海上风机桩基础稳定性分析与离心模型试验验证研究

随着煤炭、石油、天然气等不可再生资源的日益消耗以及环境污染的加剧，世界上大多数发达国家正在积极开发海洋风能资源，我国近几年也正在逐步推广海洋风能发电。海上风力发电机桩基础的受力条件非常复杂，不但受到自重等竖向荷载的作用，还受到上部结构传来的风荷载、波流荷载等引起的水平荷载、力矩与扭矩作用。本项研究将联合运用理论分析、数值计算及离心模型试验等手段，深入探讨复合加载条件下的桩基础破坏机理与失稳模式，基于塑性极限分析理论对不同荷载分量组合下的桩基础稳定性与承载性能进行评价，进而针对地基土的先进动力本构模型，标定模型参数在低频动载下的取值范围，发展高效稳定的统一积分算法，建立循环荷载作用下海上风力发电机桩基础与地基的弹塑性有效应力计算模型。通过具体计算全面探讨复杂荷载条件下海上风力发电机桩基础与地基的变形机理与工作性能。在此基础上，提出工程上实用的计算方法，为工程设计提供一定的参考依据。

本项研究联合运用数值计算、理论分析及离心模型试验等技术手段，深入探讨复合加载条件下的海上风机桩基础破坏机理与失稳模式，发展了地基土的先进动力本构模型，发展高效稳定的统一积分算法，建立了循环荷载作用下海上风力发电机桩基础与地基的弹塑性计算模型。室内土工试验部分，分别针对海洋原状土和砂性土，开展了复杂应力条件土体剪切特性的试验研究，分析研究了多个因素对土体剪切特性的影响；针对由波浪等循环作用引起的主应力轴旋转效应，发展了非共轴本构模型，并将其成功嵌入有限元计算程序。利用该模型计算研究了桶形基础、吸力桶以及重力式基础的破坏和失稳；针对海洋砂性土，开发了一个可以考虑砂土当前物理状态的本构模型；开发了适合鼓式离心机的制样设备，研发改进了桩基础水平向循环加载系统；利用鼓式离心机开展了桩基础承载特性的试验研究，针对单桩基础,采用饱和密砂地基，进行了按位移控制的单向水平荷载和双向水平循环荷载作用下的离心机模型实验，重点分析了桩身响应规律，并与数值模型计算结果进行了对比分析；采用CEL大变形有限元技术对于上砂下黏双层地基中桩靴基础贯入过程进行了数值模拟，系统的探讨了上层砂土内摩擦角、下层黏土不排水抗剪强度等土性指标对于基础贯入阻力曲线的影响。采用荷载-位移联合搜索方法，对于海上风机桶形基础在非共面复合加载条件下稳定性进行了系统研究，初步建议了一个软黏土地基上六维自由度复合加载条件下基础破坏包络面方程。研究成果为海上风机桩基础的设计和安全评价提供了建议。