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        海上風(fēng)電大直徑單樁基礎(chǔ)水平向承載特性研究

        2024-12-10 00:00:00龍先潤
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2024年19期
        關(guān)鍵詞:海上風(fēng)電

        摘 要:本文針對海上風(fēng)電大直徑單樁基礎(chǔ)的水平受力性能進行研究。首先,建立土的動態(tài)強化數(shù)學(xué)模型,其次,分析單樁基礎(chǔ)水平向承載力影響因素,最后,對考慮土體弱化的海上風(fēng)電大直徑單樁基礎(chǔ)水平向承載特性進行分析。研究發(fā)現(xiàn),大直徑單樁基礎(chǔ)的水平向承載能力主要受樁徑、樁長等因素影響。在循環(huán)荷載作用下,基礎(chǔ)的剛度衰減呈現(xiàn)一定的規(guī)律性,隨著循環(huán)次數(shù)增加,剛度逐漸衰減。

        關(guān)鍵詞:海上風(fēng)電;大直徑;單樁基礎(chǔ);水平向;承載特性

        中圖分類號:TU 47" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

        1 構(gòu)建土體運動硬化模型

        對海上風(fēng)電大直徑單樁基礎(chǔ)水平方向承載特性進行深入研究,需要關(guān)注土體的塑性變形行為。土體作為大直徑單樁基礎(chǔ)的主要承載介質(zhì),其塑性變形行為直接影響基礎(chǔ)的承載性能[1]。因此,為了準(zhǔn)確模擬和預(yù)測土體的塑性變形行為,需要構(gòu)建一個土體運動硬化模型。

        該模型能夠考慮土體在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的流動和硬化行為,對理解大直徑單樁基礎(chǔ)在水平荷載作用下的性能表現(xiàn)至關(guān)重要。采用該模型模擬和分析土體在基礎(chǔ)底部的應(yīng)力分布、塑性區(qū)域的發(fā)展以及硬化過程中的剪切帶形成等現(xiàn)象。

        本文建立土的非線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的數(shù)學(xué)模型、考慮剪切帶形成的局部化現(xiàn)象以及流動與硬化的耦合效應(yīng)等因素[2]。采用適當(dāng)?shù)谋緲?gòu)方程和模型參數(shù),模擬不同工況下土體的應(yīng)力分布和變形行為,為大直徑單樁基礎(chǔ)的水平向承載特性分析提供更加準(zhǔn)確的預(yù)測方法。土體的屈服函數(shù)表達(dá)式如公式(1)所示。

        Φ=F(σij,aij)-A=0 (1)

        式中:Φ為土的屈服強度;σij為應(yīng)力張量;aij為后應(yīng)力張量(它是確定應(yīng)力空間中屈服面定位的動態(tài)強化參數(shù));A為屈服面在應(yīng)力空間上的大小。與 Mises屈服判據(jù)相關(guān),關(guān)系如公式(2)所示。

        可通過公式(3)計算背應(yīng)力參數(shù)。

        式中:C為初始運動硬化模量;γ為背應(yīng)力隨塑性變形發(fā)展的硬化率;p為等效塑性應(yīng)變增量。按照本文上述內(nèi)容對土體運動硬化模型進行構(gòu)建。

        2 單樁基礎(chǔ)水平向承載力影響因素分析

        在海上風(fēng)電大直徑單樁基礎(chǔ)中,水平向承載力的影響因素眾多,主要因素如下。1)土體性質(zhì):密度、含水量、塑性、彈性模量等土體物理參數(shù)。一般來說,土體越密實、含水量越低,其承載能力越強[3]。2)樁身設(shè)計:樁身的截面形狀、材料強度、樁身的長度和直徑等設(shè)計因素。合理設(shè)計能夠提高單樁基礎(chǔ)的承載力,減少樁身和土壤的應(yīng)力集中。3)施工方法:例如樁身的打入方式(錘擊或振動)、打入深度等,也會影響單樁基礎(chǔ)的承載力[4]。不適當(dāng)?shù)氖┕し椒赡軐?dǎo)致樁身偏斜或下沉,影響其水平向承載力。

        在上述分析基礎(chǔ)上,結(jié)合上述構(gòu)建的土體運動硬化模型,對影響單樁基礎(chǔ)水平向承載力的各項因素進行具體分析。可以建立一個土體硬化模型,這個模型基于塑性理論,能夠反映土體硬化規(guī)律。模型的彈性部分可以采用合理的雙剛度,即加載卸載模量分別定義,同時考慮土體的壓硬性。塑性部分可以采用非相關(guān)聯(lián)流動法則和各項同性的硬化準(zhǔn)則,更好地描述雙曲線形式的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和土體的剪脹性??梢圆捎糜邢拊椒ㄟM行數(shù)值模擬,例如模擬土體的應(yīng)力、應(yīng)變和位移等物理量。在有限元計算中,采用線彈性模型模擬海上風(fēng)電大直徑單樁基礎(chǔ)的水平向承載特性。本文數(shù)值模擬有以下假設(shè):樁身材料服從線彈性理論,具有均勻的彈性性質(zhì)。將彈性模量設(shè)定為210GPa,壁厚為40mm。在地基土的模擬方面,為了更準(zhǔn)確地描述其非線性行為,選用非線性運動硬化模型,構(gòu)建能反映土的非線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及土的強化特征的本構(gòu)模型[5],為準(zhǔn)確預(yù)測土體的承載和變形行為提供了有力支持?;趯嶋H工程地質(zhì)條件對參數(shù)進行選擇。具體參數(shù):土體的不排水強度為50kPa,初始模量為20MPa。為了提高計算精度,針對樁周土體進行網(wǎng)格加密處理,保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。在模型建立過程中,須特別關(guān)注土體范圍設(shè)定。土體水平向的寬度取6~61倍的樁徑,豎向高度則取1~2倍的樁長。這種范圍設(shè)定能夠充分考慮土體對樁基承載性能的影響,并保證模擬的有效性。計算模型包括約35000個網(wǎng)格單元,其中,C3D8R單元表示樁與土的力學(xué)行為。這種單元類型適用于三維、八節(jié)點、減少積分單元計算,能夠提供高精度的模擬結(jié)果。圖1為單樁有限元計算模型。

        上述構(gòu)建的有限元模型具備合理性,可以保證準(zhǔn)確地模擬海上風(fēng)電大直徑單樁基礎(chǔ)的水平向承載特性?;谶@個驗證結(jié)果,本文決定采用該模型進行進一步研究。為了全面了解樁基的性能,以直徑為1~7m,長度為45m,壁厚為40 mm的單樁為研究對象,采用有限元方法對其進行有限元分析。計算時,將土體的入土量設(shè)為固定值,保證研究結(jié)果的客觀性和可比性。在有限元模擬中,將水平靜荷載加載點設(shè)定在泥面處,以此模擬實際風(fēng)電設(shè)備對樁基的承載要求。同時,為了簡化模型和提高計算效率,假設(shè)下部土體為均質(zhì)土,土質(zhì)為淤泥質(zhì)黏土。根據(jù)工程地質(zhì)的實際條件提出這個假設(shè),該假設(shè)可以提供合理的近似值。針對不同樁徑的有限元模型,根據(jù)實際情況和工程要求,詳細(xì)設(shè)定參數(shù),見表1。

        按照表1的數(shù)據(jù)設(shè)置,通過模型計算可以得出,當(dāng)土層厚度相同時,單樁基礎(chǔ)的水平承載能力隨直徑增加而增加。樁身長度對水平向承載特性的影響最大。這個觀測結(jié)果對理解大直徑單樁基礎(chǔ)的性能和設(shè)計具有重要意義。為了更清晰地展示這種趨勢,對不同徑長比對應(yīng)的水平承載力H進行歸一化處理,得到H/Hmin。這種處理方式有助于更好地比較不同樁徑下的水平承載力,并識別其變化規(guī)律。通過深入研究H/Hmin隨徑長比的變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)存在明顯的趨勢,如圖2所示,圖中詳細(xì)展示了H/Hmin與徑長比之間的關(guān)系。

        根據(jù)API規(guī)范規(guī)定,可以采用彈性分析法來計算殼體強度。彈性分析法基于彈性力學(xué)原理,通過殼體的彈性力學(xué)模型,利用彈性理論公式進行計算。這種方法假設(shè)殼體在受力后發(fā)生彈性變形,且變形與外力成正比。與有限元計算結(jié)果相比,API規(guī)范結(jié)果的誤差更大。從圖2可以看出,大直徑樁的直徑比與其水平承載力存在較好的相關(guān)關(guān)系。尤其是隨著樁徑和長徑比增加,其水平承載力也隨之增加。在樁徑比較小的情況下,這種增加的趨勢更為顯著。在此基礎(chǔ)上,只要改變最小的直徑比,就可以改善基礎(chǔ)的水平承載力,其作用十分顯著。因為小徑長比的樁身在土體中可以起到較大的側(cè)向約束作用,所以有助于提高其水平承載能力。然而,隨著樁徑長比增加,這種提升作用逐漸呈變緩趨勢。說明當(dāng)樁徑長比較大時,即使徑長比繼續(xù)增加,其對水平承載力的提升效果也有限。

        這種規(guī)律對指導(dǎo)海上風(fēng)電工程中大直徑單樁基礎(chǔ)設(shè)計和選型具有重要意義。了解樁徑對水平承載力的影響,可以幫助工程師們更合理地選擇樁徑,以滿足風(fēng)電設(shè)備的穩(wěn)定性和安全性要求。同時,該研究結(jié)果還可以為未來風(fēng)電場建設(shè)提供有價值的參考信息,促進海上風(fēng)電的可持續(xù)發(fā)展。

        3 考慮土體弱化的海上風(fēng)電大直徑單樁基礎(chǔ)水平向承載特性分析

        以非線性運動強化判據(jù)為基礎(chǔ),引入相關(guān)滲流定律,建立能反映土性劣化特性的本構(gòu)關(guān)系,如公式(4)~公式(6)所示。

        式中:δ為土在弱化前后的抗剪強度比;δres為殘余衰減比;b為衰減系數(shù);Es為弱化后土體的變形模量;Es0為土體在弱化前的壓縮模量;Su為弱化后土體抗剪強度;Su0為弱化前土體初始抗剪強度;Surcs為循環(huán)荷載作用下的最終殘余強度。結(jié)合上述公式,繪制在不同的荷載幅值條件下,海上風(fēng)電大直徑單樁基礎(chǔ)水平方向力—曲線圖,如圖3所示。

        由圖3可知,循環(huán)荷載對樁基的承載能力有較大的影響。樁基的抗彎承載能力已遠(yuǎn)超出其水平極限。在循環(huán)荷載作用下,樁-土體系的水平承載能力將呈現(xiàn)衰退狀態(tài),且呈現(xiàn)不同程度的剛度衰減。在各種周期加載的情況下,沿橫向位移的剛度的改變情況見表2。

        記錄不同循環(huán)荷載條件下作用轉(zhuǎn)動方向剛度變化數(shù)據(jù),見表3。

        當(dāng)循環(huán)荷載幅值很小時,樁-土體系的剛度衰減幅度不大。在低周反復(fù)加載振幅為0.7倍的情況下,最大水平位移和水平轉(zhuǎn)角分別為32.7m和4.7°。結(jié)構(gòu)的剛度隨周期增加而降低。在低周反復(fù)荷載下,梁的剛度衰減趨勢明顯。在此過程中,結(jié)構(gòu)的彎曲剛度比橫向剛度的衰減要大。循環(huán)次數(shù)越少,循環(huán)荷載振幅對剛度衰退的影響越小,說明循環(huán)次數(shù)越少,其對結(jié)構(gòu)剛度的影響越大。

        綜上所述,樁-土系統(tǒng)的剛度衰減規(guī)律與樁基承載力的變化規(guī)律具有一定的相似性。在實際工程中,應(yīng)充分考慮循環(huán)荷載幅值和循環(huán)次數(shù)對剛度衰減的影響,保證樁基的穩(wěn)定性和保障安全性。

        4 結(jié)論

        本文對海上風(fēng)電大直徑單樁基礎(chǔ)水平向承載特性進行了深入研究,得到以下結(jié)論。1)樁身長度對水平向承載特性的影響最大。2)當(dāng)樁徑長比較大時,即使徑長比繼續(xù)增加,其對水平承載力的提升效果也變得有限。3)在低周反復(fù)荷載下,梁的剛度衰減趨勢明顯。

        這些結(jié)論為大直徑單樁基礎(chǔ)設(shè)計、施工和使用提供了重要的理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)。然而,海上風(fēng)電場的環(huán)境復(fù)雜多變,大直徑單樁基礎(chǔ)的實際運行性能可能受到多種因素的影響。因此,未來的研究應(yīng)進一步關(guān)注實際工況下的基礎(chǔ)性能表現(xiàn),加強長期性能觀測和安全性評估,為海上風(fēng)電的可持續(xù)發(fā)展提供更加堅實的科技支撐。

        參考文獻(xiàn)

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