比分析,验证该修正模型的可靠性。     

主应力轴持续旋转条件下饱和松砂的振动孔隙水压力特性

利用新研制的“土工静力-动力液压三轴-扭剪多功能剪切仪”,针对福建标准松砂,在三向非均等固结条件下,进行了能够模拟海洋波浪荷载作用下主应力轴连续旋转的循环耦合剪切试验。通过试验着重探讨了初始主应力方向、振动过程中主应力方向连续变化对不排水条件下砂土的振动孔隙水压力增长特性的影响。实验研究表明:在振动过程中主应力轴连续旋转的条件下,初始主应力方向对砂土的动孔压比与振次比之间关系具有显著的影响,随着初始大主应力与竖向之间夹角的增大,动孔压比的增长速度明显加快,具有较好的规律性;归一化孔压比与广义剪应变之间的关系基本上与初始主应力方向角和振动剪应力幅值无关。     

非均质软基上桶形基础承载性能有限元分析

作为海洋平台的基础部分,桶形基础不仅承受海洋平台结构及自身重量等竖向荷载的长期作用,而且往往还遭受波浪等所产生的水平荷载及力矩等其它荷载分量的作用。因此,确定软基上桶形基础在竖向荷载（V）、水平荷载（H）和力矩（M）等共同作用下的承载特性,建立其在复合加载模式下的破坏包络面,并进而依此评价海洋平台基础及地基的稳定性,是桶形基础设计与施工中的关键问题。在大型通用有限元分析软件ABAQUS平台上,采用基于Mises屈服准则的完全弹塑性本构模型,对横观各向异性软基上桶形基础的承载性能进行了三维弹塑性数值分析,探讨了软黏土不排水抗剪强度的各向异性对单个荷载和复合加载作用下桶形基础承载性能的影响。     

循环荷载下吸力锚基础周围孔压响应特性数值研究

吸力锚基础海上安装方便、定位精确且具有较大上拔承载力,可作为张力腿平台的系泊基础,在深水油气工程应用广泛。服役过程中,作用在吸力锚基础上的荷载一般为一定预张力上的单向循环动力作用,动力荷载可分为波频荷载和二阶低频慢漂荷载,其中波频荷载的幅值较小但周期短,低频荷载幅值较大但周期较长。本文建立多孔介质海床中吸力锚在定常力基础上承受循环上拔荷载的有限元模型,对锚体周围的孔压响应特性进行数值计算与分析,重点分析比较波频荷载和低频慢漂荷载作用下的振荡和残余孔压的变化趋势与影响范围。研究表明,循环上拔荷载作用下吸力锚外侧浅层土体孔压累积显著,降低土体有效应力,弱化筒壁-土体摩擦阻力,有可能引起吸力锚失效模式的转化;循环荷载的幅值和周期都将对孔压响应的大小和分布造成一定影响。     

Research on Dynamic Interaction Characteristics of Soil-pile-steel Frame Structure

利用振动台模型试验和有限元数值模拟的方法对土质地基-群桩-钢框架结构体系动力相互作用的规律和特征进行研究,并讨论了基桩长径比对于体系动力相互作用特征的影响。试验地基土体模型为均匀粉质黏土,剪切波速约为213 m/s;群桩基础由9根长2.0 m、直径0.1 m的基桩3×3对称布置;上部结构模型简化为三层钢框架结构。本文研究结果表明:土-桩-钢框架结构体系的阻尼比相较固定基础情形有所增加,输入相同地震动时其地震反应小于固定基础情形;动力相互作用体系中运动相互作用的贡献与惯性相互作用相当,不应忽略;随着基桩长径比的增大,运动相互作用增大,钢框架结构的加速度反应增大。     

均匀土-桩基-结构相互作用体系的计算分析

本文以结构－地基动力相互作用振动台模型试验为基础，结合通用有限元软件ANSYS，对均匀土－桩基－结构动力相互作用体系进行了三维有限元分析。计算中土体采用等效线性模型，利用面－面接触单元考虑土体与结构交界面的状态非线性，计算与试验得出的规律基本一致。桩基与土体间发生了脱开再闭合和滑移现象。桩身应变幅值分布呈桩顶大、桩尖小的倒三角分布，角桩的应变幅值较大，边排中桩和中桩的应变幅值较小。桩土接触压力幅值呈桩顶小、桩尖大的三角形分布。在沿振动方向的三排桩中，边排桩的滑移比中排桩的滑移量大。通过计算分析与试验的对照研究，验证了采用的计算模型与分析方法的合理性，为结构－地基相互作用的进一步研究奠定了基础。     

Dynamic analysis of offshore wind turbine in clay considering soil–monopile–tower interaction

A comprehensive study is performed on the dynamic behavior of offshore wind turbine (OWT) structure supported on monopile foundation in clay. The system is modeled using a beam on nonlinear Winkler foundation model. Soil resistance is modeled using American Petroleum Institute based cyclic p–y and t–z curves. Dynamic analysis is carried out in time domain using finite element method considering wind and wave loads. Several parameters, such as soil–monopile–tower interaction, rotor and wave frequencies, wind and wave loading parameters, and length, diameter and thickness of monopile affecting the dynamic characteristics of OWT system and the responses are investigated. The study shows soil–monopile–tower interaction increases response of tower and monopile. Soil nonlinearity increases the system response at higher wind speed. Rotor frequency is found to have dominant role than blade passing frequency and wave frequency. Magnitude of wave load is important for design rather than resonance from wave frequency.     

基坑桩地震冲击下的受力分析模型仿真

当前利用改进动力Winkler模型分析基坑桩地震冲击下的受力情况,不能预防应力波的反射作用,导致其分析结果具有不全面、准确性低的缺点。本论述提出有限元数值模拟的基坑桩地震冲击下的受力分析模型,通过基坑桩小应变模型描述不同应力状态下基坑桩模量的变化,采用有限元数值模拟方法结合基坑桩小应变模型对基坑桩有限元模型进行塑造。在约束基坑桩有限元模型边界条件时,模型选择黏性阻尼器的吸收边界,使模型边界上的应力波不会遭到折射,避免运算结果出现误差。利用Newmark方法对基坑桩有限元模型进行动力时程分析,实现基坑桩在不同应力状态下的受力分析。实验结果证明:所提模型能够有效、准确的对地震冲击下的基坑应力分布、基坑桩身弯曲度、变形位移以及桩体水平位移差值对比等进行全面的分析。