海上风电裙式吸力桶形基础沉贯机理研究

针对所提出的新型海上风电吸力基础—裙式吸力基础，采用模型试验与数值模拟相结合的方法，研究其在砂土、黏性土以及分层土体中沉贯特性，分析沉贯过程中基础内部土塞高度变化规律，提出裙式吸力基础沉贯所需吸力及抗拔承载力计算公式。首先开展裙式吸力基础在砂土中沉贯模型试验，研究表明裙式吸力基础在砂土中有良好的沉贯性，主桶长径比为1.0的传统及裙式吸力基础最终沉贯深度约为0.89及0.87倍基础高度；采用仅抽取主桶内水体沉贯时，裙式吸力基础最终沉贯深度最大；沉贯过程中裙式吸力基础周围砂土颗粒沿主桶及裙结构外侧壁向下移动，最终涌入基础内部形成土塞。采用有限元方法，分析了裙式吸力基础沉贯过程中周围土体渗流场分布。基于滑移线理论和极限平衡理论，提出了吸力基础在砂土中沉贯所需最大吸力、最小吸力以及临界吸力的解析公式。然后进行模型试验和数值模拟，研究裙式吸力基础在饱和海洋黏性土中沉贯特性，结果表明相同主桶长径比下，裙式吸力基础沉贯阻力较传统吸力基础提高44.7%，沉贯所需吸力较传统吸力基础高约20%；沉贯结束时，裙式吸力基础主桶内部土塞高度大于传统吸力基础。基于静力平衡条件，提出了裙式吸力基础在黏性土中沉贯所需吸力的表达式。最后，开展吸力基础在分层土体中沉贯研究。研究发现分层土中裙式吸力基础沉贯所需吸力大于单一土层情况（黏性土或砂土）；层状土中主桶内部土体等势线分布密集且斜率较小外侧等势线分布稀疏且斜率较大沉贯中水头损失主要集中在主桶内部。当基础穿越砂土进入粘性土层时砂土中等势线分布变稀疏水头损失变小。对于上层为黏性土下层为砂土情况，研究发现当基础内部吸力过大时，黏性土层将产生裂隙；当“裙”结构高度小于上层土厚度时，裙式吸力基础沉贯特性与传统吸力基础一致。最后得到裙式吸力基础在层状土中沉贯沉贯所需吸力计算公式。本研究所得规律可为我国海上风力发电工程提供必要的科学依据，具有重要的工程应用价值。

裙式吸力桶形基础是一种新型的海洋工程基础形式，具有施工方便、造价低和可重复利用等优点,可作为系泊海上浮动式结构物、海洋油气平台的基础，尤其适合近海海上风力发电塔架的基础。裙式吸力桶形基础在海床中的沉贯能力是整个基础达到设计要求，满足地基基础设计承载力和变形控制在允许范围内的重要前提。针对我国典型海床地基如均质饱和细砂、饱和软土及细砂组成的层状土层，以改进的沉贯模型试验系统为主要研究手段，结合理论和数值模拟分析方法，研究裙式吸力桶形基础压贯和吸力沉贯过程中土压力、孔隙水压力、沉贯速率、土塞等各参量变化规律，揭示其沉贯机理；重点研究渗流及基础尖端对沉贯阻力的影响；建立沉贯阻力、吸力理论计算公式和吸力控制标准；深入研究基础在层状地基中的沉贯机理，揭示软土层的影响机制；确定易于沉贯的裙式吸力桶形基础几何比尺。研究成果将对我国海上风电工程的地基基础理论和工程应用起到指导作用。

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 吸力式桶形基础国内外发展概况

1.3 国内外研究现状及发展动态

1.3.1 沉贯过程研究

1.3.2 海洋地基承载力特性研究

1.3.3 变值（循环）荷载作用下海洋地基承载力特性研究

1.4 研究目的和主要内容

2 吸力式桶形基础承载力有限元分析

2.1 概述

2.2 计算方法与数值实施

2.2.1 有限元分析软件ABAQUS

2.2.2 ABAQUS模块和分析步骤

2.2.3 ABAQUS中材料非线性问题求解方法

2.2.4 ABAQUS中接触非线性问题求解方法

2.3 吸力式桶形基础有限元计算模型

2.3.1 吸力式桶形基础有限元计算模型

2.3.2 有限元计算分析方法

2.3.3 确定地基极限承载力的标准

2.3.4 荷载位移标记方法

2.3.5 桶土相互作用的模拟

2.4 有限元计算模型的实验验证

2.5 结论 2100433B

《滩海吸力式桶形基础承载力计算方法及其应用》拟在大型通用有限元软件ABAQUS平台上，针对我国第一座吸力式桶形基础海洋平台，将海洋平台及其设备产生的自重荷载与波浪、风荷载假设为静力单调荷载，建立软黏土地基上吸力式桶形基础的三维弹塑性有限元计算模型。首先，采用位移控制方法，探讨了不同荷载单调作用下单桶基础结构的地基破坏机制及承载力特性。其次，采用Swipe试验加载方式，探讨了不同荷载分量共同作用下的复合加载模式下软黏土地基上单桶基础结构的地基破坏机制及承载力特性，绘制地基三维破坏包络面；以此为基础，研究了倾斜荷载作用下吸力式桶形基础的破坏包络面与偏心距之间的关系。进一步，研究了软黏土不排水抗剪强度横观各向异性和非均质性对复合加载模式下吸力式桶形基础的承载力的影响。然后，基于Andersen提出的软黏土循环强度概念，通过考虑循环荷载所导致软黏土地基的强度弱化效应，探讨了变值复合加载模式下吸力式桶形基础的承载力以及破坏包络面与循环强度之间的关系。最后，通过考虑桶间距对于多桶基础结构的影响，探讨多桶基础结构在不同荷载分量单调及共同作用下的地基破坏机制及承载力特性。从而，为滩海及深海海洋油气田建设与开发中新型结构形式的应用提供理论依据和技术支持，也为完善海洋平台地基基础设计和施工提供参考依据。