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海上风电桩基础贯入特性研究

海上风电桩基础贯入特性研究

作者：周树津华南理工大学

学位级别：硕士

海上风电的开发是我国加快建设海洋强国的重要举措,而海上风电的快速发展离不开经济、安全的基础结构建设。海洋桩基础的贯入问题是近年来海洋岩土工程研究的热点问题,它关系到基础的设计、施工设备的选型以及确定安装技术参数等各个方... 详细信息

海上风电的开发是我国加快建设海洋强国的重要举措,而海上风电的快速发展离不开经济、安全的基础结构建设。海洋桩基础的贯入问题是近年来海洋岩土工程研究的热点问题,它关系到基础的设计、施工设备的选型以及确定安装技术参数等各个方面。基础在施工过程中对周围土体产生扰动,土体流动特性和贯入阻力特性变得更加复杂,同时还可能会对邻近的结构物造成影响。基于此,本文通过耦合的欧拉-拉格朗日方法,对海上风电桩基础的沉桩贯入问题进行了一系列的研究工作,具体内容有:(1)对桶形基础和纺锤型桩靴基础贯入的数值计算结果与已有文献中对应的离心机和现场试验结果进行对比,吻合程度较高,验证了本文数值模型的准确性和可靠性。(2)通过模拟在含有砂土夹层的非均质黏土中桶型基础的贯入过程,研究桶形基础在层状土中贯入的土体流动特性,分析不同土层之间的相互作用对贯入阻力的影响。研究发现,桶形基础贯入黏土-砂土-黏土地基的破坏机制及相应的贯入阻力与在纯黏土或纯砂土地基中贯入明显不同,特别是在中间砂层部分,如果不考虑底层软弱黏土的削弱作用,使用当前的设计规范计算,贯入阻力峰值可能被高估10%～40%。根据大量数值仿真研究,更为精确的贯入阻力计算模型被提出。(3)通过建立大变形有限元模型研究了带有板眼加劲肋的桶形基础在非均质黏土中的贯入特性。对加劲肋的几何尺寸、土体强度以及应变软化效应进行参数分析,研究发现,加劲肋对桶形基础的土体流动机制以及贯入阻力有很大影响。贯入初始阶段土体能够垂直于加劲肋而不发生坍塌,在加劲肋上方形成空腔;随着贯入深度增加,土体强度不足以维持直立的土墙,加劲肋周围土体出现旋转流动机制,上部土体开始向空腔内回流。对大量数值仿真结果进行统计,得到沉桩贯入过程中土体流动机制,并根据其土体流动特性,提出贯入阻力的计算方法。(4)模拟风机吊装船的纺锤型桩靴基础在均质黏土中的贯入过程,探究桩靴贯入对既有桶形基础的影响。研究发现,桩靴贯入过程中桶形基础的变形与土体流动机制密切相关。桩靴与桶形基础的距离是影响桩靴-桶形基础相互作用的关键因素,并且在一倍桩靴直径范围内,桶形基础的偏转角度可能相当大,特别是对于长细比较小的桶形基础和在硬黏土中。基于有限元数值结果,得到桩靴贯入对桶形基础影响的破坏模式,并建立桶形基础偏转角度的计算方法。

关键词：大变形有限元耦合的欧拉-拉格朗日方法海洋桩基础贯入特性

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岩土工程下沉贯入数值模拟方法研究进展

力学与实践 2016年第3期38卷 237-249,236页

作者：闫澍旺霍知亮天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室天津300072 天津市市政工程设计研究院天津300051

岩土工程下沉贯入领域的数值分析,由于结构物贯入时网格变形过大而产生扭曲畸变等问题,常会造成收敛困难甚至计算结果失真.采用合适的数值方法分析此类问题颇具挑战性.本文系统介绍了近年来对于岩土下沉贯入数值模拟的研究现状和发展动... 详细信息

岩土工程下沉贯入领域的数值分析,由于结构物贯入时网格变形过大而产生扭曲畸变等问题,常会造成收敛困难甚至计算结果失真.采用合适的数值方法分析此类问题颇具挑战性.本文系统介绍了近年来对于岩土下沉贯入数值模拟的研究现状和发展动态,对各种数值模拟方法的相关原理、主要特征以及优缺点进行简要的探讨.并简要介绍耦合的欧拉-拉格朗日(coupled Eulerian--Lagrangian,CEL)有限元法的基本原理,通过不排水条件下的条形基础贯入问题和砂土中桩的静压下沉示例分析,表明CEL有限元法在模拟岩土贯入问题时计算结果的准确性和较其他模拟方法的优势.文中所阐述的岩土贯入分析数值模拟方法可供从事岩土贯入分析的相关学者借鉴参考.

关键词：岩土工程贯入数值分析任意拉格朗日-欧拉方法网格重划分耦合的欧拉-拉格朗日方法

桶形基础贯入过程及桶壁贯入效应对基础稳定性的影响研究

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桶形基础贯入过程及桶壁贯入效应对基础稳定性的影响研究

作者：卢玉敏天津大学

学位级别：硕士

桶形结构基础由于具有造价低、安装时间短和承载能力好等优点,已经广泛应用在各类海洋工程中,围绕桶形基础的制作、下沉安装、使用以及再利用等一系列过程中的问题也成为了学术和工程领域关注的焦点。其中,桶形基础的下沉安装以及安装... 详细信息

桶形结构基础由于具有造价低、安装时间短和承载能力好等优点,已经广泛应用在各类海洋工程中,围绕桶形基础的制作、下沉安装、使用以及再利用等一系列过程中的问题也成为了学术和工程领域关注的焦点。其中,桶形基础的下沉安装以及安装之后的稳定性是施工和设计中的重点和难点。一方面,桶形基础安装过程中受到的贯入阻力直接影响着基础的下沉行为,而贯入阻力受端部承载力系数、土性特性及土体流动机理等因素的影响,同时,由于桶壁对土体的挤压作用,还会产生桶内土体雍高现象,影响基础的安装深度;另一方面,基础的稳定性影响着结构物的使用安全,但在以往对桶形基础的数值研究中,往往忽略其安装过程对下沉后基础稳定性的影响,事实上,基础安装过程中伴随着的桶内土体雍高和桶壁周围土体软化的现象,无疑会影响到基础的承载特性。基于此,本文对桶形基础的下沉过程和下沉后的基础稳定性问题开展了一系列的研究工作,主要内容有:（1）利用ABAQUS中的二次开发模块VUSDFLD,在CEL方法中实现了土体应变软化、率效应模型,并进行了验证;通过图形界面处理和插值,实现了土体自由表面边界和土体强度从欧拉模型到小变形拉格朗日模型中的导入,从而能够在考虑贯入效应的基础上计算桶形基础的承载力。（2）运用CEL方法模拟了离心机试验中桶形基础安装过程,验证了模拟的的有效性;考察了不同参数时的基础贯入阻力以及桶内土体雍高高度,并对不同参数条件时的端部承载力系数和桶壁侧摩阻力的计算公式进行了修正,从而得到了基础的贯入总阻力修正计算公式;拟合了桶内土体雍高体积的计算公式,以此为基础建立了桶内土体雍高高度预测公式。（3）分析了桶壁贯入过程中产生的贯入效应,接着通过对比假设桶为预埋时和考虑桶壁的贯入效应时两种情况的基础单向承载力和破坏包络面,分析了贯入效应对下沉后基础承载力的影响,并对结构与土体的相互作用模式进行了分析,解释了贯入效应对基础承载特性的影响机理。（4）围绕桶壁贯入效应对下沉后基础承载力的影响进行了参数考察,分析了不同参数条件下贯入效应对基础单向承载力和HM破坏包络面的影响,并根据分析结果,拟合了考虑桶壁贯入效应时基础的单向承载力和HM包络面的计算公式。

关键词：桶形基础耦合的欧拉-拉格朗日方法土体软化和率效应贯入阻力贯入效应承载力

回转体入水冲击运动响应数值仿真与半理论公式预报研究

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回转体入水冲击运动响应数值仿真与半理论公式预报研究

作者：张明哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

结构入水问题一直是学术研究者关注的典型工程问题,结构入水研究在航空航天、船舶海洋等领域都具有十分广泛的应用,结构在入水过程中与水面接触时产生剧烈的冲击载荷,冲击载荷可能导致结构的局部破坏或整体破坏,也同时会对结构物的入水... 详细信息

结构入水问题一直是学术研究者关注的典型工程问题,结构入水研究在航空航天、船舶海洋等领域都具有十分广泛的应用,结构在入水过程中与水面接触时产生剧烈的冲击载荷,冲击载荷可能导致结构的局部破坏或整体破坏,也同时会对结构物的入水运动轨迹产生影响。准确的预测入水轨迹以及入水产生的砰击载荷是研究入水问题亟需掌握的关键技术之一。本文采用耦合的欧拉-拉格朗日(CEL)分析方法,结合Abaqus软件的用户二次开发,实现对于回转体结构入水过程的数值模拟。分析结构响应受到入水初始攻角、初始速度角、初始速度及浪流载荷作用的影响规律。为了防止入水触底或结构破坏,提出通过改变初始入水条件以降低入水过程中的垂向位移和加速度载荷的可行性方案,为船舶与海洋结构物的结构设计和优化提供参考。首先,根据回转体结构入水的特点,选取了CEL分析方法作为研究结构入水的数值分析方法;应用CEL方法对回转体结构入水冲击响应以及入水空泡特性进行了仿真模拟,并与实验结果和其他数值方法进行对比,验证了模型的正确性和高效性;结合Abaqus软件的二次开发,建立了回转体结构入水冲击有限元数值仿真模型及回转体结构入水仿真分析程序。其次,应用CEL方法针对于静水条件下回转体结构入水响应特性进行分析。选取结构入水典型工况的冲击响应进行详尽分析说明,对于结构入水过程中出现的典型现象进行描述;之后开展初始入水攻角、初始入水姿态角和初始入水速度对于入水冲击特性影响的研究,提取结构入水的结构响应变化并总结回转体入水初始条件对于入水响应的影响规律,提出通过改变入水初始条件以降低入水响应的可行性方法。再次,在静水条件下入水冲击响应数值仿真分析结果的基础上,研究了入水冲击响应半理论公式预报方法。根据结构入水的初始条件,对结构体入水的速度衰减曲线进行理论预报;在已有的数值仿真结果的基础上,分析初始入水速度和初始攻角对于加速度峰值变化的影响规律,归纳得到无因次速度因数和无因次攻角因数并绘制加速度峰值预报曲线公式;根据无因次速度因数和无因次攻角因数,推导加速度载荷峰值随初始速度和初始攻角变化的预报曲面公式。最后,应用CEL数值模拟方法针对存在浪流作用的海况下回转体结构入水开展研究工作。分析了只存在波浪的情况下,入水位置和波高对于结构入水响应的影响;分析了只存在海流的情况下,海流流向对于结构入水响应的影响。在前文研究的基础上,将浪流作用叠加在一起,分析浪流联合作用的复杂海况下,结构入水冲击响应受到的影响。为复杂浪流海况下结构入水过程设计提供降低垂向位移或加速度峰值的参考方案。

关键词：结构入水冲击运动响应耦合的欧拉-拉格朗日方法半理论公式预报