海上风电单桩基础土相互作用特性影响因素分析

采用有限元软件ABAQUS建立了海上风电单桩基础与土相互作用数值计算模型,将波浪、洋流及风荷载等效成双向对称循环荷载,研究了水平循环荷载作用下不同因素对桩身水平位移、剪力和弯矩的影响规律。研究表明,随着循环荷载比的增加,桩身位移零点和桩身剪力反弯点沿埋深逐渐下移,桩身弯矩最大值点位于浅层土体;不同荷载频率时桩身位移在零点以上变化较大,桩身弯矩随着频率的增加逐渐增大;单向循环荷载作用下桩身位移最大,双向对称循环荷载作用下桩身位移最小;壁厚较小时对桩身水平位移影响较大;在位移零点之上范围内可以考虑设计"上厚下薄"的钢管桩,以减小桩身水平位移;不同桩壁厚时桩身剪力曲线在埋深约6D处出现交点,且泥面处桩身弯矩变化不明显。     

波浪荷载作用下单桩基础桩周土体的应力位移分析

通过ABAQUS建立海上风电单桩基础的数值模型,并与室内模型桩试验的结果作对比,验证模型的可靠性。根据实际桩土参数建立数值模型,并对桩土模型施加循环波浪荷载,分析波浪荷载作用下桩周土体的水平应力和水平位移随时间的变化特性,以及土体水平位移在空间分布上的差异。结果表明在波浪荷载作用下桩周土体的水平应力和水平位移在一定范围内循环波动,且极端海况下土体所受的扰动远大于正常海况下土体所受扰动。海床表面桩周土体在距桩体10 m范围内受桩体影响显著,竖直方向上桩身以泥面以下大约2/3桩身入土深度处的一点为基点做循环摆动,且这一旋转基点的位置与波浪力的大小无关。     

基于边界面模型的砂土中板锚循环承载力数值分析

利用带误差控制的显式积分算法,将一种适用于饱和砂土排水循环动力分析的边界面塑性模型编写成可供有限元软件调用的用户自定义材料子程序。建立土体单元有限元数值模型对Toyoura砂的静、动排水三轴试验进行模拟,验证了模型具备合理描述砂土在不同荷载条件下力学响应的能力。建立饱和砂土中板锚循环承载分析的数值模型,针对板锚在砂土中的单调抗拔特性和循环承载特性进行数值分析,得到了与模型试验一致的荷载—位移响应规律。考察循环荷载要素对板锚循环承载特性的影响,结果发现,随着循环荷载的施加,板锚永久位移逐渐累积,循环荷载会导致板锚持续移动,循环幅值越大,初始位移和位移变化率越大;循环均值越大,初始位移越大,但位移变化率越小。     

组合桶形基础水平循环承载力模型试验

在一个大型土池中进行了软土中组合四桶基础在竖向静荷载与水平循环荷载共同作用下的承载力模型试验,研究了竖向静荷载与水平循环荷载对组合桶形基础破坏形式与承载力的影响。试验结果表明,组合四桶基础的变形主要包括水平循环变形与竖向循环累积沉降。基础的破坏形式取决于水平循环荷载与竖向静荷载。若竖向静荷载较小,过大的水平循环位移将导致基础破坏;随竖向静荷载增加,竖向循环累积沉降将变为导致基础破坏的主要原因。试验结果还表明,在不同竖向静荷载与水平循环荷载共同作用下,基础的水平循环承载力大约为水平静承载力的70%左右。     

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。     

循环荷载下饱和粉土地基单桩水平承载特性试验研究

在饱和粉土地基中进行了单桩水平静力和循环加载室内模型试验,实测得到静载和循环荷载下桩身弯矩与深度的关系、桩身最大弯矩与循环次数之间的关系等,推导出静载和循环荷载下粉土的p-y曲线,并结合API规范给出了针对粉土地基的相关参数。单桩循环加载试验结果表明,在一定深度内随着循环次数增大,粉土极限抗力显著减小,文中给出了不同循环次数和深度下粉土地基极限抗力的折减系数建议值。     

不同海况和地质条件下海上风电桩基水平承载力研究

在海上风电单桩基础水平承载力的设计中,风荷载和波浪荷载是两个最主要的常规水平荷载,需要考虑在波浪荷载和风荷载的不同荷载组合下的桩土相互作用。利用有限元软件ABAQUS构建桩土相互作用模型,对桩基施加不同组合的环境荷载,研究桩土的相互作用。在固定环境荷载的情况下,将土体分层,研究不同土质条件下桩基水平承载力的差异。分析可得极端海况下桩身泥面位移约是正常海况下的5倍,且桩身水平位移主要由风荷载引起。桩周土体所受水平应力与桩体的摆动幅度相关,且桩基摆动对桩周土体水平变形的影响范围有限,以桩基为中心1.7倍桩径范围内土体所受影响显著。海床上层土体的强度对桩基水平承载力起关键性作用,上软下硬海床与纯软土海床相比水平承载力大约提高25%,而上硬下软海床与纯软土海床相比水平承载力约提高3倍。     

离岸深水全直桩码头承载性能有限元分析

全直桩码头是适于软土地基上离岸深水海域的新型高桩码头结构型式,其承载机理与传统高桩码头存在较大差异,且软土地基循环软化效应显著。建立全直桩码头结构与地基相互作用三维弹塑性有限元模型,基于二次开发采用拟静力法对土体循环软化效应进行模拟。通过有限元模型研究全直桩码头的承载特性与破坏模式,并探讨水平极限承载力的影响因素。研究表明水平荷载作用下,基桩的塑性破坏是结构失稳的控制因素,地基土体的承载力对结构水平极限承载力不起决定性作用;竖向荷载作用下,结构竖向极限承载力由地基土体强度决定。研究范围内入土深度对结构水平极限承载力影响不大,但桩壁厚度减小或考虑土体软化后,结构水平极限承载力明显降低。设计中,增加入土深度可有效减小土体软化引起的水平极限承载力降低程度,且应考虑结构腐蚀和土体软化对水平极限承载力的双重降低效应,为钢管桩预留足够的腐蚀富裕量。     

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。     

台风对海上风电单桩基础累积变形影响试验研究

文中主要采用小比尺模型试验,研究了台风对海上风电单桩基础累积变形的影响。通过在模型槽中进行桩的水平静力和循环加载试验,得到了不同工况下桩的累积转角与循环加载次数之间的关系曲线。随后对曲线进行分析,拟合出无台风工况下累积转角的计算公式,然后运用叠加法,得出了有台风工况下累积转角的计算公式。试验结果表明,单独作用一种循环荷载时,桩的累积转角是循环次数的幂函数。台风引起的大幅值循环荷载会导致转角的陡升,且增加幅度与小幅值循环荷载的幅值负相关。当将台风荷载设置在加载过程的开头时,对于疲劳设计工况,台风荷载产生的累积转角占总的累积转角的99%以上,因而可以忽略小幅值循环荷载产生的累积转角,直接用台风荷载产生的累积转角代表桩的长期累积转角,实现简化设计。     

水平循环荷载下海上风电楔形单桩土体变形研究

海上风电工程主要受到风、波浪及洋流等产生的水平循环荷载作用,本文研究楔形单桩基础在水平循环荷载作用下的变形规律,并探讨不同循环荷载对变形规律产生的影响,以确保风电设施正常运行。通过数值模拟建立海上风电单桩-海床模型,考虑土体超孔隙水压力的演变规律及土体致密规律,土体采用UBC3D-PLM本构模型。本文重点讨论并分析在不同水平循环荷载作用下楔形单桩基础与等截面单桩基础的桩周土体位移、塑性应变及桩基累计转角位移之间的差异。研究结果表明：楔形结构会降低桩周土体位移及塑性应变,使得楔形单桩基础旋转中心位置更低,产生倾覆的可能更小,当循环荷载比为0.7时,累计转角位移能减少41.86%;循环荷载越大,楔形单桩基础水平受荷特性越好,累计位移减少量的增长率越高。研究成果可为今后海上风电基础的选择与设计提供参考。     

桩在侧向静、动、循环荷载下的性能研究及p-y曲线建议公式

本文通过桩在饱和砂土中的模型试验,对桩在侧向静,动及循环荷载作用下的性态作了研究。对比以往在砂质软粘土中所进行的现场试验,以土的应力应变关系为基础提出了适用于砂土及软粘土中桩的 p-y 曲线建议公式,并以国外有关砂土与软粘土中现场试验作比较,符合程度良好。文中并以修正的梅辛两倍法准则提出了 p-y 滞回曲线建议公式,与试验结果也比较符合。     

港口靠船桩工作性状计算的双参数法

港口靠船桩是承受重复性荷载或多循环荷载的一种横向承载桩。双参数法能较好地描述靠船桩 (单桩、群桩 )的桩土工作性状。用双参数法进行计算时 ,所给的地面条件必须由重复荷载或多循环荷载作用下实测出来。根据现场试桩资料 ,标定桩土参数 ,即k =mx1/n的指数l/n、桩土相对柔度系数α、桩土综合刚度EI等值 ,可以用来设计试桩附近局部地区同类条件下的其它长桩。对于没有进行试桩的某些工程 ,可以联合运用双参数法和p -y曲线法进行桩的分析     

分析海洋重力式建筑物地基位移反应的拟静力方法

随机波浪荷载下海洋重力式建筑物的位移反应,是工程设计中考虑的一个重要因素,基于对我国某海砂所进行的循环三轴试验成果的分析和研究,文中通过建立起一个考虑了不同初始固结应力状态及不同振次效应的土的综合归一化数学模型,提出了一个分析计算重力式海洋建筑物地基位移反应的拟静力方法.与一般的动力分析方法相比较,这一方法具有简捷方便之特点,文中最后还通过一重力式海洋平台地基位移反应分析的具体算例,表明了文中建议方法的实用性.     

粘土中张紧式吸力锚破坏模式与承载特性有限元分析

对利用有限元计算分析张紧式吸力锚承载力的方法进行了研究,结果表明:锚土之间接触特性的描述取决于锚的破坏模式;当锚为竖向破坏时,采用临界剪应力摩擦模型描述锚土间接触是恰当的;当锚为水平破坏时,采用库伦摩擦模型描述锚土间接触是恰当的。计算中若采用基于Mises屈服准则的理想弹塑性本构关系描述软土的不排水应力应变特性,且按位移标准确定极限承载力,则弹性模量的取值对确定软土中吸力锚承载力有影响且取决于锚的破坏模式;当锚发生竖向破坏时,弹性模量按约150倍的不排水强度取值是恰当的;当锚发生水平破坏时,弹性模量按约75倍的不排水强度取值是恰当的。探讨了依据软粘土循环强度利用拟静力弹塑性有限元计算,估算平均荷载与循环荷载共同作用下吸力锚平均位移变化趋势的可行性,计算与模型试验结果比较说明,计算得出的拟静力荷载位移曲线能够对锚实际平均位移的变化趋势给出一个恰当的估计。     

自平衡试桩法在沿海软弱地层中的试验研究

以浙江舟山大陆连岛工程宁波连接线项目为依托,选择1根典型摩擦桩开展了自平衡试桩法在沿海软弱地层中的试验研究,并对自平衡测试后的试桩进行了传统桩顶堆载验证试验。介绍了自平衡试桩法从设计、现场试验及数据分析的全过程及各阶段的设计要点,并对容易引起测量误差的现有位移测量方法进行了改进,避免了易发缺陷的荷载箱处虚位移的影响。试验测得了试桩的负摩阻力系数值及单桩承载力值,其结果符合试验设计要求,试桩承载力满足设计要求,相关试验设计及测得的参数可以作为此类地层中自平衡测试的参考。经与传统桩顶堆载验证试验对比可知,自平衡试桩法在工程上的应用具有合理性与准确性。     

水平循环荷载作用下桩基p-y曲线模型研究进展

p-y 曲线法常用于水平静力受荷桩的分析,但海洋工程中的桩基除静力外还承受波、流等循环荷载作用,将静力 p-y曲线直接用于循环荷载下桩基的设计研究时,往往会产生误差。本文梳理了水平循环荷载作用下 p-y 曲线模型的研究成果, 按照得到循环 p-y 曲线的不同方式,将其分为总体调整法和参数修正法。在参数修正法中,根据修正时考虑的因素不同,分为考虑荷载特性的修正和考虑桩土相互作用的修正。最后通过对循环荷载作用下 p-y 曲线研究现状的总结对比,评价了不同方法的特点,讨论了当前研究存在的问题并给出了建议。     

基于API规范的海上大直径钢管桩静压载试验分析

大直径钢管桩在海洋工程建设中的使用越来越广泛。海上大直径钢管桩试桩周期长、难度大,相关测试数据及研究成果较为少见。本文基于美国石油行业协会API规范,分析了某海上风电大直径钢管桩静压载试验数据,研究了桩侧阻力与桩端阻力随压荷载变化关系。结果表明,对于本文分析的海上大直径钢管桩,其土塞状态一般为不完全闭塞,计算抗压极限承载力时应计入桩管内侧摩阻力;桩侧摩阻力随压荷载增大而逐渐发挥,相同荷载作用下,无黏性土地层侧摩阻力发挥程度较黏性土高;桩端土体破坏分为弹性变形与塑性变形两个阶段,两阶段端阻发挥程度分别可达约50%和80%,当桩端产生0.05d位移时,桩体达到极限平衡状态。     

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。     

重载码头堆场CFG桩网复合地基离心模型试验研究

CFG桩网复合地基广泛应用于处理软土地基。采用土工离心模型试验研究某码头堆场超大荷载下CFG桩网复合地基的变形和桩土应力特性,试验模拟了地基、CFG桩、树根桩、加筋垫层、防尘网和轨道梁基础、矿石堆载等,分析了超大荷载作用下复合地基表面变形、桩顶轴力、桩间土压力、桩土应力比的变化规律。试验结果表明,复合地基的沉降速率在稳定控制标准之内,沉降量满足堆场使用要求,防尘网基础和轨道梁基础水平位移和沉降均很小,桩土应力比为25.2~43.8,CFG桩网复合地基在350 kPa荷载作用下是稳定安全的,达到了预期加固效果。