海上風(fēng)電機(jī)組超大直徑高樁水平循環(huán)累積變形特性研究

直徑為3-8m的超大直徑單樁基礎(chǔ)是目前國際上應(yīng)用最廣泛的海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)型式。風(fēng)機(jī)機(jī)組對傾斜度有嚴(yán)格的控制要求，使得風(fēng)浪長期循環(huán)荷載作用下基礎(chǔ)變形控制成為風(fēng)機(jī)超大直徑單樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。 通過測風(fēng)塔實(shí)測了近海持續(xù)一年的風(fēng)荷載，提出了海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)靜力和循環(huán)荷載計(jì)算方法。針對目前通用API規(guī)范p-y曲線不適用于分析大直徑樁基的缺陷，通過理論分析和實(shí)測樁土橫向相互作用力，揭示了API規(guī)范p-y曲線初始剛度過大的不足，發(fā)現(xiàn)了單樁水平地基反力常數(shù)與樁身變形和直徑比值在對數(shù)坐標(biāo)上的線性關(guān)系，分別提出了粉土和砂土地基中超大直徑單樁基礎(chǔ)的水平地基反力常數(shù)表達(dá)式，為超大直徑單樁受力變形分析提供了有效的樁土相互作用分析模型。在此基礎(chǔ)上，建立了超大直徑剛性樁水平荷載-位移關(guān)系解析分析方法及柔性樁彈性地基梁簡化分析方法，得到了大型物理模型試驗(yàn)的驗(yàn)證，為超大直徑單樁工程設(shè)計(jì)提供了一整套分析方法。研發(fā)了基礎(chǔ)長期循環(huán)加載裝置，分別開展了剛性樁常重力循環(huán)加載模型試驗(yàn)、柔性樁超重力循環(huán)加載模型試驗(yàn)及現(xiàn)場海洋大直徑樁基循環(huán)加載試驗(yàn)，獲得了風(fēng)機(jī)超大直徑單樁循環(huán)累積變形與剛度偏移規(guī)律并建立了相應(yīng)的分析方法，提出了超大直徑單樁加翼控制變形關(guān)鍵技術(shù)。集成了《大型近海風(fēng)機(jī)荷載分析及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)軟件（OWTLFDesign）》。研究成果成功應(yīng)用于我國渤海、黃海、東海和南海四大海域的河北樂亭、江蘇射陽、浙江拷門、廣東桂山等海上風(fēng)電場工程，解決了我國海上風(fēng)電場建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)難題，取得了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。 在國內(nèi)外重要學(xué)術(shù)期刊和會(huì)議上發(fā)表相關(guān)論文12篇（均標(biāo)注本項(xiàng)目資助），項(xiàng)目負(fù)責(zé)人均為第一作者，其中在《Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE》、《Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering, ASCE》及《Canadian Geotechnical Journal》上發(fā)表論文4篇（SCI收錄），在《巖土工程學(xué)報(bào)》上發(fā)表論文5篇（EI收錄）。另投稿國際期刊論文2篇、國內(nèi)期刊論文3篇。獲授權(quán)國家專利3項(xiàng)，獲國家計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)登記證書1部。作為重要科技創(chuàng)新內(nèi)容獲2011年高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)（項(xiàng)目負(fù)責(zé)人排名第2）。 2100433B

大力發(fā)展海上風(fēng)能，對于改善我國能源結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。直徑3～5m的超大直徑單樁基礎(chǔ)（monopile）是目前海上風(fēng)電機(jī)組的主要基礎(chǔ)型式，其在風(fēng)壓傾覆彎矩與風(fēng)暴潮循環(huán)荷載耦合作用下的累積變形特性是需解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。. 本項(xiàng)目從海上風(fēng)電機(jī)組超大直徑單樁基礎(chǔ)受荷特性出發(fā)，根據(jù)相應(yīng)的高樁大比例模型試驗(yàn)和三維非線性數(shù)值分析方法，提出水平單調(diào)荷載作用下超大直徑高樁基礎(chǔ)受力和變形的分析模型；在此基礎(chǔ)上開展針對海上風(fēng)電機(jī)組高樁基礎(chǔ)的水平循環(huán)大比例模型試驗(yàn)，結(jié)合基于室內(nèi)循環(huán)三軸試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)值分析方法，深入揭示海上大型風(fēng)電機(jī)組高樁基礎(chǔ)的樁周土反力循環(huán)弱化機(jī)理及循環(huán)累積變形特性，并提出相應(yīng)的高樁循環(huán)累積變形分析和設(shè)計(jì)方法，無疑將極大地豐富和發(fā)展復(fù)雜荷載作用下樁基的水平變形分析理論，為海上風(fēng)電機(jī)組樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供必要的科學(xué)依據(jù)，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

《海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)》可作為高等院校相關(guān)專業(yè)的通用教材，也可供從事海上風(fēng)電工程領(lǐng)域，尤其是海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)建設(shè)的工程技術(shù)人員參考。

累積變形加載真三軸試驗(yàn)箱專利目的

《累積變形加載真三軸試驗(yàn)箱》提供了一種累積變形加載真三軸試驗(yàn)箱，利用具有良好韌性的液壓鋼囊所產(chǎn)生的變形累積對巖石試件進(jìn)行“內(nèi)部加壓”，能夠進(jìn)行不同巖性尺寸試件的試驗(yàn)，結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低，試驗(yàn)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，操作便捷。

累積變形加載真三軸試驗(yàn)箱技術(shù)方案

《累積變形加載真三軸試驗(yàn)箱》采用以下技術(shù)方案：

累積變形加載真三軸試驗(yàn)箱，包含有底座、箱體、箱蓋、液壓鋼囊和手動(dòng)壓頭，所述箱體固定設(shè)置于底座，所述箱蓋固定在箱體頂部并可拆卸，所述箱體內(nèi)部中心位置用于放置試件，所述試件四面及頂部設(shè)置有多個(gè)液壓鋼囊，所述設(shè)置于試件四面和頂部的液壓鋼囊外圍分別設(shè)置有墊塊，所述液壓鋼囊通過進(jìn)油管、出油管與外部油壓控制裝置的油管連接，所述手動(dòng)壓頭設(shè)置為兩個(gè)，分別通過箱體的相鄰兩側(cè)面旋入箱體內(nèi)，通過墊塊間接對液壓鋼囊進(jìn)行擠壓。

所述箱體呈方體對稱結(jié)構(gòu)，其底部四角分別設(shè)置有立柱，所述箱蓋上設(shè)置有與立柱相對應(yīng)的四個(gè)孔，并通過螺母將箱蓋固定于箱體頂部。

所述液壓鋼囊的囊體由兩塊尺寸相同鋼板四周邊緣焊接而成，所述液壓鋼囊的進(jìn)油管和出油管對稱設(shè)置，通過箱體底部的孔與外部油壓加壓裝置連接，并且每兩個(gè)相鄰液壓鋼囊的進(jìn)油管和出油管交錯(cuò)布置。

所述墊塊采用塊狀墊塊或板狀墊塊。

還包括有肋板，所述肋板分別與箱體和底座固定連接，用于對箱體的支護(hù)。

累積變形加載真三軸試驗(yàn)箱改善效果

《累積變形加載真三軸試驗(yàn)箱》改變傳統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)備中通過壓力機(jī)等外力給巖石試件施加壓力的方式，結(jié)構(gòu)簡單，利用設(shè)置于箱體內(nèi)試件周圍的液壓鋼囊產(chǎn)生的變形累積對試件進(jìn)行“內(nèi)部加壓”，只需與油壓加壓裝置配合使用，可承擔(dān)巖石的單軸、雙軸、三軸加載試驗(yàn)，也可承擔(dān)巖爆試驗(yàn)，也可通過控制其中單個(gè)液壓鋼囊的油壓對試件變形量進(jìn)行控制，進(jìn)行巖石卸載試驗(yàn)，結(jié)構(gòu)簡單，液壓鋼囊可根據(jù)試件變形量情況加工成適合的尺寸，成本低廉，操作方便但符合試驗(yàn)操作規(guī)范，試驗(yàn)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，適宜研究機(jī)構(gòu)推廣應(yīng)用。

圖1為《累積變形加載真三軸試驗(yàn)箱》整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為《累積變形加載真三軸試驗(yàn)箱》縱切面示意圖。