风电桩基础水平承载力研究

发布时间：2021-04-02 15:10

风力发电是目前世界上发展最快、最具商业化和规模化开发条件的可再生能源之一,随着我国能源结构的不断调整,海上风能资源受到越来越广泛的重视。大直径单桩基础由于其施工便利、造价经济等优点,在海上风电场中得到广泛应用。对于海上风能单桩基础而言,在设计使用年限内,其将受到来自风、波浪、洋流等水平荷载的循环往复作用,其变形特性变得十分复杂。目前,在学术界和工程界应用最为广泛的水平受荷桩非线性分析方法是p-y曲线法,许多学者根据现场水平桩试验提出了黏土和砂土中的p-y曲线函数,如Matlock(1970)、Reese(1974)以及ReeseWelch(1975)分别提出了黏土、砂土以及硬黏土中p-y曲线的具体形式。然而现有p-y曲线都是基于小直径桩现场试验推导出的,其是否适用类似于海上风能大直径水平桩受荷性状的计算一直存在很大争论。本文从理论分析、数值模拟和现场试验资料整理分析三个方面针对这一该问题展开深入的研究,并结合现场水平桩试验,提出了将传统p-y曲线延伸应用至分层土中大直径桩的计算方法。同时,基于循环荷载作用下土体刚度折减模型,通过开发用户子程序,采用有限差分软件FLAC3D,对海上风能基础在长期循环荷载作用下的变形发展规律进行了研究,提出了大直径桩基循环累积变形预测模型。本文主要完成以下工作:(1)通过比较数值模拟和现场实测两者的桩顶位移和桩身弯矩,建立起黏土和砂土的有限元模型以模拟现场静载试验,对数值模拟得到的黏土和砂土p-y曲线进行分析对比,总结了地基反力模量和极限抗力沿深度分布形式的基本特点。(2)从理论推导、现场试验和数值模拟三个方面探究均质土中桩径对初始地基反力模量和极限抗力的影响,建立了不同桩径的有限元模拟模型,并从数值结果中提取了黏土和砂土初始地基反力模量和极限抗力的参考值,分别绘制了不同深度下桩径与地基反力模量和极限抗力的相关曲线,研究桩径对此二者的影响。(3)根据黏土和砂土的p-y曲线的基本特征,修正了黏土p-y曲线函数,并针对砂土双曲线函数进行了改进;其中黏土极限抗力采用弹塑性模型推导而出的理论公式,而砂土极限抗力则进行了相应简化。(4)利用有限差分法推导了p-y曲线法的非线性解答过程,并将解答方法编制成Matlab程序以计算水平桩承载性能。同时本文利用Matlab程序对p-y曲线中初始地基反力模量和极限抗力这两个参数对水平桩承载性能的影响程度进行了探讨。(5)采用传统p-y曲线和本文修正的p-y曲线对水平桩静载试验案例进行分析计算,对比两种方法的计算误差判断二者的优劣性。在p-y曲线的基础上,发展了适用于分层土大直径桩的等效深度法,并验证其适用性。(6)基于循环荷载作用下土体刚度折减模型,详细说明了其在有限差分程序FLAC3D中的实现方法及流程,并成功编制了用户子程序实现了循环荷载作用下的土体刚度衰减规律;在此基础上研究了单向水平循环荷载作用引起的桩基循环累积变形发展规律,并考虑了水平荷载幅值对循环累积变形发展规律的影响,提出了砂性海床条件下大直径桩基循环累积变形预测模型。通过与现有的预测模型对比分析,验证了本文所提模型的合理性。
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TU473.1

文章目录

作者简历

摘要

abstract

第一章绪论

1.1 引言

1.2 海上风电荷载及地质工况条件

1.2.1 荷载工况

1.2.2 地质工况

1.3 水平桩的分类和破坏模式

1.3.1 刚性桩的破坏模式

1.3.2 弹性长桩的破坏

1.4 水平桩分析方法

1.4.1 刚性桩设计方法

1.4.2 弹性长桩的计算

1.5 大直径桩的研究现状

1.5.1 桩径对p-y曲线的影响研究

1.5.2 大直径桩承载性状

1.6 循环荷载作用下桩基累积变形研究现状

1.6.1 p-y曲线修正法研究现状

1.6.2 经验模型方法研究现状

1.6.3 数值模拟研究现状

1.7 目前研究存在的主要问题

1.8 本文主要研究内容

第二章 p-y曲线基本特性与数值模拟

2.1 引言

2.2 黏土p-y曲线数值模拟

2.2.1 现场实测

2.2.2 有限元模型

2.2.3 数值结果分析

2.3 砂土p-y曲线数值模拟

2.3.1 现场实测

2.3.2 有限元模型

2.3.3 数值结果分析

2.4 本章小结

第三章桩径对地基反力模量和极限抗力的影响

3.1 理论分析

3.1.1 地基反力模量应力泡理论

3.1.2 极限抗力弹塑性理论

3.2 现场试验分析

3.2.1 初始地基反力模量反分析

3.2.2 极限抗力分布形式

3.3 有限元数值模拟

3.3.1 桩径对地基反力模量的影响

3.3.2 极限抗力随桩径的变化规律

3.4 本章小结

第四章考虑桩径影响的修正p-y曲线非线性解答

4.1 水平受荷桩基本方程

4.2 差分法方程推导

4.3 水平桩承载性能的影响因素

4.4 黏土p-y曲线修正

4.5 砂土p-y曲线修正

4.6 本章小结

第五章基于修正p-y曲线的水平桩承载力案例分析

5.1 粘性土中水平桩承载性能

5.2 砂性土中水平桩承载性能

5.3 桩径与p-y曲线法计算误差

5.3.1 黏性土中p-y曲线计算误差

5.3.2 砂性土中p-y曲线计算误差

5.3.3 p-y曲线适用性的讨论

5.4 大直径桩计算方法

5.4.1 分层土中等效深度的概念

5.4.2 基于等效深度理论的p-y曲线法

5.5 本章小结

第六章循环荷载作用下桩基累积变形数值模拟与预测

6.1 FLAC3D程序简介

6.1.1 FLAC3D程序特点

6.1.2 Fish语言简介

6.2 三维静力荷载数值模拟

6.2.1 三维数值模型

6.2.2 静力荷载模拟结果

6.3 循环荷载模拟结果

6.3.1 模量折减模型（SDM）

6.3.2 模量折减模型的数值实现

6.3.3 数值模型试验方案

6.3.4 数值模型试验结果

6.4 循环累积变形预测模型

6.5 本章小结

第七章结论与展望

7.1 本文主要结论

7.2 论文主要创新点

7.3 论文不足及今后展望

致谢

参考文献

【参考文献】