一种海上风电吸力桩基础承载力简化计算方法技术

本发明专利技术涉及一种海上风电吸力桩基础承载力简化计算方法。包括：首先，输入基础参数；其次，设计吸力桩尺寸；再次，求解吸力桩侧壁和桩底对土体的作用力；最后，由静力平衡确定桩体承载力是否满足要求，若不满足要求，则重新设计吸力桩尺寸并进行计算。本发明专利技术可以通过相应公式快速确定吸力桩承载力是否满足要求；将吸力桩基础和桩内土体视为整体，简化承载力计算流程的同时，不失计算的准确性；提出“有效面积”的概念，针对桩底倾覆力矩进行简化计算；考虑上部倾覆力矩引起的桩底和桩侧摩阻力，完善相应力学模型的受力分析，使计算结果更加准确完善；在计算竖向抗拉承载力时考虑桩体不同位置处的空化情况，使得计算过程更加直接明确。使得计算过程更加直接明确。使得计算过程更加直接明确。

【技术实现步骤摘要】
一种海上风电吸力桩基础承载力简化计算方法


[0001]本专利技术涉及海上风电工程
，具体涉及一种海上风电吸力桩基础承载力简化计算方法。

技术介绍

[0002]近年来，新能源技术不断发展，风能逐渐成为人类继石油等化石燃料之后的一大能源。海上风电作为风力发电的主要形式之一，具有发电效益高、风资源充足等特点。随着化石燃料的不断开采和使用，风能的利用今后也将趋向于系统化、完整化。
[0003]目前常见的海上风电基础形式有导管架基础、重力式基础、单桩基础、吸力桩基础等。吸力桩基础在欧洲应用较广，目前我国已在福建、广东等海域引进了相关技术。吸力桩由高强度船用钢制成，整体呈倒置筒形，适用于海床覆盖层浅、水域深、涌浪大、台风频发的复杂海域环境。相比于其他基础形式，吸力桩基础具有安装安全快速、节约成本、环保可拆除等优势。
[0004]承载力计算是吸力桩设计的重要内容之一，而目前国内并没有规范性的文件指导计算，故常将其视为小长径比的重力式基础进行计算，忽略了上部弯矩和水平荷载的影响。由于吸力桩的筒壁与土体接触面积大，因此上部弯矩还会引起桩体侧壁与桩底的摩阻力。为解决此问题，本专利技术专利提出一种吸力桩承载力的简化计算方法，将吸力桩基础和桩内土体简化为整体进行桩土受力分析，对现有的吸力桩计算形式进行修正。该方法能通过快速公式计算，得出吸力桩的承载力是否符合要求，相比于传统方法更加快捷合理。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种海上风电吸力桩基础承载力简化计算方法，针对所提供的上部荷载以及相关土体参数，能够快速得出吸力桩的承载力是否满足要求，从而确定桩型尺寸等参数。
[0006]为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种海上风电吸力桩基础承载力简化计算方法，包括以下步骤：
[0007]步骤S1、输入基础参数：根据吸力桩上部结构与风浪流荷载确定吸力桩顶部竖向荷载、水平荷载以及弯矩；根据室内试验与现场试验获取桩基位置处海底土壤物理力学性质与基础参数，以及土层类型；
[0008]步骤S2、设计吸力桩桩型：初步设计吸力桩桩长及桩径；
[0009]步骤S3、求解吸力桩侧壁与桩底对土体的作用力：将吸力桩基础和桩内土体视为整体，则吸力桩侧壁对土体的作用力有竖向摩擦力V
side
，水平土压力H
side
；桩底对土体的作用力有等效竖向荷载V
base
，水平滑移荷载H
base
，倾覆力矩M
base
；以及H
LRP
＝M
LRP
＝0时，竖向拉伸荷载V
ult，t
在不同土以及桩体不同位置发生空化的情况下的求解。
[0010]在本专利技术一实施例中，所述方法还包括：
[0011]步骤S4、承载力判断：根据静力平衡条件，对水平向、竖向以及弯矩列平衡方程，求
得桩体水平承载力H
other
、竖向承载力V
other
和抗弯承载力M
other
的计算值，若计算值大于实际吸力桩受到的荷载，则设计的桩体承载力符合要求，否则应返回步骤S2重新设置吸力桩尺寸，直到计算值满足条件。
[0012]在本专利技术一实施例中，所述步骤S3中，关于吸力桩侧壁对土体的竖向摩擦力V
side
按不排水粘土条件和排水砂土条件分为：
[0013]不排水粘土条件下：
[0014]V
side
＝(πDh)αs
u1
ꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0015]式中，α——黏着系数；
[0016]D——吸力桩桩体外径；
[0017]S
u1
——土体不排水抗剪强度；
[0018]排水砂土条件下：
[0019][0020]其中，γ
′
——土体有效重度；Ktanδ——吸力桩基础承载力分析中使用的摩擦系数，K为土的侧压力系数，δ为土的有效内摩擦角。
[0021]在本专利技术一实施例中，所述步骤S3中，关于吸力桩侧壁的水平土压力H
side
按下列条件进行区分计算：
[0022]对于不排水条件下的分析，除了最软的粘土外，假设在极限水平荷载条件下，吸力桩主动侧出现张裂缝的情况下，吸力桩被动侧的静水平承载力宜按下列公式计算：
[0023][0024]水平荷载有效作用深度的位置取决于不排水强度随深度的变化；给出不排水强度为s
u
＝s
u0
+ρz时，则：
[0025][0026][0027][0028]水平荷载的有效作用深度位置为：
[0029][0030]式中，s
u0
——初始不排水强度；
[0031]ρ——土体重度；
[0032]z——水平荷载作用深度。
[0033]在砂土中，吸力桩桩壁可能承受主动土压力或被动土压力，其水平承载力为：
[0034][0035]主动和被动土压力系数根据标准表达式进行估算，为土体的有效内摩擦角。
[0036]在本专利技术一实施例中，所述步骤S3中，关于桩底对土体的等效竖向荷载V
base
按下列条件进行计算：
[0037]在不排水条件下，且抗剪强度随深度分布较均匀时，吸力桩等效竖向荷载：
[0038]V
base
＝A
eff
(N
c
s
u2
(1+s
ca
+d
ca
‑
i
ca
)
±
γ
′
h)
ꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0039]式中，N
c
——承载力经验系数，N
c
＝2+π≈5.14；
[0040]s
u2
——地基基础不排水抗剪强度；
[0041]s
ca
——形状影响系数，
[0042]d
ca
——深度影响系数，
[0043]i
ca
——倾斜影响系数，如果不考虑水平荷载，公式中i
ca
取值为0；
[0044]在吸力桩桩端排水条件下：
[0045][0046]式中，N
q
和N
γ
为承载力经验系数，为土体的有效内摩擦角；
[0047]s
q
和s
γ
为形状影响系数，B
′
、L分别为基础宽度和长度；
[0048]d
q
和d
r
为深度影响系数，d
r
取1；
[0049]i
q
与i
γ
为荷载倾角影响系数，如果忽略水平荷载，i
q
、i
γ
取值为1.0；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种海上风电吸力桩基础承载力简化计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1、输入基础参数：根据吸力桩上部结构与风浪流荷载确定吸力桩顶部竖向荷载、水平荷载以及弯矩；根据室内试验与现场试验获取桩基位置处海底土壤物理力学性质与基础参数，以及土层类型；步骤S2、设计吸力桩桩型：初步设计吸力桩桩长及桩径；步骤S3、求解吸力桩侧壁与桩底对土体的作用力：将吸力桩基础和桩内土体视为整体，则吸力桩侧壁对土体的作用力有竖向摩擦力V
side
，水平土压力H
side
；桩底对土体的作用力有等效竖向荷载V
base
，水平滑移荷载H
base
，倾覆力矩M
base
；以及吸力桩顶部水平荷载H
LRP
＝吸力桩顶部弯矩M
LRP
＝0时，竖向拉伸荷载V
ult，t
在不同土以及桩体不同位置发生空化的情况下的求解。2.根据权利要求1所述的一种海上风电吸力桩基础承载力简化计算方法，其特征在于，所述方法还包括：步骤S4、承载力判断：根据静力平衡条件，对水平向、竖向以及弯矩列平衡方程，求得桩体水平承载力H
other
、竖向承载力V
other
和抗弯承载力M
other
的计算值，若计算值大于实际吸力桩受到的荷载，则设计的桩体承载力符合要求，否则应返回步骤S2重新设置吸力桩尺寸，直到计算值满足条件。3.根据权利要求1所述的一种海上风电吸力桩基础承载力简化计算方法，其特征在于，所述步骤S3中，关于吸力桩侧壁对土体的竖向摩擦力V
side
按不排水粘土条件和排水砂土条件分为：不排水粘土条件下：V
side
＝(πDh)αs
u1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)式中，α——黏着系数；D——吸力桩桩体外径；S
u1
——基础不排水抗剪强度；h——吸力桩入土深度；排水砂土条件下：其中，γ
′
——土体有效重度；Ktanδ——吸力桩基础承载力分析中使用的摩擦系数，K为土的侧压力系数，δ为土的有效内摩擦角。4.根据权利要求3所述的一种海上风电吸力桩基础承载力简化计算方法，其特征在于，所述步骤S3中，关于吸力桩侧壁的水平土压力H
side
按下列条件进行区分计算：对于不排水条件下的分析，除了最软的粘土外，假设在极限水平荷载条件下，吸力桩主动侧出现张裂缝的情况下，吸力桩被动侧的静水平承载力宜按下列公式计算：水平荷载有效作用深度的位置取决于不排水强度随深度的变化；给出不排水强度为s
u
＝s
u0
+ρz时，则：
式中，s
u0
——初始不排水强度；ρ——土体重度；z——水平荷载作用深度；水平荷载的有效作用深度位置为：在砂土中，吸力桩桩壁可能承受主动土压力或被动土压力，其水平承载力为：主动和被动土压力系数根据标准表达式进行估算，为土体的有效内摩擦角。5.根据权利要求4所述的一种海上风电吸力桩基础承载力简化计算方法，其特征在于，所述步骤S3中，关于桩底对土体的等效竖向荷载V
base
按下列条件进行计算：在不排水条件下，且抗剪强度随深度分布较均匀时，吸力桩等效竖向荷载：V
base
＝A
eff
(N
c
s
u2
(1+s
ca
+d
ca
‑
i
ca
)+γ
′
h
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)式中，N
c
——承载力经验系数，N
c
＝2+π≈5.14；s
u2
——地基基础不排水抗剪强度；s
ca
——形状影响系数，d
ca
——深度影响系数，i
ca
——倾斜影响系数，如果不考虑水平荷载，公式中i
ca
取值为0；在吸力桩桩端排水条件下：式中，N
q
和N
γ
为承载力经验系数，为承载力经验系数，为土体的有效内摩擦角；s
q
和s
γ
为形状影响系数，B
′
、L分别为基础宽度和长度；d
q
和d
r
为深度影响系数，d
r
取1；
i
q
与i
γ
为荷载倾角影响系数，如果忽略水平荷载，i
q
、i
γ
取值为1.0；如果不考虑吸力桩顶部作用的倾覆力矩M
b...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋启明，刘蔚，陈志冰，蔡天清，
申请(专利权)人：福建永福电力设计股份有限公司，
类型：发明
国别省市：