近海大直径单桩水平受荷离心模型试验和三维数值分析

摘要

近年来，随着近海工程的发展，特别是近海风电产业的迅速崛起，桩基础呈现出直径不断增大的发展趋势。国内外常见的近海风电机组桩基型式包括超大直径单桩基础、三脚架基础、导管架基础和群桩基础等。其中超大直径单桩基础（monopile）直径可达3～8m，即使其它风机群（多）桩基础的基桩直径也达1.5～2.5m。
　　目前，p-y曲线法被公认为桩基水平非线性变形的最有效分析方法，并被美国石油协会(API)所采用。我国现行《港口工程桩基规范》(JTJ254-98)虽建议了桩基p-y曲线分析法，但基本上是对API规范的沿用。然而现有桩基p-y曲线均基于有限尺寸桩基的试验结果，对于大直径桩基难以适用。因此开展大直径桩水平受荷特性的研究具有重要的理论意义和实际指导意义。
　　本文通过离心模型试验研究了砂性土中大直径单桩分别在水平静力和循环荷载作用下的受力和变形特性。验证了通过实测桩身弯矩推算桩身变形和桩周土反力的有效性，分别获得了干砂和饱和砂的大直径单桩水平静力p-y曲线。在修正p-y曲线初始刚度的基础上，提出了用双曲线型p-y曲线来分析水平受荷大直径单桩的内力和变形。通过开展循环加载试验，揭示了水平单向循环荷载下大直径单桩的桩身变形及内力变化特性，试验结果显示桩身变形、最大弯矩及卸载刚度近似与循环次数的对数线性相关。最后，由各循环次数下的桩身弯矩获得了大直径单桩水平循环p-y曲线，提出了循环应力比相关的p-y曲线循环弱化因子，以及相应的桩基变形累积和内力变化分析方法。
　　进一步，基于室内三轴固结排水剪切试验等获得剪胀性砂土的物理力学特性参数，利用大型通用有限元软件ABAQUS，开展了近海大直径单桩基础在水平荷载作用下的三维有限元数值分析，揭示了加载过程中桩周土的应力路径，探讨了桩周土内摩擦角、剪胀角及桩土接触面特性等对三维数值分析模型计算结果的影响，并得到了离心模型试验的验证，进而提出了砂土海床中大直径单桩基础的合理数值分析模型及参数取值方法。最后，利用该数值分析模型分析了现有桩基承载力和变形分析方法对超大直径单桩的有效性，并提出了该型式桩基临界埋深的确定方法。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 研究现状

1．2．1 水平荷载作用下桩基受力变形设计方法

1．2．2 砂性土中的静力p-y曲线法

1．2．3 水平循环荷载作用下单桩基础试验研究

1．3 现有研究不足之处

1．4 本文主要研究内容

第二章 砂土中大直径单桩水平静力和循环加载离心模型试验

2．1 引言

2．2 浙江大学ZJU-400超重力多功能离心机

2．3 试验方案

2．3．1 土工模型试验相似率

2．3．2 离心加速度的确定

2．3．3 模型柱

2．3．4 模型土

2．3．5 模型柱安装

2．3．6 试验布置与加载

2．3．7 试验安排

2．3．8 试验的局限性分析

2．4 试验结果分析

2．4．1 地基表面沉降和隆起

2．4．2 水平静力加载试验结果

2．4．3 水平循环加载试验结果

2．5 本章小结

第三章 砂土中大直径单柱水平静力和循环p-y曲线分析模型

3．1 水平静力p-y曲线

3．1．1 p-y曲线推导

3．1．2 水平静力p-y曲线的影响因素讨论

3．1．3 静力双曲线型p-y曲线

3．2 水平循环p-y曲线

3．3 本章小结

第四章 大直径单柱基础三维有限元数值分析

4．1 三维数值分析模型的建立

4．2 物理模型试验验证

4．3 桩土模型参数对单柱承载特性影响

4．4 桩周土应力状态分析

4．5 现场桩基承载与变形特性分析

4．6 本章小结

第五章 结论

参考文献

附录

作者简历及发表文章情况