海上风电大直径加翼桩水平承载性能研究

为改善海上风电大直径钢管桩的水平承载性能,基于ABAQUS有限元软件对单桩改进形式的加翼桩结构进行了系统研究,计算分析了软黏土地基中加翼桩在水平荷载作用下桩身弯矩、应力、位移、桩身泥面处倾斜率和极限承载力,研究了加翼桩面积、形状、埋深和刚度等翼板参数对加翼桩水平承载性能的影响规律,根据加翼桩的桩-土作用机理,参考现行规范模式提出适用于软黏土地基大直径钢管桩的P-Y曲线。研究结果表明,加翼桩通过在泥面处设置翼板可降低桩基泥面处倾斜率50%、提高桩基极限承载力60%以上,加翼桩水平承载性能明显优于单桩。     

大直径钢管桩水平静载试验内力变形测试及分析

为解决在钢管桩水平静载试验中更加高效、安全和准确进行桩身内力变形测试和分析的问题,文章针对打入钢管桩中的应变传感器和测斜管分别提出实用且可靠的安装、保护和测试方法;将该方法应用于西非某码头工程,在大直径钢管桩水平静载试验中进行应力和变形测试。研究结果表明,该安装和保护方法实用且可靠,可保证水平试验过程中钢管桩的内力变形情况得到如实测试和记录,对研究分析大直径钢管桩受水平荷载时桩身弯矩和水平位移的变化情况意义重大,可为类似项目的设计和施工提供参考。     

桩基尺寸对砂土中水平受荷桩-土作用力的影响

p-y 曲线法在水平受荷桩的设计中得到了广泛应用,然而近年来在海上风机超大直径单桩基础设计中受到了学术界和工程界的质疑,当前研究表明,桩基尺寸是产生这一问题的主要原因。本文通过三维数值仿真技术,研究了砂土地基中水平受荷桩-土作用特征的演变规律,探讨了当前超大直径单桩设计方法存在的主要问题及产生的原因。计算结果显示：超大直径单桩基础因其桩径大、长径比（入土长度与直径的比） 小的尺寸特征,在水平荷载作用下桩土作用具有明显的三维空间效应,即除受水平向土反力外,还受到桩端水平向的摩擦力、沿桩身不均匀摩阻力产生的抵抗力矩及桩底不均匀土反力提供的抵抗力矩;进一步研究表明,后三类抗力对桩基水平承载力的贡献占比与桩基尺寸有关,即桩基直径越大、长径比越小,这些抗力的贡献越大。因此,在水平受荷超大直径单桩承载特性计算与分析的过程中,除当前水平向p-y 弹簧提供的抗力外,还应考虑桩底的水平剪力、桩身摩擦力和桩底反力不平衡产生的抵抗力矩。     

海上风机单桩基础水平位移敏感性分析

海上风机结构属于高耸结构,风机基础过大的水平位移,将会影响风机结构的整体稳定性,因此研究风机基础的水平位移的影响因素规律具有重要意义。基于OPENSEES有限元平台,建立海上风机动力分析模型,探讨了水体附加质量对桩基桩顶水平位移的影响,同时分析了海水深度、钢管桩壁厚、土的有效重度、内摩擦角、不排水剪切强度等因素对风机基础桩顶水平位移的敏感性。研究结果表明水体附加质量对大直径钢管桩的桩顶水平位移影响较小,最大约为1%;砂土地基中,影响桩顶水平位移的主要参数是内摩擦角,软粘土地基中,影响桩顶水平位移的主要参数是钢管桩的桩径;在砂土和软粘土中,桩基础的埋深对桩顶水平位移的影响均存在一个临界深度。     

海上风机超大直径单桩竖向抗压承载力理论计算及实测方法对比评价

超大直径单桩基础在应用过程中,存在钢管桩沉桩的选锤、防溜桩等关键问题.为解决以上问题,研究超大直径单桩的竖向抗压承载力是有必要的.分别利用《码头结构设计规范》规定的设计做法、圆孔扩张理论法、UWA-05方法、GRLWEAP模型方法对超大直径钢管桩的竖向抗压承载力进行了分析计算并结合工程实例进行比较,发现现行规范规定的钢管桩承载力计算公式对于超大直径钢管桩承载力的估计偏于保守,高应变检测法对于超大直径单桩基础承载力的评估同样偏于保守.     

海洋工程中桩身自由站立稳定性影响因素分析

由于海洋工程中的钢管桩具有直径大、桩壁薄和超长的特点,桩的自由站立稳定性分析是桩基设计的重要组成部分。结合海洋工程的设计实例,借助三维非线性有限元分析方法,考虑桩身变形的几何非线性特性,研究了桩身倾斜度、支撑情况以及水平荷载等因素对桩身自由站立稳定性的影响规律,并将线性分析方法和非线性分析方法得到的结果进行了比较。     

海上风电钢管桩自平衡法现场试验研究

一种新型钢管桩预装荷载箱法被研发出用于自平衡法海上风电钢管桩基检测试验,并通过现场自平衡试验研究探究了海上打入桩桩基础特性。该方法首次成功应用于海外某海上风电场直径1.4 m的超长大直径钢管桩承载力检测,用于探究其承载特性和桩侧桩端阻力发挥规律。现场试验显示,该新型检测方法达到了预期的测试效果和经济效益,与现有钢管桩自平衡法相比,对土的影响更小,可靠度更高,为类似土层和直径的超长钢管桩承载力试验提供了新的途径。     

无粘性土中桩基水平非线性地基反力系数研究

非线性地基反力系数法是分析近海桩基水平大变形性状的有效途径。针对我国近海广泛分布的粉土和砂土地基,建立了无粘性土中桩基非线性地基反力系数与桩基径向土压力之间的关系,据此基于物理模型试验和现场试验结果获得了粉土和砂土地基反力系数与桩径和桩身变位之间的非线性关系,为桩基水平受力大变形分析提供了简单有效的方法,适用于不同直径桩基的计算,得到了桩基物理模型试验和现场试验结果的验证。     

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。     

水平荷载下海上风机单桩基础桩土相互作用研究

海上风电作为一种清洁绿色的能源越来越受到人们的关注,海上风机会承受风、浪、流等水平荷载的作用,因此水平荷载下海上风机单桩基础桩土相互作用一直是人们研究的热点。本文对水平荷载作用下海上风机单桩基土相互作用进行研究,通过ABAQUS有限元数值分析软件建立桩土模型。结果显示:桩顶水平极限位移约为11.25cm,海床面以下1~5m范围为桩身弯矩和桩身mises应力较大的区段;随着桩顶水平位移的逐渐增大,桩身挠曲逐渐向深处发展,桩体位移零点位置逐渐向下;桩体的水平位移会对桩侧土体产生挤压作用,这种挤压作用会使土体塑性屈服区逐渐向下发展,土体水平位移呈半圆形放射状分布,浅层土体mises应力产生非对称分布。     

海上风电嵌岩桩水平抗力影响因素研究

桩基础是我国海上风电工程中应用最为广泛的基础形式,其中嵌岩桩因其施工难度大,承载力高备受关注。与其他类型的桩基础不同,嵌岩桩的水平承载力不仅受到围岩强度的影响,更与其成桩质量与灌浆材料的强度相关。采用有限元方法分析了嵌岩深度、桩基直径与壁厚、桩身倾斜度等多种因素对嵌岩桩水平承载力的影响,提出了确定嵌岩桩水平极限抗力的标准。研究表明：桩与围岩间的灌浆环会先于桩身发生破坏,因此可将灌浆环受拉破坏作为判断嵌岩桩达到水平极限承载力的标准;桩身倾斜度对嵌岩桩的水平极限承载力影响较大,直径和壁厚的增加,均能提高桩基的水平承载力。     

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。     

压力注浆螺旋钢管桩抗拔承载性能试验研究

针对海相软土地区螺旋钢管桩承载力低与腐蚀问题,提出一种新型压力注浆螺旋钢管桩,并设计5根足尺试验桩,进行现场抗拔承载性能试验,研究螺旋叶片直径与排布方式对成桩直径与桩基抗拔承载性能的影响.结果表明,成桩直径与螺旋叶片直径呈正相关,在每节延长段钢管末端设置螺旋叶片利于提高水泥土柱完整性,使成桩直径更为饱满,提高桩基的抗拔承载性能.将试验结果和现行规范抗拔极限承载力计算结果进行对比,计算结果约为实测平均值的94％,在此基础上提出压力注浆螺旋钢管桩抗拔承载力计算参数修正建议,为后续的设计提供参考.     

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。     

海洋平台大直径钢管桩打桩过程有限元分析研究

近年来海上工程的规模越来越大,为了满足工程需要,桩基设计常常采用大直径,大长度的钢管桩。打桩过程是个相当复杂的过程,不仅涉及到几何非线性、材料非线性、边界非线性,而且是个动力过程。有限元法在处理打桩分析方面具有很强的优势,采用PLAXIS对不同条件下的打桩问题进行了动力模拟分析。分析显示在打桩过程中,桩端土体会产生较大的水平位移和竖向位移,桩端土体和靠近桩端的部分土塞内会产生较大的超孔隙水压力。在砂土中,停锤较短时间也会使孔压迅速消散,这也是打桩中间的停锤会造成后续打桩困难的主要原因。     

大直径钢管桩土塞效应的判断和沉桩过程分析

港口工程和海洋工程中出现了越来越多的大直径超长钢管桩。由于这种桩直径较大,土塞的形成对桩的可打入性和承载力有较大的影响。鉴于此,根据大直径和超大直径钢管桩土塞性状的特殊性,考虑了桩直径对侧壁摩阻力、端阻力的影响,引入了尺寸效应系数,重新建立了土塞微分体的静力平衡方程,提出了采用改进的静力平衡法进行土塞效应判断,同时采用波动方程法近似模拟土塞与桩管内壁的相互作用,建立了简化的土塞与桩壁相互作用模型,并用该方法进行实际工程的打桩分析,分析结果表明该方法对土塞效应的判断、打桩过程的预测等与工程实测数据吻合较好。     

波浪荷载及土体特性对风电单桩基础水平变形影响规律

大直径单桩基础是海上风电应用广泛的一种基础形式,严格控制桩基泥面处的位移是保证基础稳定和风机安全运营的关键因素.通过数值方法建立了单桩—海床的三维模型,将可以描述海洋砂土超固结性和结构性的弹塑性本构模型通过UMAT子程序嵌入有限元软件ABAQUS中,桩基承受的波浪荷载通过Morison方程进行计算模拟.针对无波浪荷载、仅作用于海床的波浪荷载、同时作用于桩基和海床的波浪荷载三种情况,分析了海床土的动力响应以及桩基的水平位移之间的差异,探讨了海床土体参数对桩基水平变形的影响.研究结果表明海床土体液化会导致桩基水平变形增加,海床土渗透性、超固结性、结构性对桩基水平位移影响显著,研究成果可为海上风电单桩基础的设计与运维提供参考.     

水平荷载作用下砂土中非柔性桩的p-y曲线修正

中国近海风机大多采用长径比10～20范围内的非柔性桩基础,而现有规范方法主要针对长径比大于20的柔性桩,对我国风机基础的适用性一直存在争议。本文利用有限元法研究砂土中非柔性桩的水平受荷响应,主要关注容许范围内的桩基倾斜,因此采用硬化土小应变本构模型描述砂土的应力应变关系。建立钢管桩-土三维有限元模型进行变参数分析,探究土体相对密实度、桩基直径对初始地基反力模量的影响;讨论了正切双曲线函数和双曲线函数描述土体弹簧刚度(即p-y曲线)的合理性;最终提出了适用于砂土中非柔性桩的修正p-y曲线表达式,并通过与三种不同砂土相对密实度与桩基组合工况下的有限元结果对比,验证了修正p-y公式的合理性。结果表明：土体相对密实度、桩基直径与初始地基反力模量均呈正相关;双曲线函数更适合描述非柔性桩的p-y曲线;修正后的p-y公式提高了水平荷载作用下非柔性桩响应的预测精度。     

黄河水下三角洲快速沉积粉土层桩基p-y曲线试验研究

利用室内水槽模拟黄河三角洲快速沉积环境,并进行了黄河水下三角洲快速沉积粉土层中单桩水平承载特性模型试验,获得桩身弯矩、位移,以此得到适用于快速沉积粉土层中的桩基p y曲线,与API规范的p-y曲线相比,发现浅层土极限土抗力要大于黏土与砂土,而深层土极限土抗力则介于两者之间。并进行多组试验,讨论了桩的不同埋置方式对p-y曲线的影响,发现贯入桩p-y曲线与预埋桩p-y曲线相比具有较小的初始刚度,以及较大的极限土抗力;同时,相较于预埋桩,贯入桩对浅层土极限土抗力的影响更为显著。     

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。