风机梁板式桩筏基础承载特性大型模型试验研究

梁板式桩筏基础与传统桩筏基础一样具有较高的承载力和变形控制能力,且较传统桩筏基础能够节约成本,具有重要经济效应,因而成为了新兴的基础形式被应用于风电基础中。然而目前该基础仍采用传统桩筏基础的设计方法进行计算,造成了巨大的浪费。为了弥补目前梁板式风机基础设计方法的缺陷,采用大型室内模型试验对梁板式风机基础的受力变形特性进行研究,分析了竖向荷载作用下梁板式风机基础内梁、桩、土体等的受力机制及特性。研究表明,在工作荷载范围内,梁板式桩筏基础体系处于弹性状态,且梁板式桩筏基础具有一定的柔性,中央与边缘存在一定的差异沉降。桩-桩相互作用及桩-土相互作用对具有一定柔性的梁板式桩筏基础受力变形特性具有重大的影响,应该修正现行设计时不考虑这几个因素的缺点。     

梁板式桩筏基础现场测试分析

风力发电工程是我国乃至世界可持续发展之路的重要一步,而梁板式风机基础是陆上风机基础的一种新型形式,梁板式风机基础的研究正受到学术界和工程领域的广泛关注。基于江苏射阳港风电项目,通过在风机基础底板下埋设土压力盒,桩内布设钢筋计,测算风机基础从风机施工至正常运行过程中的基底土压力分布和桩顶轴力。重点讨论风机处于施工过程中和正常运行状态下桩顶轴力的变化规律,分析桩土分担比,并将现场试验得到的基础内力与实际设计方法计算所得基础内力进行对比验证。结果表明,风机运行前,竖向荷载主要由内圈桩承担,风机运行后,外圈桩承担荷载增加,内圈桩承担荷载减小;风机运行后土体承担荷载较大,目前的设计方法不考虑土体的承载作用,计算结果偏于安全。     

陆上风轮机梁板基础受力特性简化分析

提出一种多向荷载同时作用下的刚性桩筏基础简化计算方法,基于Mindlin解,分析桩顶面-桩顶面、桩顶面-土表面、土表面-土表面的相互作用关系。推导多向荷载下桩土体系柔度矩阵,得到刚性桩筏基础的受力和变形的关系,通过与有限元对比证明了文中方法的正确性,在此基础上对耦合荷载作用下的风机基础的受力和变形特性进行分析。研究表明,耦合荷载作用下风机基础将会产生竖向不均匀沉降,并会引起桩顶轴力的的巨大的差异。     

考虑基础刚度影响的风机梁板式桩筏基础模型试验研究

梁板式桩筏基础作为新型风机基础,前景广阔,适当优化结构,可节约成本。采用大型室内模型试验,研究了梁板式桩筏基础在不同筏板刚度情况下的受力变形特性,同时讨论了桩土荷载分担比的关系。研究表明,在工作荷载范围内,适当增大筏板刚度,桩平均轴力增加,外圈桩承担的荷载增大,内圈桩的轴力减小,环梁及肋梁弯矩减小,但继续增加刚度,对桩身轴力、环梁弯矩、肋梁弯矩的影响并不大;随着荷载的增大,土体承担的荷载比逐步增大,趋于稳值。随着梁板式基础刚度增加,基础内外差异沉降减少,但是达到一定刚度后再增加刚度对变形影响较小。梁板式基础刚度的变化会影响基底反力分布的均匀性,且存在一个最优刚度,使基础底部反力分布最为均匀,本次试验中12梁的梁板式基础基底反力比6梁和实体基础更均匀。桩基的分布和梁的分布存在相互影响,改变梁的分布会影响桩顶力,而桩基在梁底下又会使梁的应力产生重新分布。研究成果可为设计桩筏基础提供参考依据。     

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。     

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。     

桩基础对邻近场地冲击荷载的响应分析

桩基础对邻近场地作用冲击荷载的响应本质上是桩-土组成的体系在冲击荷载下的整体动力相互作用问题。为了研究该问题,采用有限元法模拟冲击荷载引起桩基础的振动。利用通用有限元分析软件ABAQUS建立了有限元-无限元（FE-IFE）耦合分析模型,分析了冲击荷载作用时桩基础动力响应的规律,并对影响桩基础响应的因素进行了探讨。计算结果表明,桩的振动程度取决于冲击荷载作用间距和冲击荷载能量,而冲击荷载作用间距越远,桩的振动波长越长。     

大口径钢管斜桩竖向承载特性数值模拟与现场试验研究

目前对倾斜桩现场试验的研究比较少。结合东海大桥风电场二期项目,对40#和41#风机桩位处的4根(2根直桩,2根倾斜桩)试桩用自平衡法进行了竖向承载力现场试验。在试验之前运用有限元软件ABAQUS在合理建模及选取土体参数的条件下对直桩及倾斜桩进行了前期分析,计算结果与后期试验结果接近,将计算及试桩结果进行了分析对比得到:(1)在该工程场地条件下,有限元计算及试验结果均表明斜桩(倾角12°)的竖向极限承载力小于直桩的竖向极限承载力;(2)有限元结果表明,倾斜桩在轴向荷载的作用下,背斜侧土体的沉降值及沉降范围要明显大于向斜侧;(3)试验表明,有限元分析及土体参数的取值是比较合理的,可以为类似工程前期分析提供参考;(4)试验结果表明,2根直桩的极限承载力小于设计值,2根斜桩的极限承载力大于设计值,2根斜桩的桩端阻力所占比例高于2根直桩,桩侧阻力所占比例低于2根直桩。     

水平荷载下导管架平台桩基础的非线性有限元分析

导管架平台桩基础的控制荷载主要为风荷载、波浪荷载、地震荷载等水平荷载,为研究水平荷载下导管架平台桩基础的承载特性,采用非线性有限元分析方法对水平荷载下桩-土之间的相互作用进行研究,提出了有效模拟桩基水平承载特性的有限元模型,分析了模型桩的刚度、直径、土质参数中水平土压力系数、剪胀角对桩基承载特性的影响及水平荷载下群桩承载特性,并将有限元计算结果与API规范及模型试验结果进行对比。研究结果表明,非线性有限元分析方法分析水平荷载下桩-土相互作用是可行的,计算结果可为导管架平台的桩基设计提供参考。     

板式中型桩复合基础真型试验成果分析与研究

为验证板式中型桩复合基础设计方法的准确性,通过现场6个真型基础试验,进一步研究板式中型桩复合基础的破坏机理,研究受荷过程中上部板式基础与下部桩基础的荷载分担情况以及两部分基础的共同作用情况,进一步优化和完善设计理论,形成了相应的计算方法。     

多向荷载作用下层状地基刚性桩筏基础分析

提出一种多向荷载作用下层状地基中刚性桩筏基础的计算方法。基于剪切位移法,采用传递矩阵形式分析了竖向荷载下桩顶面-桩顶面相互作用;引入修正桩侧地基模量,采用有限差分法分析了水平荷载下桩顶面-桩顶面相互作用;基于层状弹性半空间理论,分析了多向荷载下桩顶面-土表面、土表面-桩顶面、土表面-土表面的相互作用关系。建立了桩土体系柔度矩阵,得到了多向荷载下层状地基中刚性桩筏基础的受力和变形的关系以及桩的内力和变形沿桩身分布规律。通过与有限元对比,验证了该方法的合理性和修正地基模量的优越性,并对多向荷载作用下的桩筏基础进行了计算分析,计算结果表明,水平力将会引起桩筏基础的倾斜。     

循环荷载下复合筒型基础地基孔隙水压力变化及液化分析

复合筒型基础是一种新型的宽浅式基础型式。在风、波浪、海流等动力荷载的作用下,复合筒型基础内外地基孔隙水压力的变化对结构安全产生影响。模拟了复合筒型基础受到的风浪流荷载,并将风浪流荷载合理叠加,采用三维有限元方法分析了风浪流联合作用下复合筒型基础地基动力响应规律。同时对复合筒型基础内外地基孔隙水压力的变化规律及液化范围进行了系统分析,通过分析发现：复合筒型基础附近海床液化深度随着饱和度、渗透系数、波浪周期、水深的增大而增大,随着泊松比的增大而减小。     

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。     

复合加载模式下单桩复合筒型基础地基承载力包络线研究

海上风力发电机属于高耸结构物,其地基基础不仅要承受上部结构传递的竖向荷载V、水平荷载H,更要抵抗巨大的弯矩荷载M。单桩复合筒型基础是新型的海上风力发电机基础型式,建立复合加载模式下单桩复合筒型基础地基的破坏包络线,并据此评价其稳定性是地基基础设计的重要手段。在Swipe加载方法和固定位移比加载方法的基础上,通过数值分析研究了不排水饱和软黏土中单桩复合筒型基础在V-H、V-M、H-M和V-H-M加载模式下的地基承载力包络线,开展了室内模型试验,验证了数值分析结果的可靠性。研究表明,V-H和V-M加载模式下地基承载力包络线具有对称性,而H-M加载模式下呈非对称性;V-H-M加载模式下地基承载力包络线的形状受弯矩荷载M的影响显著,表现为随着弯矩荷载的增加,V-H平面内的破坏包络线逐渐缩小。实际工程中,可根据受力状态与破坏包络面的相对关系,评价单桩复合筒型基础的稳定性。     

风力发电机组基础设计应用探讨

风力发电机组基础设计是风电厂设计的重点和难点。结合某风力发电机组项目,对风力发电机组设计中的几个问题进行分析,采用有限元计算软件MIDAS模拟计算,分析不同的地质条件,不同的基础刚度对基底反力的影响。     

饱和砂土地基中吸力式桶形基础水平承载力研究

吸力式桶形基础不仅承受着上部结构及自身所引起的竖向荷载,还受到波浪、海流、海风等引起的水平荷载作用,在高纬度海域冬季还可能受到海冰的长时间挤压作用。利用三维有限元模型,研究饱和排水砂土条件下吸力式桶形基础的水平极限承载力和失稳模式,分析缓慢施加水平荷载时吸力式桶形基础失稳破坏机制,探讨不同长径比的桶形基础承载性能,研究桶体内外壁土压力分布情况和转动轴位置,并根据极限平衡解法,推导出饱和砂土地基桶形基础水平极限承载力计算公式。研究结果可为砂土地基条件下的吸力式桶形基础的设计提供参考。     

带分舱板海上风电筒型基础承载特性试验研究

为正确评估分舱对于海上风电筒型基础承载特性的影响,对有、无分舱板的相同钢筒进行室内模型对比试验,分别得出在水平荷载及弯矩共同作用下和竖直荷载作用下的荷载-位移曲线,及筒内外侧壁土压力及顶盖土压力的分布规律,同时进行有限元分析模拟。试验和计算结果表明：在竖向荷载作用下,分舱板使基础的极限承载力略有提高,分舱板分担了筒顶盖和筒壁的竖向承载,降低了顶盖的承载比例;在水平荷载和弯矩共同作用下,分舱板为筒型基础提供了较大的抗拔承载力,使筒型基础在水平和弯矩荷载作用下的极限承载力提高了20.2%,降低了极限状态下的水平位移和倾角。总之,分舱板不但可以提高海上风电基础施工浮运过程的稳定性,还可以提高基础运行时的极限承载力。     

Finite element analysis of deformation of pile groups for Xiangshui offshore wind power station

Xiangshui offshore wind power station is located in shore water near Chengang of Jiangsu province. As the pile groups of the wind turbines have complicated engineering characteristics, their design is one of the technical difficulties of the project. Deformation behaviors of the piles foundation of Xiangshui 2MW wind turbine generator system are computed and analyzed under static loads and cyclic wind loads. The results show that deformations of the foundation are allowable; and the deformations due to static loads are comparatively smaller than that under the containing cyclic wind loads condition. With the depth increasing, the horizontal displacement and its influence range decrease; while the maximal vertical settlement is steady and vertical influence range increases. Deformation characteristics of pile-soil system depend not only on the loads combination of the subject, but also on the soil conditions.