齿状截面吸力桩的沉贯机制的数值模拟与截面优化

作     者：王雪松 

作者单位：天津城建大学 

学位级别：硕士

导师姓名：鹿群;薛长迁

授予年度：2022年

学科分类：081505[工学-港口、海岸及近海工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0815[工学-水利工程] 0824[工学-船舶与海洋工程] 0814[工学-土木工程] 082401[工学-船舶与海洋结构物设计制造] 

主      题：吸力桩 负压沉贯 土体破坏 沉贯阻力 极限承载力 截面尺寸优化 

摘      要：近年来,随着传统发电形式受到的限制越来越多,以海上风电为代表的新型发电形式异军突起,迅速占领市场。而吸力桩作为海上风电基础中造价较低、适应性较广、工序流程较为简单、绿色可持续利用的一种,在未来具有良好的发展前景。相对于较为传统的圆形截面吸力桩,本文着重研究了新型的齿状截面吸力桩。根据课题组的研究,新型的齿状截面吸力桩相较于传统圆形截面吸力桩的优点主要是抗扭承载力有显著的增加,其次如果选对截面尺寸,其抗拔承载力也会有一定的增加。首先对于柳晓科文章中的裙式吸力桩拉拔室内模型试验进行了数值模拟和结果验证,得出裙式吸力桩的抗拔极限承载力相较于传统圆形截面吸力桩确有一定的提高,并且低裙式吸力桩的抗拔极限承载力相较于普通裙式吸力桩也有很大提高。另外数值模拟结果与柳晓科的试验结果验符合度极高,证明本文的数值模拟结果可靠。因为在实际工程中的土体均为在沉积作用下形成的成层土体,各层土的物理力学性质有很大不同,所以本文进行了实际海底成层土中的齿状截面吸力桩沉贯数值模拟,着重观察土层交界面处的参数变化,发现土体中的破坏区域集中在半土塞区域,并且由于各土层参数不一致,桩和土体会在局部发生分离。在本文最后,通过改变齿状截面吸力桩的齿长,分别以桩体截面周长和截面积作为控制变量,探究桩体贯入过程中的沉桩阻力和桩体拉拔时的抗拔承载力的变化规律,得到最优的齿状截面吸力桩的截面尺寸。模拟结果表明在齿状截面吸力桩桩体截面周长相等时,随着齿长增加,桩体承载力呈现先增后减的趋势,桩体贯入阻力呈现先减后增的趋势,桩体齿长为0.05倍同截面周长圆形截面吸力桩直径时桩体极限承载力提升最大且贯入阻力较小;在齿状截面吸力桩桩体截面积相等时,随着齿长增加,桩体极限承载力呈现先增后减的趋势,桩体贯入阻力持续增大,桩体齿长为0.05倍同截面周长圆形截面吸力桩直径时桩体极限承载力提升最大但贯入阻力略有增加。