大直径宽浅式筒型基础筒盖承载模式的竖向承载力计算方法

摘要

本发明公开了一种大直径宽浅式筒型基础筒盖承载模式的竖向承载力的计算方法，在分析大量试验数据的基础上，结合经典太沙基承载力理论，分析筒内土体与筒基竖向承载特性的联系，基于筒内土体不完全联动的思想提出土体破坏率，对太沙基筒端承载力进行修正，得到了修正后的筒盖承载模式下的筒形基础的筒端单位(极限)承载力，旨在实现对筒基竖向承载力进行准确设计，对海上风电宽浅式筒基安全运行具有十分重要的意义。

说明书

技术领域

本发明属于建工技术领域，特别是涉及一种结合筒内土体破坏率的大直径宽浅式筒型基础筒盖承载模式的竖向承载力计算方法。

背景技术

大直径宽浅式筒型基础是一种新型的海上风电基础，因其具有较大的直径，并在基础边缘有一定深度的筒盖，使得该型基础的竖向承载模式既不同于无筒盖的圆形浅基础，也异于相同高径比的圆形墩式基础。而针对筒型基础的地基稳定性的模型试验研究较少，以大直径宽浅式筒型基础为主要研究对象地基稳定性模型试验并没有展开，尚无完整的试验数据。由于大直径宽浅式筒型基础在整体上属于浅基础，而在其周围的筒盖处又兼有深基础的承载特点，因此其竖向荷载的承载模式尚不清楚，针对其竖向承载力的验算也缺乏相应的理论方法。同时没有相关工程技术资料可以参考，因此急需一种较为准确的计算大直径宽浅式筒型基础竖向承载力的方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种大直径宽浅式筒型基础筒盖承载模式的竖向承载力的计算方法，在分析大量试验数据的基础上，结合经典太沙基承载力理论，分析筒内土体与筒基竖向承载特性的联系，基于筒内土体不完全联动的思想提出土体破坏率，对太沙基筒端承载力进行修正，得到了修正后的筒盖承载模式下的筒形基础的筒端单位(极限)承载力，旨在实现对筒基竖向承载力进行准确设计，对海上风电宽浅式筒基安全运行具有十分重要的意义。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种大直径宽浅式筒型基础筒盖承载模式下的筒形基础的筒端单位(极限)承载力计算方法：

通过缩尺模型试验得到太沙基承载模式下筒形基础的分区，由此得到该高径比下筒形基础的土体破坏率η，结合土体破坏率η，以联动区底面作为基础筒盖面，对太沙基的圆形墩式深基础基底极限承载力计算公式进行修正，修正后的筒盖承载模式下的筒形基础的筒端单位承载力为

q_u＝1.3cN_c+γ₁(H-ηD/2)N_γ+0.6γRN_γ

一种大直径宽浅式筒型基础筒盖承载模式的竖向承载力设计(或者校核)方法如下：

1，首先得到筒型基础底部的极限承载力设计值为：

式中：q_u为筒盖承载模式下的筒形基础的筒端单位承载力，Q_s为筒型基础的筒壁侧摩擦力，A_b为筒底圆形面积，K为安全系数，建议取为3；

2，验证筒型基础在受轴心竖向荷载作用时，基底压力p符合下式：

式中:F为竖向荷载，A_b为筒底圆形面积。

3，验证筒型基础在受偏心荷载作用时，基地压应力重分布后最大压应力符合下式：

式中:M为弯矩荷载，w圆形截面抵抗矩。

在上述技术方案中，筒壁侧摩擦力Q_s＝f_sA_s，其中A_s——筒的侧表面积，f_s——筒壁单位面积土体阻力；

当在粘性土层时，筒壁单位面积土体阻力按下式计算：

f_s＝αS_u(1)

式中：α——无量纲系数；S_u——计算点土的不排水剪切强度，

系数α或由下式计算：

α＝0.5Ψ^0.5，Ψ≤1.0

α＝0.5Ψ^0.25，Ψ＞1.0

限制条件是α≤1.0

式中：Ψ——计算点处的c/P_o＇；c——黏土的黏聚力，P_o＇——计算点的有效上覆土压力。

当进入砂性土层时，筒壁单位面积土体阻力按下式计算：

f_s＝KP_o＇tanδ(2)

式中：K——侧向土压力系数，建议取0.8-1；

P_o＇——计算点的有效上覆土压力；

δ——土和筒壁之间的摩擦角。

本发明的优点和有益效果为：本发明在分析大量试验数据的基础上，结合经典太沙基承载力理论，分析筒内土体与筒基竖向承载特性的联系，基于筒内土体不完全联动的思想提出土体破坏率，对太沙基筒端承载力进行修正，得到了修正后的筒盖承载模式下的筒形基础的筒端单位(极限)承载力，旨在实现对筒基竖向承载力进行准确设计，对海上风电宽浅式筒基安全运行具有十分重要的意义。

附图说明

图1为圆形墩式深基础承载模式；

图2为太沙基承载模式下筒基的分区。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的计算大直径宽浅式筒型基础竖向承载力的方法做出详细说明。

本发明的大直径宽浅式筒型基础筒盖承载模式的竖向承载力的计算，包括筒形基础的筒壁侧摩擦力计算和筒形基础的筒端承载力计算。

一、筒壁侧摩擦力的计算方法：

筒壁侧摩擦力Q_s＝f_sA_s，其中A_s——筒的侧表面积，f_s——筒壁单位面积土体阻力；

当在粘性土层时，筒壁单位面积土体阻力按下式计算：

f_s＝αS_u(1)

式中：α——无量纲系数；S_u——计算点土的不排水剪切强度，

系数α或由下式计算：

α＝0.5Ψ^0.5，Ψ≤1.0

α＝0.5Ψ^0.25，Ψ＞1.0

限制条件是α≤1.0

式中：Ψ——计算点处的c/P_o＇；c——黏土的黏聚力，P_o＇——计算点的有效上覆土压力。

当进入砂性土层时，筒壁单位面积土体阻力按下式计算：

f_s＝KP_o＇tanδ(2)

式中：K——侧向土压力系数，建议取0.8-1；

P_o＇——计算点的有效上覆土压力；

δ——土和筒壁之间的摩擦角。

二、筒形基础的筒端承载力计算如下：

准确计算大直径宽浅式筒型基础竖向承载力的关键在于确定筒形基础的筒端的承载特性。筒基在受竖向荷载作用下，其筒内土体部分土体会产生塑性破坏，筒内土体分为联动区和非联动区，联动区底面是与筒型基础无相对移动的联动面，所以可以将联动区底面看成筒型基础的筒盖，从而得到较为准确的筒基筒盖承载模式。

根据太沙基提出的深基础承载力理论，当圆柱形墩式深基础在荷载作用下达到破坏时，在基底平面以下形成连续的滑动面，在形成此滑动面的过程中，如图1所示，由于ad环形区下的土直接受到基础下的土所给予的侧向挤压，使这块土有向上移动并驱使环形面积ad以上的土体也产生了向上的相对移动，从而在环形面积以上土体的边界de和基础侧面与土之间分别产生了向下的剪阻力τ和摩阻力f_s。根据以上分析，可在圆形墩式深基础基底极限承载力计算方法基础之上，进行改进，以确定本发明的筒盖承载模式下的筒型基础筒端极限承载力的计算方法。

太沙基的圆形墩式深基础基底极限承载力计算公式为：

q_uT＝1.3cN_c+γ₁HN_γ+0.6γRN_γ(1)

式中：N_c、N_q、N_γ---承载力系数，由基底下土体的值通过下式分别求出；H---基础的埋深；R---圆形基础的半径；γ--筒端所在土层土的有效容重；γ₁--基底以上土的等效容重，根据环形面积ad上移时其竖向力的平衡条件来确定。

设环形的半径为nR，如图1所示，则等效容重可表示为：

式中：γ₀---基底以上土的容重；f_s---基础侧面与土之间的极限摩阻力；τ---环形圆柱体边界de上的剪阻力，一般情况下τ＝τ_f(土的抗剪强度)。

本发明引入土体破坏率这一参数，记为η，来描述基础内部土体非联动区范围的大小，见图2。

式中：IE表示基础内非联动区土体高度，D表示筒型基础直径。则基础内非联动区高度为ηD/2，联动区土体高度BI为(H-ηD/2)，

结合缩尺模型试验对该参数η进行率定，缩尺模型与原型基础成比例，因此认为缩尺模型的承载模式与原型基础相同，因此利用试验结果可以较准确的判断基础的承载模式及对应承载力系数的大小。具体计算方法是通过缩尺模型试验得到太沙基承载模式下筒形基础的分区(参见图2)，由此得到该高径比下筒形基础的土体破坏率η，结合土体破坏率η，以联动区底面作为基础筒盖面，对太沙基的圆形墩式深基础基底极限承载力计算公式进行修正，修正后的筒盖承载模式下的筒形基础的筒端单位(极限)承载力为

q_u＝1.3cN_c+γ₁(H-ηD/2)N_γ+0.6γRN_γ(4)

由以上分析确定了宽浅式筒型基础的地基破坏模式，根据此承载模式，进行大直径宽浅式筒型基础筒盖承载模式的竖向承载力设计(或者校核)方法如下：

1，首先得到筒型基础底部的极限承载力设计值为：

式中：q_u为筒盖承载模式下的筒形基础的筒端单位承载力，Q_s为筒型基础的筒壁侧摩擦力，A_b为筒底圆形面积，K为安全系数，建议取为3；

2，验证筒型基础在受轴心竖向荷载作用时，基底压力p符合下式：

式中:F为竖向荷载，A_b为筒底圆形面积。

3，验证筒型基础在受偏心荷载作用时，基地压应力重分布后最大压应力符合下式：

式中:M为弯矩荷载，w圆形截面抵抗矩。

实际应用实例

选取某风电项目区域土层资料及筒形基础参数进行计算。根据钻孔揭露的地层结构、岩层特征、埋藏条件及物理力学性质，结合区域地质资料，勘探深度内(勘探孔深最深92.70m)均为第四系沉积物。本场区勘探深度范围内上部为全新世(Q4)河口～滨海相沉积的淤泥、、淤泥质粘土、粘质粉土、粉质粘土等，下部为晚更新世(Q3)河口～滨海相沉积的粘质粉土、粉砂、粉质粘土、粉细砂。根据土性及物理力学性质细分为9个亚层，现自上而下分述如下：

①层淤泥(Q)：为新近沉积土，灰色，流塑，含少量有机质，高压缩性，工程性能极差。全区分布，层厚3.10～3.80m。

②-2层淤泥质粘土(Q4)：滨海相沉积，灰色，流塑，高压缩性。局部夹薄层状粉土，含有机质、云母及少许贝壳残体，土芯掰开断面呈鱼鳞片状。层厚8.50～19.40m。

③-1层粉质粘土夹粘质粉土(Q4)：灰色，软塑，含云母、贝壳残体、石英颗粒等，层状结构，局部夹少量粉砂。层厚7.20～15.30m。

③-2层粉质粘土(Q4)：灰色，软塑，具高压缩性，含少量云母、贝壳碎屑等，局部夹薄层状粉砂。层厚4.70～15.70m。

③-3层淤泥质粉质粘土(Q4)：灰色，流塑，高压缩性，含少量云母、有机质等，土芯掰开呈鱼鳞片状，局部夹稍密状粘质粉土团块。仅ZK4孔揭露该层，层厚14.10m。

④-1层粘质粉土(Q4)：黄色，灰色，稍密为主，局部中密，很湿，中等偏高压缩性，含石英、云母碎片，层状结构，局部夹薄层状粘性土，层厚3.10～15.30m。

④-2层粘质粉土(Q3)：灰色，中密为主，湿，具中等压缩性，层状结构，含石英、云母等有机质。层厚6.80～22.40m。

④-3层粉砂(Q3)：灰色，密实，饱和，含石英、云母等碎片，局部夹少量粘性土。层厚2.70～26.80m。

⑤-1层粉质粘土灰色，可塑，具中等压缩性，含有腐殖质，局部夹粗砂。层厚5.90～19.60m。

⑤-3层粉细砂(Q3)：灰色，密实，饱和，中等偏低压缩性，含云母、石英颗粒、贝壳残体等，局部夹少量粘性土薄层。揭露最大厚度19.40m(未揭穿)。

表3基础参数表

筒形基础外径30.000m钢筒壁厚0.025m筒形基础内径29.950m埋深H12.000m内筒底板厚度h0.600m底面总面积Ab706.858m2

根据筒型基础的结构形式以及拟安装区域的工程地质情况进行承载力分析，验算中涉及的土体参数见表4。

表4土体参数

根据承载力极限工况，将验算涉及的计算荷载及其作用点位置列于表5。

表5计算荷载

注：作用点位置为距基础底面高度

竖直向承载力验算

根据太沙基提出的承载力理论按顶盖承载模式进行地基极限承载力计算：

筒型基础侧摩阻力为筒基经过的三层土体侧摩阻力之和：

Q_s＝Q₁+Q₂+Q₃＝628.06+12999.60+2514.41＝16142.07kN

经试验结果分析得到土体破坏率η为29.2％。

则修正后基底在淤泥质粘土层，按粘土参数计算。

筒型基础端部极限承载力：

q_u＝1.3cN_c+γ₁(H-ηD/2)N_q+0.6γRN_γ

＝1.3×15×13.676+8.706×(12-0.292×15)×4.922+0.6×7.9×15×2.024

＝737.104kPa

式中：

由地基承载力极限值，取抗力分项系数K＝3.0，得到地基承载力设计值f：

当基础中心受荷时，不考虑侧阻基底压力，筒内土重G_土＝71422.629Kn，考虑基地

压力重为：

筒型基础的抵抗弯矩w＝πD_外³/32＝2650.719m³。

当基础偏心受荷时，考虑到基地压应力重分布后最大压应力：

由以上计算可知，筒型基础的竖向承载力满足要求。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。