海上风机超大直径单桩基础长期循环弱化特性与累积变形

Lateral capacity degradation and accumulative deformation of monopiles for offshore wind turbines caused by long-term cyclic wind and wave load may affect the normal operation of the structure. Therefore, it is necessary to establish a rational assessment approach. As the review of the drawback for existing research findings, a series of load-control model tests at the prototype stress levels will be carried out in saturated soft clay to discuss the influence of the load modes on the capacity degradation characteristic and the development of accumulative deformation. Combining a three-dimensional p-y curve developed from MSD method and the average strain around the pile, kinematic hardening concept and strain softening model, an approach for analyzing the lateral behavior of monopiles subjected to the relatively small-amplitude cyclic load will be presented. Also, the capacity degradation characteristic corresponding to the large cyclic amplitude will be studied by the continuous-deformation-field MSD method. Furthermore, based on the extrapolation of internal variables, a simplified method will be proposed to predict the accumulative deformation of monopiles under the long-term cyclic load. These new analysis methods can provide a theoretical basis for the safety evaluation of monopiles supporting offshore wind turbines.

海上风电超大直径单桩基础承受风力及波浪力等长期水平循环荷载的作用，由此引起的风机桩基础承载能力弱化和累积侧向变形可能会严重影响到海上风力发电机在使用年限内的正常运转，因此建立合理的预测方法将是十分必要的。本研究针对当前饱和粘土中海上风电超大直径单桩基础长期循环弱化与累积变形研究存在的不足，通过能够体现现场应力状态、实现力控制的循环加载物理模型试验，探讨各种加载条件下承载力循环弱化和累积变形的发展规律；建立基于广义MSD方法和桩周应变发展的三维静力p-y曲线；结合运动硬化概念并引入土体循环弱化模型，建立小变形下超大直径单桩水平循环加载特性的理论分析方法；基于连续变形场MSD方法，获得循环弱化后大变形下大直径单桩承载能力的衰减规律；利用内变量外插技术，形成一种预测长期循环累计变形的分析方法，为海上风机超大直径单桩基础的工程安全性评估提供理论依据。

海上风电超大直径单桩基础承受风力及波浪力等长期水平循环荷载作用，由此引起的风机桩基础承载能力弱化和累积侧向变形可能会严重影响海上风力发电机在使用年限内的正常运转。目前研究集中于大直径单桩静力承载特性的宏观描述，对于长期承载特性只是在静力特性基础上简单折算，因而缺乏对力学机制的全面了解，更缺乏模拟长期循环加载的有效试验手段。本项目开展试验研究讨论了大直径单桩水平循环弱化机理，并建立了基于土体应力应变关系和弱化特性的p-y曲线分析方法，还建立了分析桩基长期循环弱化的数值分析方法。取得主要的研究成果有：（a）开展大直径单桩大幅值水平循环离心模型试验，精确模拟桩基水平循环滞回特性；研制具有预固结功能的力控制长期循环加载设备，获得了大直径单桩小循环幅值长期循环作用下的累积变形规律，揭示桩基承载力弱化机理。（b）基于弹性力学推导水平受荷桩初始地基模量，首次提出虚拟上限加载原理（T-EMSD）建立水平受荷桩三维连续应变场，改进了桩身极限承载力剖面，采用T-EMSD原理构建桩侧二维连续应变场建立桩周应变随桩身位移发展规律，结合土体静力应力应变关系建立大直径单桩三维p-y静力曲线。（c）基于已建立的桩周应变发展规律，结合运动硬化概念的循环土体应力应变关系和土体循环弱化模型，建立超大直径单桩p-y滞回曲线分析方法，成功模拟了大直径单桩循环弱化特性。（d）推导基于T-bar循环贯入试验的土体强度弱化参数标定方法，建立适用于大直径单桩在长期累积侧向变形预测的有限元分析方法，并在ABAQUS软件平台中通过二次开发进行数值实现，对试验结果的成功预测验证了该方法的合理性和可靠性。本项目的研究成果可为海上风机超大直径单桩基础的累积变形预测以及合理评价风机运行的安全性问题提供理论依据。

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