水平荷载下海上风机单桩基础桩土相互作用研究.pdf

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1、第46卷第3期2016年3月中国海洋大学学报PERl0DICAL0F0CEANUNIVERSITY0FCHINA46(3)：113～120Mar．，2016水平荷载下海上风机单桩基础桩土相互作用研究+刘红军1，尹燕京2，常季青3(1．海洋环境与生态教育部重点实验室，山东青岛266100；2．中国海洋大学环境科学与工程学院，山东青岛266100；3．青岛市勘察测绘研究院，山东青岛266032)摘要：海上风电作为一种清洁绿色的能源越来越受到人们的关注，海上风机会承受风、浪、流等水平荷载的作用，因此水平荷载下海上风机单桩基础桩土相互作用一直是人们研究的热点。本文对水平

2、荷载作用下海上风机单桩基土相互作用进行研究，通过ABAQUS有限元数值分析软件建立桩土模型。结果显示：桩顶水平极限位移约为11．25cm，海床面以下1～5m范围为桩身弯矩和桩身mises应力较大的区段；随着桩顶水平位移的逐渐增大，桩身挠曲逐渐向深处发展，桩体位移零点位置逐渐向下；桩体的水平位移会对桩侧土体产生挤压作用，这种挤压作用会使土体塑性屈服区逐渐向下发展，土体水平位移呈半圆形放射状分布，浅层土体mises应力产生非对称分布。关键词：海上风机；单桩基础；ABAQus；水平荷载；桩土相互作用中图法分类号：x144文献标志码：A文章编号：1672—5174(20

3、16)03—113一08DOI：lo．16441／j．cnki．hdxb．20150288引用格式：刘红军，尹燕京，常季青．水平荷载下海上风机单桩基础桩土相互作用研究[J]．中国海洋大学学报(自然科学版)，2016，46(3)：113—120．LIUHong-Jun，YINYan-Jing，CHANGJi．Qing．ResearchonthePile_So订InteractionofMonopileFbundationUnderHori—zontalLoadforoffshorewindTurbine[J]．PeriodicalofOceanuniversity

4、ofchina，2016，46(3)：113—120．海上风电是一种清洁的绿色能源，而且储量丰富，据统计，海上风电储量约为7．5亿kw。海上风电与陆上发电相比具有建设周期短、运营成本低的优点，因此全世界很多国家都在大力建设海上风电场[1]。近些年来，中国也逐步投入大量资金发展海上风电。位于山东半岛的黄河三角洲地区具有得天独厚的自然条件，地势平坦无阻碍，风力密度均匀，是发展海上风电的极佳地区‘2

5、。目前海上风机的基础形势有多种，其中单桩基础占了相当大的比例，单桩基础具有结构简单、安装迅速的优点，具有很大的开发利用前景。目前对于水平荷载作用下桩土相互作用的研究主要有

6、m法、p—y曲线法、有限单元法等，其中m法是一种线弹性地基反力法，主要适用于桩侧土体处于弹性变形阶段范围内的求解，其计算结果往往和实际情况有一定差距。p—y曲线法是一种弹塑性地基反力法，可以适用于计算大变位时桩身受力状态，不仅能够考虑静荷载，还能考虑循环荷载、土的软化、土抗力折减等，有效地克服了m法的缺陷。Matlock[3]最早提出了软黏土的p—y曲线、Reese[4]、O’Neill[5]分别提出了硬粘土和砂土的p—y曲线，三种经典p-y曲线已经被列入美国石油协会规范[6]。有限单元法的核心是将复杂的研究对象离散为一个个微小的单元，根据最小势能原理来求解刚度

7、矩阵方程。有限元法具有适用于解决非线性非均质问题并能模拟材料复杂的本构关系的优点。刘冰雪等[1]通过建立三维有限元模型，重点研究了桩径、桩长等因素对桩基水平及竖直承载性能的影响。Abdel—Rahman等[7]重点关注了波浪荷载下桩基水平变形特征，并将计算结果与p—y曲线法做了对比，发现p—y曲线法得到的研究结果偏于保守。以往有限元法应用于海上风电桩基的研究中，往往注重于单桩基础本身的水平承载能力，而对桩土相互作用研究相对较少。在实际情况中海上风电桩基的水平失稳往往不是桩基自身的破坏，而是桩侧土体的破坏，因此桩土相互作用研究是桩基水平承载性能的研究核心。针对这一

8、问题，本文以黄河三角洲地区工程地质条件为背景，利用大型有限元分析软件ABAQUS研究了水平荷载作用下海上风机单桩基础桩土相互作用，对桩基水平极限承载力、桩*基金项目：国家自然科学基金项目“波浪作用下海上风电场桩基土体液化响应研究一以黄河三角洲为例”(41572247)；山东省科技攻关项目“黄河三角洲海上风电场桩基设计关键技术研究”(2014GGxl04007)资助SupportedbyResearchonI．iquefactionReponseofSoilBodyAroundPileFoundationof0ffshoreWindTurbineunderWave

9、(乃ndi—tions-