上软下硬黏土中四筒基础抗倾覆承载特性研究

随着海上风电向深远海发展,四筒基础发展潜力巨大。中国大多数海域存在较厚的上覆软土层,对基础抗倾覆承载能力有着重大影响。采用有限元软件ABAQUS建立上软下硬分层黏土模型,对四筒基础在单向水平荷载和弯矩荷载作用下的承载力特性进行研究。研究结果表明：四筒基础在水平、弯矩荷载作用下主要运动模式为转动,对边加载时,转动轴靠近受压筒且随着软土层厚度增加不断靠近四筒基础平面中心,但变化幅度较小;水平和弯矩极限承载力对于不同的筒间距和长径比具有相同的变化趋势,当软土层厚度h/筒高L≤3/4时,水平和弯矩承载力随着软土层厚度的增加近似线性降低,当h/L＞3/4后,承载力降低速率明显减小。     

砂土中冲刷条件下三筒基础水平承载特性研究

通过开展小比尺三筒基础承载力模型试验,研究冲刷条件下三筒基础水平承载特性,建立数值模型对模型试验结果进行验证与扩展,分析水平和弯矩荷载下,冲刷率e和相对筒间距S/D对极限承载力的影响,提出三筒基础极限承载力的冲刷修正系数dhe、dme的计算方法;采用固定荷载比方法,通过数值模型计算M-H加载条件下三筒基础的破坏包络线,分析冲刷率e和相对筒间距S/D对复合加载特性的影响,提出冲刷条件下三筒基础M-H破坏包络线公式。研究结果表明：冲刷条件下的三筒基础受水平和弯矩作用直至破坏的过程,经历弹性变形—塑性变形—失稳破坏3个阶段;三筒基础的水平极限承载力随冲刷率e的增大而下降,且下降速率逐渐增大,相同长径比的三筒基础的水平极限承载力随相对筒间距的减小而降低;随着冲刷率e的提高,三筒基础的M-H破坏包络线向内移动,随着相对筒间距S/D增大,归一化破坏包络线呈上凸的趋势。     

吸力式沉箱基础长期水平荷载作用下承载特性试验研究

通过两组不同水平荷载作用下吸力式沉箱基础长期模型试验,对吸力式沉箱基础随时间的位移变化规律以及土压力分布规律进行了研究。试验结果表明:在长期模型试验中位移发展主要集中在试验前期,后期位移稳定需要更长时间,土体流变效应较为明显。土压力沿深度分布曲线呈抛物形状,表明沉箱基础在水平荷载作用下为转动模式,随时间增加被动区土压力变化呈增大趋势,主动区土压力呈减小趋势。土压力发展主要集中在试验前期,后期土压力变化相对较小,但土压力稳定所需时间较长,同时荷载值越大土压力稳定所需时间越长。     

考虑冲刷影响的筒型基础竖向极限承载力研究

大直径宽浅式筒型基础,阻水宽度大,在位工作期间受波浪海流作用,其周围土体易被冲刷。为研究单侧地基土体受冲刷后筒型基础的竖向极限承载力变化,通过引进冲刷率的概念,采用有限元方法研究了不同冲刷率下筒型基础的竖向极限承载力;并基于Meyerhof理论建立了计算不同冲刷率下筒型基础竖向极限承载力的极限平衡方法。研究结果表明,随着冲刷率增大,筒型基础的极限承载力出现不同程度的下降,当冲刷率为0.8时,即筒型基础单侧土体冲刷深度达6.4 m时,筒型基础的竖向极限承载力折减率为3.28%。建立的极限平衡算法可准确计算冲刷条件下筒型基础的竖向极限承载力。     

Spar平台吸力式基础极限承载特性数值分析

以国外某深海Spar平台工程为背景,针对其所采用的细长型吸力式基础的抗拔承载特性进行三维有限元数值分析.分析中充分考虑土体强度、加载位置和加载角度对吸力式基础极限抗拔承载力的影响,本构模型中钢筒基础采用弹塑性模型.分析结果表明,吸力式基础的极限抗拨承载力随着土体强度的增大而增大,倾斜加载时在基础插入土体部分中点左右加载可取得最大的极限承载力,极限抗拔承载力还随着加载角度的增大而增大.吸力式基础存在倾斜加载时桶基础与桶内外土体的共同塑性屈服破坏和垂直加载时桶外土体的局部剪切破坏等两种不同的破坏模式.     

砂土地震液化对筒型基础承载力的影响

使用了ANSYS软件对筒型基础进行地震分析,计算了砂土液化情况以及由此导致的承载力的损失,对比了在筒-土界面采用节点耦合和设置接触单元两种形式对该结果的影响,结果显示节点耦合形式既可以保证计算精度,也能提高计算效率。同时,分析了不同长细比筒型基础的砂土液化深度和承载力损失,结果显示较大的长细比有利于减少承载力损失。     

剪土环对筒型基础负压沉贯下沉过程中渗流场的影响研究

筒型基础沉放施工中,随着入土深度的增加,筒体所受的侧摩阻力越大,当达到一定程度时,将导致基础无法继续下沉.为了避免这种情况的发生,在实际的施工中可以在锚体上设置剪土环以减小侧摩阻力的影响.论文针对海上吸力锚基础这一新型海洋平台基础形式研究中面临的吸力锚负压沉贯下沉中设置剪土环及剪土环对其渗流场的影响这一问题,通过对吸力锚渗流场的有限元分析,运用有限元软件ANSYS对锚体周围土体渗流场进行建模分析,利用有限元计算的结果来分析剪土环对渗流场的影响.     

复合加载条件下吸力式沉箱基础承载特性数值分析

吸力式沉箱基础的承载特性是海洋工程结构设施建造与设计中的一个关键问题。这种新型的深水海洋基础型式,通常承受竖向上拔荷载与水平荷载的共同作用,其工作性能与设计理论远远不能满足工程实践的需要。本文采用有限元分析方法对吸力式沉箱基础的极限承载特性进行数值计算。以大型通用有限元分析软件ABAQUS为平台,通过二次开发,数值实现了Swipe试验加载方法和固定位移比分析方法,针对不同的沉箱长径比、土的强度折减系数,探讨了沉箱基础在垂直上拔荷载和水平荷载单调联合作用下的极限承载力,通过对不同荷载组合的数值计算构造了复合加载条件下沉箱基础破坏包络面。     

U型钢板桩横向承载性能模型试验研究

采用1∶5的比尺模型试验,研究了横向加载过程中U型钢板桩的位移和土压力响应以及破坏模式,并对比分析了不同土质干湿状况、加载速率、埋置深度以及加载高度等影响因素下U型钢板桩位移和土压力的变化规律。试验结果表明,当U型钢板桩凸面加载时,位移随埋置深度、加载等级、加载高度的增加而增加,干砂中的位移大于湿砂中的位移;当凹面加载时,位移随着埋置深度的增加而减小,随着加载等级的增大而增大,在不同加载高度与不同土质干湿情况中差别不大。随着加载力增大,U型钢板桩在受力侧土压力分布呈现“R型”分布,且土压力均随着埋置深度与土体含水率的增大而增大。在加载力作用下桩体产生转动,并随着加载力的增大在距钢板桩底部约1/3埋置深度处发生弯曲。     

海上风电倒Y形导管架筒型基础受力特性研究

以一6.7 MW风机为研究对象,提出了一种适用于30～50 m水深的海上风电倒Y形导管架筒型基础结构型式,采用三维精细有限元模型对结构的受力特性展开研究,包括结构的自振特性以及在随机风浪流荷载作用下的动力响应。研究结果表明,倒Y形导管架筒型基础采用“三腿变六腿”导管架的结构型式,能够更加有效的将上部荷载传递至下部筒型基础,具有较好的受力特性和传力体系;整机结构的前两阶自振频率均在风机允许运行的频率范围内;在50年一遇极端随机风浪流荷载作用下,整机结构的位移响应和应力响应,均可满足结构安全使用要求。     

Scour effects on bearing capacity of composite bucket foundation for offshore wind turbines

Abstract

Composite bucket foundation (CBF) is a wide-shallow foundation for offshore wind turbines, which can be transported and installed with the turbine as one unit at a one-step operation. Compared with deep pile foundations, its structural stability is more sensitive to the scouring by waves and currents. In this paper, a three-dimensional finite element model with CBF and surrounding soil is established to estimate the failure mode at different given soil scour conditions. The loading on CBF for offshore wind turbines is characterized by relatively small vertical loading V, larger horizontal loading H, and bending moment M, and the effect of erosion on bearing capacity of CBF is determined by using the fixed displacement ratio method. In addition, the failure envelopes of the CBF applied in H–M and V–H–M loading modes are obtained. Results indicate that the bearing capacity of CBF under horizontal loading and bending moment will be significantly reduced by the decrease in the embedded depth of CBF due to the scouring depth and extent, as well as the H–M, and V–H–M failure envelopes. The structural stability safety factor of CBF under different scouring conditions can be obtained through the three-dimensional envelope surface with respect to scouring depth and extent.     

海上风机斜壁桶形基础承载特性研究

基于验证的三维有限元方法,考察了斜壁桶形基础的承载特性,得到了变形网格、位移增量分布、位移等值面分布等结果,探讨了斜壁倾角与各极限承载力之间的定量关系。计算表明,桶形基础发生竖向位移时,主要是桶体内部和桶基正下方的土体发生沉降,而桶侧的土体基本不发生沉降。桶形基础受到水平荷载发生转动时,转动中心轴大致位于桶基底面内,桶基水平承载力主要由桶内土体和桶基外侧中上部受压侧土体产生的抵抗反力构成。桶基因受到较大竖直向上荷载而失效时,桶内土体和桶基外侧靠近海床面附近土体产生了较大的向上位移。桶壁倾角β每增加1°,竖向抗压极限承载力、竖向抗拔极限承载力、水平极限承载力分别提高12%、17.4%及3.8%。     

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。     

Experimental study on wide-shallow composite bucket foundation for offshore wind turbine under cyclic loading

As an appropriate type of foundation for offshore wind turbines (OWTs), wide-shallow composite bucket foundation (WSCBF) is cost-competitive, and it has a unique and special substructure that comprises seven internal rooms arranged in a honeycomb-like structure. In this study, the cyclic behavior of WSCBF for OWTs embedded in saturated clay was investigated using a large-scale model subjected to lateral cyclic loading. The responses of foundation under constant- and various-amplitude cyclic loadings were recorded in terms of displacements, rotations, and bending moments. The variations in stiffness and damping were obtained, and a collaborative bearing mechanical model between the bucket and soil was considered, which was beneficial for improving the stiffness of the whole structure. Accumulative deformation was found to have little effect on the bearing capacity of the foundation. Dynamic analysis in frequency domain was further performed on both moment and rotation data, and the complex, frequency-dependent impedance was also studied.     

桩-筒组合基础在单层黏土中水平承载性能分析

桩-筒组合基础是将单桩基础与筒型基础组合的一种新型海上风电基础形式,其受力模式不同于传统桩基基础,优点是可通过合理减小桩长、桩壁厚等途径提高承载性能。基于极限地基反力法,提出单层黏土中桩-筒组合基础受力模式及水平承载力的计算方法。利用力加载和位移加载两种控制方法进行数值分析,研究水平承载性能的影响因素。结果表明,在一定范围内,桩-筒组合基础水平承载性能随桩入土深度、桩壁厚、筒外径的增大而提高。基于实际工程,对等用钢量的单桩基础与组合基础进行比较计算,结果表明,桩-筒组合基础可有效降低基础倾斜度和位移,提高承载性能。     

单向荷载作用下海上风机多桶基础承载特性数值分析

作为一种新型的深水海上基础型式,桶形基础在海上风机设施设计与建设中逐步得到了发展和应用。以三桶基础为例,采用大型有限元软件ABAQUS对海上风机多桶基础的承载特性进行了三维有限元数值分析。根据海上风机的荷载受力特点,分别探讨了三桶基础在竖向荷载、水平荷载和力矩作用下的极限承载力,得出荷载作用方向及桶间距对极限承载力的影响程度,研究成果为复合加载模式下海上风机多桶基础的承载特性分析奠定了基础。     

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。     

复合加载下桶形基础循环承载性能数值分析

作为一种新型基础形式,吸力式桶形基础除了承受海洋平台结构及自身重量等竖向荷载的长期作用之外,往往还遭受波浪等所产生的水平荷载及其力矩等其它荷载分量的瞬时或循环作用。对复合加载模式下软土地基中桶形基础及其结构的循环承载性能尚缺乏合理的分析与计算方法。应用Andersen等对重力式平台基础及地基所建议的分析方法,基于软黏土的循环强度概念,在大型通用有限元分析软件ABAQUS平台上,通过二次开发,将软土的循环强度与Mises屈服准则结合,针对吸力式桶形基础,基于拟静力分析建立了复合加载模式下循环承载性能的计算模型,并与复合加载作用下极限承载性能进行了对比。由此表明,与极限承载力相比,桶形基础的循环承载力显著降低。     

砂土中四筒导管架风机基础抗弯承载力研究

针对一种四筒导管架海上风机基础,基于有限元数值分析,通过建立砂土中不同筒径和筒高的四筒导管架基础有限元模型,研究砂土中单调弯矩荷载的作用下,筒径与筒高对导管架基础抗弯承载力的影响。分析结果表明:四筒导管架风机基础的抗弯承载力随着筒高或筒径的增加呈明显的增长趋势,相比于筒径的增加,筒高的增加对提高基础抗弯承载力更为有效;在极限弯矩荷载的作用下,基础旋转中心水平向位置受筒高的影响较大,但竖向位置受筒高和筒径的影响很小。