海上風機四樁導管架基礎(chǔ)群樁效應與循環(huán)效應試驗研究.pdf

1、海上風電的建設(shè)已經(jīng)成為今后風電發(fā)展的潮流。四樁導管架基礎(chǔ)由于其結(jié)構(gòu)整體剛度大，受波流等環(huán)境荷載影響小，工程地質(zhì)條件要求低等優(yōu)勢已經(jīng)成為越來越多海上風電場首選的基礎(chǔ)形式。海上風機結(jié)構(gòu)承受著風、浪、流等環(huán)境荷載的交互作用，極端風暴潮作用下導管架基礎(chǔ)極限承載力的確定是工程設(shè)計中最重要的問題。導管架基礎(chǔ)作為一種特殊的群樁基礎(chǔ)，其承載特性和變形性狀與單樁明顯不同，而且海上風機上部結(jié)構(gòu)高聳巨大，導管架下部各基樁在承受水平荷載的同時也受到較大的上拔/

2、下壓軸向荷載的作用，傳統(tǒng)群樁基礎(chǔ)的水平靜力分析方法對導管架基礎(chǔ)水平受荷特性的分析具有局限性。此外，除可能遭受極端風暴潮外，海上風機結(jié)構(gòu)無可避免的要承受風浪、潮流等長期循環(huán)荷載的作用。在這些循環(huán)荷載的長期作用下，下部基礎(chǔ)會逐漸產(chǎn)生累積位移，當累積位移超過基礎(chǔ)正常服役的要求時，風機基礎(chǔ)就會失效。所以，基礎(chǔ)在風、浪等循環(huán)荷載作用下，其累積變形滿足風機正常服役性能的要求也是工程設(shè)計中的關(guān)鍵問題。因此，開展海上風機四樁導管架基礎(chǔ)在水平荷載作用下群

3、樁效應及循環(huán)效應的研究具有重要意義。
　　本文通過離心模型試驗研究水平靜力及循環(huán)荷載作用下飽和砂土地基與飽和軟粘土地基中導管架基礎(chǔ)的變形特性和樁土相互作用，分析導管架基礎(chǔ)的群樁效應和循環(huán)效應，提出了導管架基礎(chǔ)在水平荷載作用下的分析模型。主要工作和研究成果如下:
　　(1)基于浙江大學超重力離心模擬實驗室ZJU-400超重力離心機，針對典型3MW風力發(fā)電機組導管架基礎(chǔ)，分別在飽和砂土地基和軟粘土地基中開展離心模型試驗，其中水平

4、靜力加載試驗共2組，水平循環(huán)加載試驗共9組。
　　(2)通過朱斌等(2014)開展的飽和砂土地基中導管架基礎(chǔ)水平靜力加載離心模型試驗，獲得了飽和砂土地基中導管架基礎(chǔ)的水平受荷特性和樁土相互作用。研究結(jié)果表明:砂土地基中海上風機導管架基礎(chǔ)水平受荷分析需要考慮群樁效應與樁身軸力的共同作用，本文提出了能夠同時考慮群樁效應與基樁樁身軸力影響的p乘子，該p乘子與樁身變形、加載方向和樁身軸力相關(guān)，并據(jù)此建立了砂土中海上風機四樁導管架基礎(chǔ)水平靜

5、力受荷分析模型。
　　(3)開展了飽和軟粘土地基中四樁導管架基礎(chǔ)水平靜力加載離心模型試驗，研究軟土地基中導管架基礎(chǔ)的變形特性和樁土相互作用，并與砂土地基中導管架基礎(chǔ)的水平受荷特性進行對比:軟粘土中導管架基礎(chǔ)的水平承載力明顯小于砂土地基;軟土地基中水平荷載的影響深度明顯大于砂土地基。此外，還分析了軟土地基中導管架基礎(chǔ)的承載特性和破壞模式。結(jié)果顯示:在沿對角線加載時導管架基礎(chǔ)后排樁會更加容易被拔出而產(chǎn)生過大的豎向位移進而影響導管架基礎(chǔ)

6、的水平承載特性，這點需要在工程設(shè)計中引起足夠的注意。
　　(4)基于廣東桂山風電場進行的大直徑單樁水平加載現(xiàn)場試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)API規(guī)范建議的軟土中單樁p-y曲線初始剛度明顯偏小，建議采用雙曲正切型p-y曲線來分析樁基的水平變形。此外，現(xiàn)行軟土地基中單樁p-y曲線分析方法所采用的樁周極限土反力明顯小于現(xiàn)場試驗實測值，這是由于軟粘土地基中貫入樁的水平受荷特性需要考慮打樁產(chǎn)生的重固結(jié)效應，并建立了基于重固結(jié)效應的飽和軟粘土地基中單樁水平

7、承載力分析體系。
　　(5)分析了軟粘土地基中導管架基礎(chǔ)水平靜力加載過程中的群樁效應，發(fā)現(xiàn)軟粘土地基中導管架基礎(chǔ)的前后排樁p-y曲線差異遠小于砂土地基，即軟粘土地基中導管架基礎(chǔ)p乘子主要受群樁效應影響，與樁身軸力關(guān)系不大。最后，在上述研究基礎(chǔ)上提出了能夠考慮重固結(jié)效應以及群樁效應共同影響的軟粘土地基中導管架基礎(chǔ)水平靜力分析模型。
　　(6)開展了飽和砂土地基中四樁導管架基礎(chǔ)水平循環(huán)加載離心模型試驗，考慮了不同加載頻率、加載方

8、向以及循環(huán)幅值等因素對導管架基礎(chǔ)水平循環(huán)特性的影響，從而深入分析砂土地基中導管架基礎(chǔ)的循環(huán)受荷特性。結(jié)果顯示:在單向循環(huán)過程中，導管架基礎(chǔ)累積位移基本上與Log(N)呈線性關(guān)系;接著，通過分析前后排樁不同深度處樁身彎矩的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了循環(huán)加載過程的循環(huán)弱化效應。且引入了循環(huán)弱化因子t來分析循環(huán)p-y曲線由于循環(huán)作用而產(chǎn)生的峰值土反力的弱化以及峰值樁身位移的增加，并將循環(huán)弱化因子t與前后排樁的循環(huán)應力比pc/pu建立關(guān)系，從而針對性地提

9、出t的表達式。根據(jù)上述分析成果，建立了砂土地基中導管架基礎(chǔ)水平循環(huán)受荷分析模型。雙向加載過程中導管架沒有產(chǎn)生明顯的累積位移，卸載剛度也沒有明顯的變化，可能的原因是雙向循環(huán)加載幅值較小。最后，針對性地研究導管架基礎(chǔ)在水平循環(huán)荷載作用下的豎向響應，并將導管架基礎(chǔ)在水平循環(huán)加載過程的豎向響應分為不均勻沉降階段與整體沉降階段。
　　(7)開展飽和軟粘土地基中四樁導管架基礎(chǔ)水平循環(huán)加載離心模型試驗，并與砂土地基中的試驗結(jié)果進行比較。結(jié)果顯示

10、:軟粘土地基中導管架基礎(chǔ)在單向或者雙向循環(huán)荷載作用下都會產(chǎn)生明顯的累積位移，且與前期加載歷史有關(guān)。此外，在單向循環(huán)和雙向循環(huán)荷載作用下，軟粘土地基中導管架基礎(chǔ)都會出現(xiàn)循環(huán)弱化效應，且單向循環(huán)荷載作用下其循環(huán)弱化特性較砂土地基更為顯著。此外，軟粘土地基中導管架基礎(chǔ)前后排樁也發(fā)生類似的整體豎向沉降。這需要在工程設(shè)計中引起重視。
　　綜上，本文采用離心模型試驗對水平靜力與循環(huán)荷載作用下的海上風機四樁導管架基礎(chǔ)變形特性與樁土相互作用規(guī)律進