近海风电机组超大直径单桩承载力分析与试验研究

【摘要】：我国海上风能资源非常丰富,因而大力发展海上风能,对于改善我国能源结构、节约土地及实现经济和社会的可持续发展具有重要意义。地基基础是风电机组荷载的最终承载者,也是风电机组设计的主要内容。目前,超大直径单桩基础是国外最常见的近海风电机组基础型式。海上风电机组的体形庞大,其基础承受上部结构风压、波浪和海流等荷载的耦合作用,失效机理异常复杂、设计难度大。单桩基础承载力分析及变形控制是近海风机设计的关键问题之一。水平单调荷载作用下海上风电机组超大直径高桩基础的桩土相互作用机理和变形特性是该问题研究的基础,这也是本文所要研究及探讨的主要问题。 针对欧洲近海风电场常用桩径为5m的单桩分别开展了水平荷载作用下超大直径单桩基础1D、3D、6D三个不同加载高度的模型试验。利用桩身两侧布置的土压传感器和孔压传感器测量得到水平荷载作用过程中的桩侧土压力及孔隙水压力的变化,利用位移传感器(LVDT)、轴力计等测量得到荷载-位移关系、利用实测得到的泥面上桩身四处的位移值推算得到整个桩身变形及转动中心的变化发展规律,从而分析研究刚性桩桩土相互作用机理和承载特性。试验研究结果表明,单桩的荷载位移曲线呈加工硬化变化规律,以容许变位或角度作为控制标准是保证风机正常工作的有效手段；发现mh与变形呈双对数直线关系；水平受荷下桩周土压力沿桩长呈线性增大,在2.8D深度达到最大值,而后在0.75倍埋深处减小至0,然后反向急剧增大。 同时将本文试验结果结合前人的研究成果提出了径向土压力分布模式及与变形相关的m值计算模型,得到了超大直径单桩基础水平受荷模型的解析解,提出了基于mh值的超大直径单桩基础水平承载力解析分析方法,并将计算分析结果与APIp-y曲线法计算分析结果进行比较,发现本文方法与试验结果吻合较好。 最后将以变形控制的承载力分析方法对3-6m现场桩基的承载力进行计算分析,并与前人的承载力计算方法进行比较,发现基于极限地基反力法的承载力计算方法无法考虑单桩基础在水平受荷过程中的变形特性,API p-y曲线法虽然能考虑地基土的非线性特性,但是对于刚性桩的计算结果严重偏保守。本文方法能够根据单桩基础水平受荷过程中的变形较好的预测估算单桩的荷载-位移关系,为近海风电机组超大直径单桩基础水平承载力分析提供了有效工具。同时也对影响桩基础承载力的各种参数的做了详细的计算分析,发现m值是土质参数中影响承载力最重要的因素。通过试验获得mh与变形的变化规律是预测超大直径单桩变形特性的关键。 【关键词】：近海风机 超大直径单桩 相互作用 加载高度 模型试验 解析解 变形控制 承载力
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TU473.1
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 1 绪论11-32
• 1.1 研究背景11-12
• 1.2 风机基础形式概述12-18
• 1.2.1 重力固定式12-13
• 1.2.2 超大直径单桩基础13-14
• 1.2.3 支柱固定式基础14-15
• 1.2.4 浮置式基础15-16
• 1.2.5 高桩承台群桩基础16-17
• 1.2.6 桶形基础17
• 1.2.7 我国海上风电机组基础形式的适用性分析17-18
• 1.3 近海风机单桩基础承载力分析及变形控制关键问题18-19
• 1.4 研究现状19-30
• 1.5 本文主要工作30-32
• 2 超大直径单桩基础桩土相互作用模型试验32-64
• 2.1 引言32
• 2.2 试验概况32-49
• 2.2.1 试验模型槽32-33
• 2.2.2 试验桩的比尺选取33-34
• 2.2.3 模型桩制作34-42
• 2.2.4 地基制备42-47
• 2.2.5 打桩47-48
• 2.2.6 试验内容48-49
• 2.3 单桩水平静载试验49-50
• 2.4 试验结果分析50-62
• 2.4.1 荷载位移关系50-54
• 2.4.2 桩身变形54-56
• 2.4.3 转动中心变化56
• 2.4.4 土压力与土反力56-61
• 2.4.5 孔压变化61-62
• 2.5 本章小结62-64
• 3 超大直径单桩基础水平静力受荷解析解64-74
• 3.1 引言64
• 3.2 桩周土反力64-67
• 3.3 试验M值推算67-69
• 3.4 理论分析结果69-73
• 3.5 本章小结73-74
• 4 现场桩基承载力影响因素分析74-82
• 4.1 引言74
• 4.2 基于变形的承载力计算方法74-78
• 4.3 参数分析78-81
• 4.3.1 桩径78-79
• 4.3.2 加载高度79
• 4.3.3 不同埋深79-80
• 4.3.4 内摩擦角的影响80
• 4.3.5 重度的影响80-81
• 4.3.6 mh的影响81
• 4.4 本章小结81-82
• 5 结论和展望82-84
• 5.1 主要结论82-83
• 5.2 展望83-84
• 参考文献84-86
• 作者简历及发表文章情况86
• 作者简历86
• 硕士期间完成的主要学术论文86

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