海上风电桩基水平承载力循环衰减二维简化分析

海上风电的桩基在长期循环荷载作用下会引起承载力的衰减。针对软黏土中水平受荷单桩,通过引入累积塑性应变以考虑土体不排水强度的循环弱化,建立二维有限元数值模拟和简化p-y曲线简化方法,以分析水平循环荷载作用后单桩桩侧侧向抗力的衰减弱化。在小数目循环荷载下简化方法与有限元计算结果比较吻合,在此基础上,采用二维简化分析方法得到长期大数目循环荷载下桩侧水平抗力的衰减规律,发现如荷载幅值与初始极限抗力的比值小于土体灵敏度的倒数,单桩在长期水平循环荷载作用下承载力虽有所衰减,但桩基趋于稳定,不会发生破坏。     

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。     

水平循环荷载下风电机桩基础离心模型试验研究

在近海风力发电工程中桩基是常用的基础型式,海上风力发电机桩基础一般建立于复杂软土地基、承受着海上风浪、潮流等近似水平向的循环荷载作用,而风力发电机组运行对基础的承载力和变形有严格的要求。因此,研究水平循环荷载下桩土系统变形规律和相互作用机制具有重要的意义。针对典型的近海风机单桩基础,选取典型的饱和砂性土地基,通过离心模型试验的方法研究了水平循环荷载下的风机桩基础的受力变形规律。试验结果表明,水平向循环作用下,桩周围土体中变形主要呈现为挤压或塌陷产生的沉降和水平向变形,变形主要集中在桩周围较小的范围内;变形呈现逐渐累积特性,其大小随着循环次数的增加而增加;桩身弯矩峰值出现在埋深上1/3处,多次循环后的弯矩大小和分布变化不大;桩周围土体中不同位置产生不同的超静孔隙水压力,孔隙水压力发展对土体变形有一定影响     

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。     

软土中桶型基础水平循环承载力的模型试验

利用真空预压方法制备了一个大尺寸软黏土模型试验土池,进行了不同竖向静荷载与水平循环荷载共同作用下软土中单桶基础承载力的模型试验,研究了竖向静荷载与水平循环荷载对基础承载力的影响。结果表明,基础的水平循环承载力小于静承载力;导致基础破坏的循环荷载与循环次数取决于竖向静荷载。竖向静荷载越大,与同一循环破坏次数对应的循环荷载就越小。依据模型试验土的循环强度变化关系,采用弹塑性有限元计算方法对模型试验进行了数值模拟,计算与试验结果基本吻合,表明可以依据软黏土的循环强度变化关系,通过弹塑性有限元数值计算评价软土地基中桶型基础的水平循环承载力。     

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。     

循环荷载下软黏土不排水强度弱化分析的动力有限元ABAQUS实现EI北大核心CSCD

在波浪循环荷载作用下饱和软黏土地基出现孔隙水压力升高,并导致不排水强度弱化,严重影响防波堤的承载性能。考虑静偏应力影响,基于最大孔隙水压力发展模型和正常固结软黏土不排水强度公式,推导出软黏土不排水强度随循环荷载作用次数和应力水平变化的动态折减规律。结合软黏土不排水强度动态折减规律和M-C屈服准则,在有限元软件ABAQUS上实现软黏土不排水强度循环弱化分析的数值开发和动力运算过程。运用该动力有限元方法对天津港防波堤地基软黏土的动、静三轴试验进行数值模拟运算。结果表明,最大孔隙水压力发展曲线以及循环荷载作用后不排水强度的数值预测结果与动三轴试验结果吻合良好。另外,动力有限元方法(DFEM)能够表示土体强度在循环荷载作用下的具体弱化过程。     

循环荷载下软黏土不排水强度弱化分析的动力有限元ABAQUS实现

在波浪循环荷载作用下饱和软黏土地基出现孔隙水压力升高,并导致不排水强度弱化,严重影响防波堤的承载性能。考虑静偏应力影响,基于最大孔隙水压力发展模型和正常固结软黏土不排水强度公式,推导出软黏土不排水强度随循环荷载作用次数和应力水平变化的动态折减规律。结合软黏土不排水强度动态折减规律和M-C屈服准则,在有限元软件ABAQUS上实现软黏土不排水强度循环弱化分析的数值开发和动力运算过程。运用该动力有限元方法对天津港防波堤地基软黏土的动、静三轴试验进行数值模拟运算。结果表明,最大孔隙水压力发展曲线以及循环荷载作用后不排水强度的数值预测结果与动三轴试验结果吻合良好。另外,动力有限元方法（DFEM）能够表示土体强度在循环荷载作用下的具体弱化过程。     

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     

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。     

珠江口海洋软土不排水抗剪强度及循环弱化特性试验研究

为了获得广东珠江口海洋软土的不排水抗剪强度,分别开展了不固结不排水剪切和固结不排水剪切三轴试验、无侧限抗压试验、现场取土离心机正常固结模型地基的T-bar静力贯入试验以及现场十字板剪切试验和静力触探试验（CPT）,并采用土力学经验公式进行计算,确定了珠江口海洋软土不排水抗剪强度沿深度的分布规律,并综合评价了各种方法的有效性。为了获得该区域软土的循环弱化规律,分别开展了循环动三轴试验、现场取土离心机正常固结模型地基的T-bar循环贯入试验和现场单桩水平循环加载试验,揭示了软土循环动模量比与循环次数之间的双对数线性关系,获得了3种试验条件下珠江口海洋软土的循环弱化因子。其研究结果可为该区域海洋建筑物设计提供直接依据,也可为其他类型工程提供借鉴。     

波浪荷载作用下斜向抗拔桩的承载特性分析

针对浮式海洋结构采用的桩基础,考虑土的循环软化效应,将软土的循环强度与Mohr-Coulomb屈服准则相结合,基于拟静力弹塑性分析建立了循环波浪载荷作用下斜向抗拔桩循环承载性能的计算模型,确定了斜向上载荷作用下抗拔桩的循环承载力,并与单调加载作用下的斜向抗拔桩的极限承载力进行了对比,进一步探讨了桩长、桩径、桩体模量及载荷循环次数等因素对斜向抗拔桩循环承载力的影响。研究结果表明：循环波浪荷载的作用导致了斜向抗拔桩土体循环强度的分布不均匀,从而降低了地基的循环承载力。斜向抗拔桩的动态极限承载力随循环次数的增加而降低,随桩长、桩径及桩体模量的增大而增大。     

考虑循环弱化的饱和黏土简化非线性模型

随着海洋工程建设的快速发展,海洋环境中的地基稳定性逐渐成为学者和工程师关注的热点问题,建立一个简化的饱和黏土循环加载模型对于长期循环荷载下海上构筑物的设计具有重要意义。针对饱和黏土的循环弱化特性,在Hardin-Drnevich等效非线性模型的基础上,建立了考虑循环弱化的饱和黏土简化非线性模型来描述循环加载下饱和黏土的应力-应变关系,模型中引入了由循环加载期间产生的累积塑性变形控制的强度和模量衰减比公式。通过参数分析,说明了形状参数 与n以及残余衰减比与衰减系数等参数的意义和作用。通过对文献中单向循环试验和双向循环试验结果的模拟,验证了该简化模型可以较好地描述循环加载时饱和黏土应力应变滞回圈的演变规律以及循环加载后饱和黏土的强度和刚度弱化现象。简化模型大大提高了计算效率,与传统的土体弹塑性模型相比更加便于工程应用。     

饱和软黏土动力学特性循环扭剪试验研究

以饱和软黏土的循环扭剪试验研究为基础,阐明不固结不排水条件下饱和软黏土的动力学特性。在循环扭剪和循环三轴两种不同试验应力状态下,通过研究不同围压和不同静、动应力组合下饱和软黏土的应力等效破坏关系和应变等效破坏关系,提出在循环荷载作用下饱和软黏土的循环破坏同样遵循Mises屈服准则,且在Mises屈服准则下,饱和软黏土的循环强度趋于不变量。循环破坏的过程可以等效为一种拟静力弹塑性循环蠕变,建立了饱和软黏土循环累积变形随静荷载、循环荷载以及循环破坏振次之间的关系式。上述结论分别从应力和变形两个方面阐述饱和软黏土的动力学特性,与试验应力状态和围压无关,可以推广到一般应力状态下。     

软粘土地基上循环承载力的计算模型研究

分析了海洋平台基础受到静荷载和循环荷载作用时地基土体的应力状态,对循环荷载作用下计算软土地基的承载力的计算方法进行了研究.在循环三轴试验得出的计算土单元循环强度模型的基础上,提出一种计算软土地基循环承载力的拟静力弹塑性模型,以桶形基础为例,对软粘土地基的循环承载力进行了计算分析.