海上风电宽浅式筒型基础地基承载力极限分析及试验研究

【摘要】：海上风电基础在正常工作状态下不仅要承受自重产生的竖向荷载,还承受括波、浪、流等因素引起的水平荷载及由上部发电机组受风力作用产生的巨大的弯矩荷载。大直径宽浅式筒型基础作为是一种新型的海上风电基础,在能够有效的承受上述荷载的同时又具有施工方便,建造成本低等优点。但因其自身具有较大的直径,并在基础边缘有一定深度的筒壁,使得该型基础在竖向、水平及弯矩荷载作用下的地基破坏模式不同于圆形浅基础,也不同于相同高径比的圆形墩式基础。针对大直径宽浅式筒型基础的地基承载力问题进行研究,其主要的研究内容及创新性成果如下:(1)针对海上风电基础的受力特点研制了一套基础三自由度加载装置。围绕筒型基础的地基承载力问题进行了1g条件下的竖直向、水平向及弯矩承载力单向加载试验,并通过试验观测,获得了筒型基础单向加载条件下的地基破坏模式。(2)综合模型试验与数值分析结果,引入了竖直向土体破坏率,用于表征筒内土体的破坏程度,提出了基于Meyerhof公式和Terzaghi公式的两种筒型基础地基竖向承载模式,并采用极限分析理论建立了机动场,求解了宽浅式筒型基础竖向承载力的上限解。(3)结合块体极限分析上限规划法与基于柱坐标的有限元下限规划法,提出了基于柱坐标的块体极限分析下限规划法,并由此建立了宽浅式筒型基础下限解的目标函数,等式约束条件,和不等式约束条件。通过编程求解了宽浅式筒型基础地基竖直向承载力的下限解。(4)建立了与水平向承载力模型试验相对照的数值分析模型,模拟得到了水平荷载作用下的地基破坏模式,提出了适用于宽浅式筒型基础在水平荷载作用下的地基失稳模式。引入了水平向土体破坏率,用于表征筒内土体的破坏程度,建立了机动场,求解了宽浅式筒型基础地基水平向承载力的上限解。(5)建立了与抗弯模型试验相对照的数值分析模型,模拟得到了弯矩荷载作用下地基的破坏模式,提出了适用于宽浅式筒型基础在弯矩荷载作用下的地基失稳模式。引入了抗弯土体受压率,用于表征筒内土体参与抵抗弯矩的程度,建立了机动场,求解了宽浅式筒型基础地基抗弯承载力的上限解。 【关键词】：海上风电 宽浅式筒型基础 地基承载力 破坏模式 极限分析 模型试验
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TU476.1;TM614
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-26
• 1.1 引言10-12
• 1.2 大直径宽浅式筒型基础的提出12-15
• 1.3 筒型基础地基承载力的研究进展15-20
• 1.3.1 竖向承载力的研究16-17
• 1.3.2 水平承载力的研究17
• 1.3.3 抗弯承载力的研究17-18
• 1.3.4 复合承载机理的研究18-20
• 1.4 极限分析理论研究概况20-25
• 1.4.1 传统极限分析理论的研究20-21
• 1.4.2 有限元极限分析规划法的研究21-24
• 1.4.3 块体极限分析规划法的研究24-25
• 1.5 本文的主要研究内容25-26
• 第二章 筒型基础地基承载力模型试验26-49
• 2.1 试验准备26-37
• 2.1.1 竖向试验加载装置26-27
• 2.1.2 基础三向加载装置27-35
• 2.1.3 试验模型及试验用土35-37
• 2.2 竖直向承载力模型试验37-40
• 2.2.1 试验结果37-38
• 2.2.2 破坏模式分析38-40
• 2.3 水平向承载力模型试验40-44
• 2.3.1 试验结果40-42
• 2.3.2 破坏模式分析42-44
• 2.4 抗弯承载力模型试验44-47
• 2.4.1 试验结果44-45
• 2.4.2 破坏模式分析45-47
• 2.5 本章小结47-49
• 第三章 筒型基础地基竖直向极限承载力的上限解49-70
• 3.1 竖直向荷载作用下的机动场49-54
• 3.1.1 数值模型的建立49-50
• 3.1.2 数值模拟结果分析50-52
• 3.1.3 两种机动场的建立52-54
• 3.2 竖直向承载力的上限解54-64
• 3.2.1 M模式下的上限解54-60
• 3.2.2 T模式下的上限解60-62
• 3.2.3 土体破坏率的确定62-64
• 3.3 计算结果分析64-68
• 3.3.1 与其他模型试验的对比64
• 3.3.2 地基承载力系数的对比64-66
• 3.3.3 土体破坏率对地基承载力系数的影响66-68
• 3.4 本章小结68-70
• 第四章 筒型基础地基竖直向极限承载力的下限解70-82
• 4.1 应力场的建立70-71
• 4.2 筒型基础下限解的基本原理71-79
• 4.2.1 等式约束条件71-74
• 4.2.2 不等式约束条件74-78
• 4.2.3 目标函数及求解过程78-79
• 4.3 计算结果分析79-81
• 4.3.1 块体数量敏感度分析79-80
• 4.3.2 土体破坏率的确定80-81
• 4.3.3 与上限解结果的对比81
• 4.4 本章小结81-82
• 第五章 筒型基础地基水平向极限承载力的上限解82-100
• 5.1 水平向荷载作用下的机动场82-93
• 5.1.1 数值模型的建立82-83
• 5.1.2 数值模拟结果分析83-91
• 5.1.3 机动场的建立91-93
• 5.2 水平承载力上限解的推导93-98
• 5.2.1 几何尺寸93
• 5.2.2 速度场93-94
• 5.2.3 重力做功94-97
• 5.2.4 水平承载力的上限解97-98
• 5.3 与试验结果对比分析98-99
• 5.4 本章小结99-100
• 第六章 筒型基础地基抗弯极限承载力的上限解100-118
• 6.1 弯矩荷载作用下的机动场100-111
• 6.1.1 数值模型的建立100-101
• 6.1.2 数值模拟结果分析101-109
• 6.1.3 机动场的建立109-111
• 6.2 抗弯承载力上限解的推导111-116
• 6.2.1 几何尺寸111-112
• 6.2.2 速度场112
• 6.2.3 重力做功112-115
• 6.2.4 抗弯承载力的上限解115-116
• 6.3 与试验结果对比分析116-117
• 6.4 本章小结117-118
• 第七章 结论与展望118-122
• 7.1 结论118-119
• 7.2 创新点119-120
• 7.3 展望120-122
• 参考文献122-133
• 发表论文和参加科研情况说明133-134
• 致谢134-135

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