海上風(fēng)電裙式吸力桶形基礎(chǔ)沉貫機(jī)理研究

針對所提出的新型海上風(fēng)電吸力基礎(chǔ)—裙式吸力基礎(chǔ)，采用模型試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究其在砂土、黏性土以及分層土體中沉貫特性，分析沉貫過程中基礎(chǔ)內(nèi)部土塞高度變化規(guī)律，提出裙式吸力基礎(chǔ)沉貫所需吸力及抗拔承載力計算公式。首先開展裙式吸力基礎(chǔ)在砂土中沉貫?zāi)Ｐ驮囼?，研究表明裙式吸力基礎(chǔ)在砂土中有良好的沉貫性，主桶長徑比為1.0的傳統(tǒng)及裙式吸力基礎(chǔ)最終沉貫深度約為0.89及0.87倍基礎(chǔ)高度；采用僅抽取主桶內(nèi)水體沉貫時，裙式吸力基礎(chǔ)最終沉貫深度最大；沉貫過程中裙式吸力基礎(chǔ)周圍砂土顆粒沿主桶及裙結(jié)構(gòu)外側(cè)壁向下移動，最終涌入基礎(chǔ)內(nèi)部形成土塞。采用有限元方法，分析了裙式吸力基礎(chǔ)沉貫過程中周圍土體滲流場分布。基于滑移線理論和極限平衡理論，提出了吸力基礎(chǔ)在砂土中沉貫所需最大吸力、最小吸力以及臨界吸力的解析公式。然后進(jìn)行模型試驗和數(shù)值模擬，研究裙式吸力基礎(chǔ)在飽和海洋黏性土中沉貫特性，結(jié)果表明相同主桶長徑比下，裙式吸力基礎(chǔ)沉貫阻力較傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)提高44.7%，沉貫所需吸力較傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)高約20%；沉貫結(jié)束時，裙式吸力基礎(chǔ)主桶內(nèi)部土塞高度大于傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)?；陟o力平衡條件，提出了裙式吸力基礎(chǔ)在黏性土中沉貫所需吸力的表達(dá)式。最后，開展吸力基礎(chǔ)在分層土體中沉貫研究。研究發(fā)現(xiàn)分層土中裙式吸力基礎(chǔ)沉貫所需吸力大于單一土層情況（黏性土或砂土）；層狀土中主桶內(nèi)部土體等勢線分布密集且斜率較小外側(cè)等勢線分布稀疏且斜率較大沉貫中水頭損失主要集中在主桶內(nèi)部。當(dāng)基礎(chǔ)穿越砂土進(jìn)入粘性土層時砂土中等勢線分布變稀疏水頭損失變小。對于上層為黏性土下層為砂土情況，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)基礎(chǔ)內(nèi)部吸力過大時，黏性土層將產(chǎn)生裂隙；當(dāng)“裙”結(jié)構(gòu)高度小于上層土厚度時，裙式吸力基礎(chǔ)沉貫特性與傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)一致。最后得到裙式吸力基礎(chǔ)在層狀土中沉貫沉貫所需吸力計算公式。本研究所得規(guī)律可為我國海上風(fēng)力發(fā)電工程提供必要的科學(xué)依據(jù)，具有重要的工程應(yīng)用價值。

裙式吸力桶形基礎(chǔ)是一種新型的海洋工程基礎(chǔ)形式，具有施工方便、造價低和可重復(fù)利用等優(yōu)點,可作為系泊海上浮動式結(jié)構(gòu)物、海洋油氣平臺的基礎(chǔ)，尤其適合近海海上風(fēng)力發(fā)電塔架的基礎(chǔ)。裙式吸力桶形基礎(chǔ)在海床中的沉貫?zāi)芰κ钦麄€基礎(chǔ)達(dá)到設(shè)計要求，滿足地基基礎(chǔ)設(shè)計承載力和變形控制在允許范圍內(nèi)的重要前提。針對我國典型海床地基如均質(zhì)飽和細(xì)砂、飽和軟土及細(xì)砂組成的層狀土層，以改進(jìn)的沉貫?zāi)Ｐ驮囼炏到y(tǒng)為主要研究手段，結(jié)合理論和數(shù)值模擬分析方法，研究裙式吸力桶形基礎(chǔ)壓貫和吸力沉貫過程中土壓力、孔隙水壓力、沉貫速率、土塞等各參量變化規(guī)律，揭示其沉貫機(jī)理；重點研究滲流及基礎(chǔ)尖端對沉貫阻力的影響；建立沉貫阻力、吸力理論計算公式和吸力控制標(biāo)準(zhǔn)；深入研究基礎(chǔ)在層狀地基中的沉貫機(jī)理，揭示軟土層的影響機(jī)制；確定易于沉貫的裙式吸力桶形基礎(chǔ)幾何比尺。研究成果將對我國海上風(fēng)電工程的地基基礎(chǔ)理論和工程應(yīng)用起到指導(dǎo)作用。

1 緒論

1.1 研究背景

1.2 吸力式桶形基礎(chǔ)國內(nèi)外發(fā)展概況

1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)

1.3.1 沉貫過程研究

1.3.2 海洋地基承載力特性研究

1.3.3 變值（循環(huán)）荷載作用下海洋地基承載力特性研究

1.4 研究目的和主要內(nèi)容

2 吸力式桶形基礎(chǔ)承載力有限元分析

2.1 概述

2.2 計算方法與數(shù)值實施

2.2.1 有限元分析軟件ABAQUS

2.2.2 ABAQUS模塊和分析步驟

2.2.3 ABAQUS中材料非線性問題求解方法

2.2.4 ABAQUS中接觸非線性問題求解方法

2.3 吸力式桶形基礎(chǔ)有限元計算模型

2.3.1 吸力式桶形基礎(chǔ)有限元計算模型

2.3.2 有限元計算分析方法

2.3.3 確定地基極限承載力的標(biāo)準(zhǔn)

2.3.4 荷載位移標(biāo)記方法

2.3.5 桶土相互作用的模擬

2.4 有限元計算模型的實驗驗證

2.5 結(jié)論 2100433B

《灘海吸力式桶形基礎(chǔ)承載力計算方法及其應(yīng)用》擬在大型通用有限元軟件ABAQUS平臺上，針對我國第一座吸力式桶形基礎(chǔ)海洋平臺，將海洋平臺及其設(shè)備產(chǎn)生的自重荷載與波浪、風(fēng)荷載假設(shè)為靜力單調(diào)荷載，建立軟黏土地基上吸力式桶形基礎(chǔ)的三維彈塑性有限元計算模型。首先，采用位移控制方法，探討了不同荷載單調(diào)作用下單桶基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的地基破壞機(jī)制及承載力特性。其次，采用Swipe試驗加載方式，探討了不同荷載分量共同作用下的復(fù)合加載模式下軟黏土地基上單桶基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的地基破壞機(jī)制及承載力特性，繪制地基三維破壞包絡(luò)面；以此為基礎(chǔ)，研究了傾斜荷載作用下吸力式桶形基礎(chǔ)的破壞包絡(luò)面與偏心距之間的關(guān)系。進(jìn)一步，研究了軟黏土不排水抗剪強(qiáng)度橫觀各向異性和非均質(zhì)性對復(fù)合加載模式下吸力式桶形基礎(chǔ)的承載力的影響。然后，基于Andersen提出的軟黏土循環(huán)強(qiáng)度概念，通過考慮循環(huán)荷載所導(dǎo)致軟黏土地基的強(qiáng)度弱化效應(yīng)，探討了變值復(fù)合加載模式下吸力式桶形基礎(chǔ)的承載力以及破壞包絡(luò)面與循環(huán)強(qiáng)度之間的關(guān)系。最后，通過考慮桶間距對于多桶基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的影響，探討多桶基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在不同荷載分量單調(diào)及共同作用下的地基破壞機(jī)制及承載力特性。從而，為灘海及深海海洋油氣田建設(shè)與開發(fā)中新型結(jié)構(gòu)形式的應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持，也為完善海洋平臺地基基礎(chǔ)設(shè)計和施工提供參考依據(jù)。