桶形基础简介及试验研究

介绍了一种目前应用于近海工程建筑物的新型基础——桶形基础以及它的由来和发展，桶形基础的施工方法和应用前景。并介绍了桶形基础水平承载力和抗拔承载力试验研究情况以及试验结果。     

不同排水条件下桶形基础上拔承载特性研究

桶形基础因其安装方便、可重复使用等优点而广泛应用于海洋工程中,在服役期间或者退役回收时会受到上拔承载力作用,准确计算桶形基础的上拔承载力是保证基础稳定工作和顺利回收的重要前提,桶形基础的上拔承载力与桶的几何尺寸、上拔速率、土体参数以及在自重等预压荷载下的固结情况等因素有关.本文采用有限元的方法对桶形基础上拔承载特性进行研究,通过对不同长径比、上拔速率、土体参数及预压荷载等影响因素进行正交组合计算,研究了其不同上拔速率下破坏模式及负压发展规律,提出归一化上拔速率vs/C_v(其中v为实际上拔速率,s为排水路径,C_v为固结系数)对桶形基础上拔过程的排水条件进行划分.根据破坏模式及抗拔力各组分比重提出了桶形基础在不排水和完全排水条件下上拔承载力计算公式,在此基础上建立了归一化的上拔承载力与桶形基础几何形状L/D、归一化上拔速率vs/C_v以及土体强度之间的对应关系,并提出了部分排水条件下上拔承载力计算方法.结合算例给出了该成果在工程上的应用步骤和方法,成果可直接用于工程设计.     

桶形基础承载性能弹塑性有限元数值分析

确定桶形基础在竖向荷载、水平荷载和力矩等共同作用下的承载特性,建立复合加载模式下桶形基础的破坏包络面,并进而依此评价海洋平台基础及地基的稳定性是桶形基础设计与施工中的关键问题.采用位移控制法和Swipe试验加载方法,分别针对单个荷载和各种荷载组合方式,在大型通用有限元分析软件ABAQUS平台上,建立了桶形基础承载性能的计算模型,确定了桶形基础在单个荷载作用下的极限承载力与复合加载作用下的破坏包络面,利用极限平衡理论探讨了桶形基础在极限状态时的破坏机理,即桶形基础地基破坏形式或失稳模式.     

饱和软黏土地基中单桶形基础水平承载特性有限元研究

桶形基础作为一种新型的浅海基础形式与传统基础形式相比具有诸多优越性,但是,其与地基土体之间复杂的相互作用使得此类结构的承载机理与破坏形式始终未有明确的界定.采用三维有限元方法对单桶形基础水平承载力进行了数值计算,并将计算结果与试验数据进行比较,验证了有限元方法的可靠性.进而,通过多组变动参数比较研究,探讨了饱和软黏土地基中单桶形基础水平承载力随着土体有效重度、土体变形模量、桶体长径比的增加而增大,随着荷载作用高度的增加而减小的特性,为工程实践提供了一定的参考意见.     

扭剪荷载作用下桶形基础承载性能的弹塑性有限元数值分析

针对均质软黏土地基上扭剪荷载作用下桶形基础的破坏包络面,运用大型有限元分析软件ABAQUS进行了三维非线性数值分析.通过比较系统的数值计算与分析,分别考察了V-T、H-T、V-H-T空间内桶形基础的地基破坏模式以及破坏包络面特性,进而推导了其破坏包络面的拟合数学表达式.由此表明:(1)桶形基础在扭剪荷载作用下,以桶体中心为圆心,形成圆形塑性区,并且不断地向外扩展,距离桶体越近的区域塑性应变相对较为显著;(2)V-T、H-T空间内桶形基础的承载力性能随着桶体长径比(L/D)的增大而提高;(3)推导的破坏包络面拟合数学表达形式,可以近似地表达桶形基础的承载性能,以此评价扭剪荷载作用下桶形基础的稳定性.     

吸力式桶型基础水平静力加载试验承载特性与稳定性分析

吸力式桶形基础由于其经济、可重复利用、安装方便、适用性强等特点被广泛利用于海上风电基础.本文通过饱和细砂土中吸力式桶型基础水平加载试验,运用无量纲化的分析方法对试验结果进行分析,探究了不同长径比对吸力式桶形基础的水平承载特性的影响,发现随着基础长径比的增大,其水平承载力与桶顶极限位移量均增大;分析了基础桶壁受力前后侧土压力随深度以及水平荷载的分布规律;利用位移分析法和土压力分析法计算转动点位置,对比发现两种计算方法得到的基础转动点位置均位于0.6~0.9倍的桶高之间;揭示了加载过程中基础转动点位置随长径比增大向上移动的变化规律.     

黏土中桶形基础负压下沉阻力及土塞发展试验

桶形基础负压下沉时下沉阻力和土塞发展是桶形基础施工中的两个关键性问题.针对此问题,进行了不同土体中桶形基础下沉特性的模型试验,测量试验过程中土塞隆起高度、桶体下沉位移及施加负压值的大小.试验结果表明,当施加的负压大于所需负压时桶体才会下沉,并且土塞是阻碍桶体下沉的最主要原因.在负压下沉过程中,土塞隆起参数分别为74%,和105%,,并且当反向地基承载力破坏发生时,更多土体将会进入桶内.在实际工程中,桶内土塞的发展应作为负压下沉时施工控制的关键技术指标,并且需要对其进行实时监控,避免施工上的困难和对桶体稳定性的影响.     

软黏土中桶形基础侧向极限承载力计算的简化方法

基于塑性极限分析理论的上限法极限分析模型,结合最优化方法可以求得桶形基础侧向极限承载力,并对结构相对埋深对承载机理及受力机制的影响进行了研究．根据其相对埋深,将桶形基础结构划分为3种受力模式,即相对埋深β小于0．52时的浅插式、相对埋深β大于1．2时的深插式与介于两者之间的过渡模式．针对上限法极限分析的繁琐与复杂,基于桶形基础不同埋深时的受力机制,探讨了桶形基础侧向极限承载力计算的一种简化方法,并提出了对荷载作用高度的修正．为结构整体稳定性分析提供了一种实用方法．通过大比尺物模试验验证及工程实例的计算与分析比较,进一步证明了该方法的可行性和有效性．     

砂土中吸力式桶形基础竖向承载性状研究

吸力式桶形基础的竖向承载力是工程设计中的重要问题,其承载力主要由桶壁摩阻力、桶尖端承载力及桶内部土体的支撑力三部分组成。在同种砂土地基中桶基础的直径、桶高以及在地基中的埋深直接影响着上述三部分力的大小。分析了桶壁摩阻力和桶尖端承载力随埋深的变化关系式,提出了计算地基承载力的解析表达式。并通过试验数据验证解析式的准确度,结果两者误差均在15%以内,所提出的解析表达式适用于地基承载力的计算。     

桶形基础承载力的三维弹塑性有限元分析

在经典的Drucker-Prager弹塑性本构模型基础上,通过将线性屈服准则改为抛物线型屈服准则来模拟静水压力对土体的屈服与破坏,并根据试验确定的硬化曲线建立了改进的D—P模型,使该本构模型能很好地模拟大港滩海软土的应力应变关系．利用MARC．MSC程序作为平台,建立了滩海桶形基础承载力有限元分析模型,对桶高、桶径及不同径高比的桶形基础承栽力进行分析．结果表明,实际应用时应采用径高比大于1的桶形基础．     

海上风电大直径宽浅式筒型基础抗弯特性分析

风机属于高耸结构物,承受巨大的弯矩是海上风电基础区别于其他常见结构基础的重要特征．大直径宽浅式筒型基础是适应海上风电特征荷载作用的新型基础型式．筒型基础的直径、入土深度、顸盖及侧壁厚度是控制其抗弯能力的重要技术参数．结合某海上风电工程实例,采用数值分析方法,系统研究了不同尺寸特征参数对筒型基础传递及抵抗弯矩荷载的影响,揭示了弯矩荷载作用下宽浅式筒型基础的失效模式及基础转动点位置;研究了地基承载力设计中等效均质算法的合理性．研究表明：基础抗弯承载能力随筒型基础的直径及入土深度的增加而显著增长;在弯矩荷载作用下,筒周围土体出现贯通的弧形破坏面而在基础下方土体中存在曲边三角形的稳定区;对于实际工程中的上软下硬成层土地基,经等效均质化后,将导致计算得到的基础抗弯极限承栽力明显偏高．     

非共轴本构模型在吸力式桶形基础承载力数值计算中应用

当吸力式桶形基础承受竖向荷载作用时,其周围地基容易发生整体剪切破坏,由主应力旋转引起的非共轴现象不容忽视.基于有限元软件ABAQUS二次开发端口UMAT,将非共轴本构模型应用到桶形基础的竖向地基承载力问题的有限元计算中.结果表明,非共轴模型对地基的整体剪切破坏模式没有影响,但是对地基竖向承载力-位移曲线具有显著的软化作用,同时,对地基的竖向极限承载力具有降低作用.如果通过竖向位移来确定地基容许承载力,则非共轴模型得到的计算结果是比较安全的.     

筒型基础平台冰激振动下粘性土地基软化分析

为了解决由于海冰力对筒型基础平台作用而产生地基土软化,降低平台承载力的问题,应用冰激振动理论对筒型基础平台进行了冰激振动分析,通过相应的有限元计算得到筒体周围土体剪应力的最大变化幅值,并将计算结果与对应位置土体的抗软化极限应力进行了对比分析,结果表明:土体在冰激振动软化方面是安全的。提出一种判断筒型基础土体软化可能性的新方法,该方法可以对筒型基础平台冰激振动基础的安全性作出评价,对筒型基础平台的设计起到积极的指导作用。     

淤泥土中筒型基础负压电渗加固试验研究

筒型基础在淤泥土地基中要实现较高的承载能力,需对筒内淤泥土进行加固处理.通过负压法及负压电渗加固法对300mm和600mm筒径的筒型基础模型进行加固试验,结果显示在对地基仅采用抽负压处理时,筒径尺寸的变化对于土体最终处理效果基本没有影响,而相比于单一的负压加固法,负压电渗加固法对筒型基础的加固效果更为有效,尤其筒径越大电渗的作用效果越明显.分析发现负压电渗加固法存在一个有效时间点,通电时间控制在有效时间点附近可以在有限的时间内取得良好的地基处理效果,避免过多的能量损耗.     

海上风机复合单桩基础水平承载力数值分析

近年来海上风电发展迅速,装机容量不断增大,传统单桩基础受荷负担加重,故以单桩基础和安装在桩体外围的桶型基础(摩擦轮)组合而成的复合桩基础被逐渐采用,以保证风机服役期间的安全稳定。为研究复合桩基础承载性能,通过ABAQUS有限元软件开展复合桩基础水平承载性能的研究,分析其相较于传统单桩基础的承载力优势,并进一步进行优化设计。结果表明:相同受荷情况下,复合桩基础由于摩擦轮的存在,桩身泥面处位移和桩身弯矩均大幅减小,水平承载能力明显优于单桩基础;复合桩基础中摩擦轮直径和高度对其水平承载能力影响较明显,但其厚度对复合桩基础水平承载能力影响有限。可见复合桩基础承载能力明显优于单桩。     

土层相对位置对桶形基础承载力的影响

为了研究双土层情况下土层相对位置不同时桶形基础地基土在单一荷载作用下的极限承载力,采用南水土体本构模型进行ABAQUS有限元建模。在分析过程中,首先采用位移控制法,通过计算地基的p-s曲线确定相应的地基极限承载力,然后以单一加载情况下的地基极限承载力为基准进行归一化,最后提出土层相对位置修正系数的概念,从而获得土层相对位置不同时的地基极限承载力表达式。分析结果表明:土层由单一黏土层向单一淤泥层变化的过程中,竖向承载力、水平承载力和力矩承载力都逐渐减小,且减小幅度最大的是竖向承载力,其次是水平承载力,最后是力矩承载力;当土层相对位置比分别达到0.33,0.25和0.2时,竖向承载力、水平承载力、力矩承载力依次趋于稳定。     

双点异向循环荷载下吸力式四桶型基础承载特性实验

吸力式桶型基础安装简便、施工周期短,有利于节约成本,在海上风电行业的应用逐渐增多.但实际海洋环境复杂多变,风、波浪荷载的作用方向往往不尽相同.考虑到实际工程中可能出现的此类复杂海况,进行了不同荷载夹角下的双点循环荷载模型实验.选取某海域原型土,探究四桶型基础结构在不同风、浪夹角的循环荷载作用下的承载性能,研究在不同工况下基础承载性能的变化规律.结果表明,当两类荷载存在一定的荷载夹角时,基础处于更危险的状态;建议在该地质条件下,当风机处于正常服役状态时,考虑不同的循环荷载夹角对四桶型风机基础承载性能的影响.