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波浪荷载作用下风机桩基础与土相互作用分析

来源期刊:中南大学学报(自然科学版)2018年第8期

论文作者:胡安峰 付鹏 涂强 南博文 谢康和

文章页码:2009 - 2016

关键词:波浪荷载;海上风机;桩基础;水平位移;超静孔压

Key words:wave load; offshore wind turbine; monopile; lateral displacement; excess pore pressure

摘    要:采用三维数值分析方法,建立考虑流固耦合的三维桩-土模型;同时考虑波浪作用在桩上的水平荷载和波浪对海床的直接作用,研究2种形式的波浪荷载耦合作用下海上风机桩基础与土相互作用;根据数值模拟结果,研究2种荷载耦合作用下海上风机桩基础的变形与内力分布、桩侧土体超静孔压及桩土界面接触应力的变化规律,探讨不同波浪参数对单桩基础性状的影响,并与只考虑桩受荷时的计算结果进行对比分析。研究结果表明:当考虑波浪对海床的作用时,桩身将产生附加水平位移,同时也会引起桩侧土体超静孔压和桩土界面接触应力的循环变化。

Abstract: A 3D finite element model considering fluid-soil coupling for monopile foundation of offshore wind turbine was proposed to study the interactive behavior of pile and soil under wave load. Effects of waves on both pile and seabed were considered in this model. Based on simulation results, deformation and internal force of monopile were investigated. Moreover, response of pore pressure within soil around pile and contact stress of the interface between pile and soil were discussed. The effects of wave height and water depth on monopile behavior were studied, and the model considering only the lateral load on pile was compared with the model considering the coupling effect of wave load. The results show that there is additional lateral displacement of monopile when considering the coupling effects of wave load. Furthermore, pore pressure within soil around pile and contact stress of the interface between pile and soil display cyclic variations with time.



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DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2018.08.022

波浪荷载作用下风机桩基础与土相互作用分析

付鹏1, 2,胡安峰1, 2,涂强3,南博文1, 2,谢康和1, 2

(1. 浙江大学 软弱土与环境土工教育部重点实验室,浙江 杭州,310058;

2. 浙江大学 滨海和城市岩土工程研究中心,浙江 杭州,310058;

3. 中铁二院工程集团有限责任公司,四川 成都,610031)

摘要:采用三维数值分析方法,建立考虑流固耦合的三维桩-土模型;同时考虑波浪作用在桩上的水平荷载和波浪对海床的直接作用,研究2种形式的波浪荷载耦合作用下海上风机桩基础与土相互作用;根据数值模拟结果,研究2种荷载耦合作用下海上风机桩基础的变形与内力分布、桩侧土体超静孔压及桩土界面接触应力的变化规律,探讨不同波浪参数对单桩基础性状的影响,并与只考虑桩受荷时的计算结果进行对比分析。研究结果表明:当考虑波浪对海床的作用时,桩身将产生附加水平位移,同时也会引起桩侧土体超静孔压和桩土界面接触应力的循环变化。

关键词:波浪荷载;海上风机;桩基础;水平位移;超静孔压

中图分类号:TU443             文献标志码:A         文章编号:1672-7207(2018)08-2009-07

Behavior of monopile supported offshore wind turbines under wave load

FU Peng1, 2, HU Anfeng1, 2, TU Qiang3, NAN Bowen1, 2, XIE Kanghe1, 2

(1. Key Laboratory of Soft Soils and Geoenvironmental Engineering of Ministry of Education,

Zhejiang University, Hangzhou 310058, China;

2. Research Center of Coastal and Urban Geotechnical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China;

3. China Railway Eryuan Engineering Group Co. Ltd., Chengdu 610031, China)

Abstract: A 3D finite element model considering fluid-soil coupling for monopile foundation of offshore wind turbine was proposed to study the interactive behavior of pile and soil under wave load. Effects of waves on both pile and seabed were considered in this model. Based on simulation results, deformation and internal force of monopile were investigated. Moreover, response of pore pressure within soil around pile and contact stress of the interface between pile and soil were discussed. The effects of wave height and water depth on monopile behavior were studied, and the model considering only the lateral load on pile was compared with the model considering the coupling effect of wave load. The results show that there is additional lateral displacement of monopile when considering the coupling effects of wave load. Furthermore, pore pressure within soil around pile and contact stress of the interface between pile and soil display cyclic variations with time.

Key words: wave load; offshore wind turbine; monopile; lateral displacement; excess pore pressure

海上风电作为一种可再生能源,具有巨大的开发潜力[1-2]。目前已建成的海上风电场中,海上风机通常采用大直径单桩基础[3]。在设计海上风机桩基础时,波浪荷载是需要考虑的主要环境因素之一。波浪对桩-土系统的作用主要体现在2个方面:1) 波浪作用于桩上的水平荷载;2) 波浪直接作用于海床,在海床表面产生附加压应力和超静孔压。已有不少研究者对海上风机桩基础的水平受荷特性进行研究。MATLOCK等[4-5]通过现场试验提出了水平受荷桩的p-y(土反力-水平位移)曲线法。KOUDA等[6-8]通过离心机试验研究了水平荷载作用下桩基础的承载特性。目前,数值分析方法也被大量应用于桩基础特别是大直径桩基础的分析。BROWN等[9]利用三维有限元模型分析了水平荷载作用下桩-土系统的响应规律。ACHMUS等[10]结合循环动三轴试验结果,提出了刚度衰减模型,分析了在长期水平循环荷载作用下海上风机大直径桩基础的侧向变形。对于波浪荷载作用下海床的变形和孔压响应问题,国内外许多研究者进行了研究。JENG等[11]得出了在波浪荷载作用下有限厚度海床响应解析解。钟佳玉等[12]通过波流水槽模型试验,研究了波浪荷载作用下砂质海床的孔压响应问题。WANG等[13]基于物理模型试验分析了作用于桩上的波浪力,并结合数值模型研究了桩身变形及弯矩的分布规律。胡翔等[14]对在波浪荷载作用下海底单桩与海床的相互作用进行了分析,其研究结果表明波浪荷载直接作用于海床时也会对桩基础的变形产生显著的影响。目前的研究都是对这2种形式的波浪荷载分别进行分析,为了更合理地研究海上风机桩基础在波浪荷载作用下的性状,必须考虑2种荷载的耦合效应。本文作者采用数值分析方法,同时考虑波浪在海床表面产生的压应力、超静孔压和波浪作用在桩基础上的水平荷载,对2种荷载耦合作用下桩基础的特性进行分析,并探讨不同波高、水深对桩基性状的影响。

1  计算模型及参数

1.1  桩土模型参数

钢管桩直径D=5 m,壁厚tp=4 cm,埋深Lp=30 m。ACHMUS等[15]指出若土体模型边界至桩身的距离大于12倍桩径,模型底部至桩底的距离大于3倍桩径,则可以忽略边界条件对数值计算结果的影响。取土体模型厚度为60 m,半径为70 m。土体采用Mohr-Coulomb 模型模拟,并引入孔压单元模拟土体流固耦合。建模分析中将钢管桩等效为实心桩,桩土模型参数如表1所示。

表1  桩土模型参数

Table 1  Model parameters for soil and pile

1.2  波浪荷载模拟

采用Airy线性波理论描述波浪运动,波浪沿x方向前进,桩轴线沿z方向,分别计算波浪作用在桩上的水平荷载F及波浪对海床的作用,计算模型如图1所示。

图1  计算模型

Fig. 1  Calculation model

1.2.1  对海床的作用

在海床表面施加大小相同的压应力和孔压,表达式如下:

          (1)

              (2)

式中:P为海床表面的压应力;Pw0为海床表面的孔压;t为时间;水重度γw=10 kN/m3;波高H=3 m;周期T= 10 s;波长L=100 m;水深d=20 m;波数k=2π/L;角频率ω=2π/T。

1.2.2  对桩的作用

采用Morison公式计算波浪作用在桩上的水平荷载。该公式将桩体受到的波浪力分为2个部分:一部分是由波浪水质点的水平速度引起的拖曳力,另一部分是由波浪水质点的水平加速度引起的惯性力。在桩体长度增量dz上的总力为

      (3)

式中:dF为dz长度范围内桩体所受到的波浪力合力;ρ为水的密度;U为水质点的瞬时水平速度;为水质点的瞬时水平加速度;A为桩横截面积;CD和CM分别为与截面形状有关的拖曳力系数和惯性力系数,根据挪威船级社(DNV)规范[16],对于圆管桩,CD 取为0.7,CM取为2.0。

1.3  三维有限元模型的建立

考虑到荷载及物理模型的对称性,将桩-土模型设计为半圆柱体。在网格划分时,靠近桩的区域网格划分较密,远离桩的区域网格划分较稀。总共有5 304个单元,6 500个节点。在桩-土之间设置接触面,采用库仑摩擦模型模拟接触面的摩擦行为,摩擦因数在数值上设为土体内摩擦角的2/3 [15]。模型四周为水平支座,底部为固定支座;底部及四周设置为不透水边界。桩-土三维有限元模型如图2所示。

图2  三维有限元模型

Fig. 2  Three-dimensional finite element model

2  计算结果分析

2.1  模型验证

GATMIRI[17]建立了饱和海床的有限元模型(下面简称GATMIRI模型),分析了波浪荷载作用下海床的响应问题。并指出海床土在深度约为1/5波长时会产生较大水平位移。为验证本文模型的正确性,建立不考虑桩基的自由海床模型,在海床表面施加波浪荷载进行分析,并与文献[17]中的分析结果进行比较。对2个分析结果中的土体水平位移进行归一化处理,结果如图3所示(其中,,Us为土体水平位移,为埋深等于0.2L处土体水平位移)。从图3可以看出:本文模型计算结果与GATMIRI模型计算结果较吻合,说明本文计算模型是合理的。

2.2  桩身水平位移

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