考虑土体循环弱化影响的群桩动力非线性研究

风电场建设作为缓解能源危机的有效途径在国内外受到了极大的重视，群桩作为风机平台的基础支撑体系在实践中已经得到了广泛应用。但是，我国目前还没有专门针对循环荷载条件下风机基础的设计规范，群桩基础的非线性动力特性、循环荷载作用下群桩动力阻抗的衰减特性及其对群桩非线性动力响应的影响还没有得到充分的检验。本课题针对当前风机平台群桩基础动力分析方法存在的上述不足，通过子结构方法建立柔性承台-群桩-土体非线性动力模型；利用室内土工循环加载试验，修正Bouc-Wen模型，并将其用于土体的循环弱化下风机群桩基础的长期动力阻抗研究；通过室内群桩循环荷载模型试验给予验证，研究循环荷载作用下群桩基础阻抗的衰减对于上部结构动力响应的影响，从而为风机群桩基础的设计提供充实的理论基础，为保障风电场工程的安全建设和运营提供科学支撑。

本项目通过理论分析、数值模拟及试验手段，对土体循环弱化特性、单桩的动力非线性、非线性桩-桩相互作用特性及群桩非线性动力特性开展了理论和试验研究。通过引入合理的强度弱化函数，得到了可以同时考虑固结比、相对密度、累积滞回能量、初始有效上覆应力影响的土体弱化参数；通过建立小应变下的阻尼耗能函数，得到了修正的刚度弱化因子。基于上述弱化因子，建立了可以同时考虑强度弱化和刚度弱化的Bouc-Wen模型。通过室内动三轴长期循环试验，研究了不同频率、动应力比、循环周期、固结比、饱和度和循环荷载方式条件下的双向、长周期循环动三轴试验，主要研究砂土和粘土的动模量、累计变形、动应变和残余变形的循环弱化规律及其影响因素，并为上述模型提供的检验依据。基于动力Winkler地基梁模型，将上述模型引入桩周土的本构方程中。结合边界层的土体分区非线性模型，建立了非线性波在土体传播的衰减函数及桩-桩相互作用因子，进而得到了群桩动力响应分析模型。研制了室内群桩动力试验及加载系统，研究了不同频率、动载幅值和循环周期条件下的单桩和群桩的动力响应变化规律，为理论分析提供了对比验证。项目成果建立了一套适合于长期循环荷载条件下，考虑土体循环弱化影响的群桩动力非线性分析方法，为群桩的设计和施工安全提供理论依据，具有重要理论意义和工程应用价值。