CN106570323A - 大直径复合式筒型基础竖向承载力的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了提供一种大直径复合式筒型基础竖向承载力的计算方法，在分析大量试验数据的基础上，结合经典迈耶霍夫承载力理论，分析筒内土体与筒形基础竖向承载特性的联系，基于筒内土体不完全联动的思想提出土体破坏率，对承载力相关系数进行修正，提出竖向承载力计算方法，旨在实现对筒形基础竖向承载力进行准确计算，对海上风电复合式筒形基础安全运行具有十分重要的意义。

Description

大直径复合式筒型基础竖向承载力的计算方法

技术领域

本发明属于建工技术领域，特别是涉及一种结合筒内土体破坏率的大直径复合式筒型基础竖向承载力的计算方法。

背景技术

大直径复合式筒型基础是一种新型的海上风电基础，因其具有较大的直径，并在基础边缘有一定深度的筒壁，使得该型基础的竖向承载模式既不同于无筒壁的圆形浅基础，也异于相同高径比的圆形墩式基础。而针对筒型基础的地基稳定性的模型试验研究较少，以大直径复合式筒型基础为主要研究对象地基稳定性模型试验并没有展开，尚无完整的试验数据。由于大直径复合式筒型基础在整体上属于浅基础，而在其周围的筒壁处又兼有深基础的承载特点，因此其竖向荷载的承载模式尚不清楚，针对其竖向承载力的验算也缺乏相应的理论方法。同时没有相关工程技术资料可以参考，因此急需一种较为准确的计算大直径复合式筒型基础竖向承载力的方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种大直径复合式筒型基础竖向承载力的计算方法，在分析大量试验数据的基础上，结合经典迈耶霍夫承载力理论，分析筒内土体与筒形基础竖向承载特性的联系，基于筒内土体不完全联动的思想提出土体破坏率，对承载力相关系数进行修正，提出竖向承载力计算方法，旨在实现对筒形基础竖向承载力进行准确计算，对海上风电复合式筒形基础安全运行具有十分重要的意义。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种大直径复合式筒型基础竖向承载力的计算方法，包括以下步骤：

(1)根据复合式筒形基础的设计参数进行缩尺模型试验；

(2)通过缩尺模型试验得到迈耶霍夫承载模式下筒形基础的分区，由此得到缩尺模型试验高径比下筒形基础的土体破坏率η；之后根据该土体破坏率η对筒形基础的承载力系数N_γ、N_q进行修正，得到土体破坏率η与修正后的迈耶霍夫承载力系数N_γ、N_q的对应关系；

(3)依照缩尺模型试验确定的土体破坏率η确定修正后的承载力系数N_q和N_γ，进而计算筒形基础的筒端承载力，筒形基础的筒端承载力＝q_uA_环，其中A_环为筒形基础底部环形面积，q_u＝cN_c+σ₀N_q+0.5γBN_γ

(4)计算筒形基础的筒壁侧摩擦力Q_总＝f_sA_s

(5)计算筒型基础的竖向承载力Q_u＝Q_总+q_uA_环。

在上述技术方案中，对于修正后的迈耶霍夫承载力系数N_q＝-(f₀+f₄+f₅)，N_γ＝-(f₁+f₂+f₃)，其中：

其中δ的求解方法为：对角度δ进行迭代求解，δ的范围为0～π/2，根据下式计算基础试算高度H_m；

判断H_m是否满足|H-H_m|≤1％H，其中H为筒形基础高度；若满足，取H_m所对应的δ；若不满足，重复上述计算，直到得出合适的δ。

在上述技术方案中，筒壁侧摩擦力Q_总＝f_sA_s，其中A_s——筒的侧表面积，

当在粘性土层时，筒壁单位面积土体阻力按下式计算：

f_s＝αS_u

式中：α——无量纲系数；S_u——计算点土的不排水剪切强度，

系数α或由下式计算：

α＝0.5Ψ^0.5，Ψ≤1.0

α＝0.5Ψ^0.25，Ψ＞1.0

限制条件是α≤1.0

式中：Ψ——计算点处的c/P＇_o；c——黏土的黏聚力，P＇_o——计算点的有效上覆土压力。

当进入砂性土层时，筒壁单位面积土体阻力按下式计算：

f_s＝KP＇_otanδ

式中：K——侧向土压力系数，建议取0.8-1；

P＇_o——计算点的有效上覆土压力；

δ——土和筒壁之间的摩擦角。

本发明的优点和有益效果为：

本发明的计算大直径复合式筒型基础竖向承载力的方法，基于迈耶霍夫承载力理论，结合缩尺的模型试验结果对理论中的承载力系数进行修正，进而提出的准确计算大直径复合式筒型基础竖向承载力的方法。本发明适用于大直径复合式筒型基础竖向承载力的计算，具有相当的准确性。对海上风电安全稳定运行具有重要的意义。

附图说明

图1是迈耶霍夫深基础承载模式简图；

图2是迈耶霍夫承载模式下筒形基础的分区；

图3是迈耶霍夫承载模式下筒形基础的分区；

图4迈耶霍夫承载力系数N_c、N_q、N_γ与β、m的关系曲线。(a)N_c与β、m关系曲线；(b)N_q与β、m关系曲线；(c)N_γ与β、m关系曲线。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的计算大直径复合式筒型基础竖向承载力的方法做出详细说明。

本发明的大直径复合式筒型基础竖向承载力的计算包括筒形基础的筒壁侧摩擦力计算和筒形基础的筒端承载力计算。

一、筒壁侧摩擦力的计算方法：

筒壁侧摩擦力Q_总＝f_sA_s，其中A_s——筒的侧表面积，

当在粘性土层时，筒壁单位面积土体阻力按下式计算：

f_s＝αS_u (1)

式中：α——无量纲系数；S_u——计算点土的不排水剪切强度，

系数α或由下式计算：

α＝0.5Ψ^0.5，Ψ≤1.0

α＝0.5Ψ^0.25，Ψ＞1.0

限制条件是α≤1.0

式中：Ψ——计算点处的c/P＇_o；c——黏土的黏聚力，P＇_o——计算点的有效上覆土压力。

当进入砂性土层时，筒壁单位面积土体阻力按下式计算：

f_s＝KP＇_otanδ (2)

式中：K——侧向土压力系数，建议取0.8-1；

P＇_o——计算点的有效上覆土压力；

δ——土和筒壁之间的摩擦角。

二、筒形基础的筒端承载力计算如下：

筒形基础的顶板与泥面有一定的间隙，筒内土体不能与筒体共同运动，考虑使用迈耶霍夫深基础承载力公式计算。图1是迈耶霍夫深基础承载模式简图。其中B为筒形基础筒壁的厚度。

迈耶霍夫承载力公式：

q_u＝cN_c+σ₀N_q+0.5γBN_γ (3)

式中：N_c、N_q、N_γ——承载力系数，可查图4，其中m＝1，β＝90°；γ——环形底 板以下土体的容重；B——筒体的壁厚；σ₀——筒壁的侧向压力，σ₀＝k₀γD，K₀底层静止土压力系数，D为基础埋深，D＝BI(见图2)。

图2是迈耶霍夫承载模式下筒形基础的分区图，引入土体破坏率这一参数，记为η，来描述筒形基础内部土体非联动区范围的大小：

式中：IE表示筒形基础内非联动区土体高度，AB表示筒型基础半径。则筒形基础内非联动区高度为ηAB，联动区土体高度BI为(H-ηAB)。

图2中

式中l表示某特定线段与筒形基础半径的比值；

进而结合缩尺模型试验对该参数η进行率定，缩尺模型与原型基础成比例，因此认为缩尺模型的承载模式与原型基础相同，因此利用试验结果可以较准确的判断基础的承载模式及对应承载力系数的大小。具体计算方法是通过缩尺模型试验得到迈耶霍夫承载模式下筒形基础的分区(参见图2)，由此得到该高径比下筒形基础的土体破坏率η；之后利用该土体破坏率η对基础的承载力系数N_γ、N_q进行修正，得到土体破坏率η与修正后的迈耶霍夫承载力系数N_γ、N_q的对应关系，修正方法如下：

图2承载模式的未知变量仅有被动区中的角度δ，因此对角度δ进行迭代求解，δ的范围为0～π/2，根据下式(5)计算基础试算高度H_m；

判断H_m是否满足|H-H_m|≤1％H，其中H为筒形基础高度；若满足，取H_m所对应的δ；若不满足，重复上述计算，直到得出合适的δ；

如图3所示，以联动区OABED-OAB′E′D′为例，取微元dβ进行分析，则联动区OABED-OAB′E′D′的重力做功为：

其中V_{OADEB-O′A′D′E′B′}表示的是联动区OADEB-OAD′E′B′的体积，则：

因此得到

其中

在已知承载区域的前提下，根据上述分析方法，分析各承载区域重力做功，连续变形体的内力虚功(重力做功)等于外力虚功，建立相关关系，得到式(3)中承载力系数的确定方法，N_q＝-(f₀+f₄+f₅)，N_γ＝-(f₁+f₂+f₃)，式中各参数见下式：

根据上式计算出修正后的承载力系数N_γ、N_q，进而计算出相应的筒形基础的筒端承载力q_uA_环，其中A_环为筒形基础底部环形面积。

表1、表2是根据上述计算方法得到的土体破坏率η与修正后的迈耶霍夫承载力系数N_γ、N_q的对应关系表。

表1 η对迈耶霍夫承载力系数N_γ的修正

表2 η对迈耶霍夫承载力系数N_q的修正

实际应用实例

选取某风电项目区域土层资料及筒形基础参数进行计算。根据钻孔揭露的地层结构、岩层特征、埋藏条件及物理力学性质，结合区域地质资料，勘探深度内(勘探孔深最深92.70m)均为第四系沉积物。本场区勘探深度范围内上部为全新世(Q4)河口～滨海相沉积的淤泥、、淤泥质粘土、粘质粉土、粉质粘土等，下部为晚更新世(Q3)河口～滨海相沉积的粘质粉土、粉砂、粉质粘土、粉细砂。根据土性及物理力学性质细分为9个亚层，现自上而下分述如下：

①层淤泥(Q)：为新近沉积土，灰色，流塑，含少量有机质，高压缩性，工程性能极差。全区分布，层厚3.10～3.80m。

②-2层淤泥质粘土(Q4)：滨海相沉积，灰色，流塑，高压缩性。局部夹薄层状粉土，含有机质、云母及少许贝壳残体，土芯掰开断面呈鱼鳞片状。层厚8.50～19.40m。

③-1层粉质粘土夹粘质粉土(Q4)：灰色，软塑，含云母、贝壳残体、石英颗粒等，层状结构，局部夹少量粉砂。层厚7.20～15.30m。

③-2层粉质粘土(Q4)：灰色，软塑，具高压缩性，含少量云母、贝壳碎屑等，局部夹薄层状粉砂。层厚4.70～15.70m。

③-3层淤泥质粉质粘土(Q4)：灰色，流塑，高压缩性，含少量云母、有机质等，土芯掰开呈鱼鳞片状，局部夹稍密状粘质粉土团块。仅ZK4孔揭露该层，层厚14.10m。

④-1层粘质粉土(Q4)：黄色，灰色，稍密为主，局部中密，很湿，中等偏高压缩性，含石英、云母碎片，层状结构，局部夹薄层状粘性土，层厚3.10～15.30m。

④-2层粘质粉土(Q3)：灰色，中密为主，湿，具中等压缩性，层状结构，含石英、云母等有机质。层厚6.80～22.40m。

④-3层粉砂(Q3)：灰色，密实，饱和，含石英、云母等碎片，局部夹少量粘性土。层厚2.70～26.80m。

⑤-1层粉质粘土灰色，可塑，具中等压缩性，含有腐殖质，局部夹粗砂。层厚5.90～19.60m。

⑤-3层粉细砂(Q3)：灰色，密实，饱和，中等偏低压缩性，含云母、石英颗粒、贝壳残体等，局部夹少量粘性土薄层。揭露最大厚度19.40m(未揭穿)。

表3 基础参数表

根据筒型基础的结构形式以及拟安装区域的工程地质情况进行承载力分析，验算中涉及的土体参数见表4。

表4 土体参数

根据承载力极限工况，将验算涉及的计算荷载及其作用点位置列于表5。

表5 计算荷载

注：作用点位置为距基础底面高度

竖直向承载力验算

根据迈耶霍夫提出的承载力理论按筒形基础承载模式进行地基极限承载力计算：

筒型基础端部极限承载力：

根据迈耶霍夫理论，取β＝90°。

静止土压力系数

查图4得N_q＝124，N_γ＝112，

经缩尺模型试验结果得到η＝27.9％，修正承载力系数为N_q＝14.79，N_γ＝32.33，

B＝0.025m，土层等效容重γ₀＝8.448kN/m³

筒形基础的筒端承载力q_uA_环＝1145.86kN

筒形基础的筒壁侧摩擦力Q_总＝f_sA_s＝32284.14kN

筒型基础的极限承载力Q_u＝Q_总+q_uA_环＝33430kN

经校核，基础总的竖向荷载为20786.71kN＜Q_u/N＝22286.67kN(设计中按下式验算地基承载力：F≤(q_uA_环+Q_总)/N；N为安全系数，建议取为1.5)。因此该筒形基础竖向承载力满足运行要求。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种大直径复合式筒型基础竖向承载力的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据复合式筒形基础的设计参数进行缩尺模型试验；

(2)通过缩尺模型试验得到迈耶霍夫承载模式下筒形基础的分区，由此得到缩尺模型试验高径比下筒形基础的土体破坏率η；之后根据该土体破坏率η对筒形基础的承载力系数N_γ、N_q进行修正，得到土体破坏率η与修正后的迈耶霍夫承载力系数N_γ、N_q的对应关系；

(3)依照缩尺模型试验确定的土体破坏率η确定修正后的承载力系数N_q和N_γ，进而计算筒形基础的筒端承载力，筒形基础的筒端承载力＝q_uA_环，其中A_环为筒形基础底部环形面积，q_u＝cN_c+σ₀N_q+0.5γBN_γ

(4)计算筒形基础的筒壁侧摩擦力Q_总＝f_sA_s

(5)计算筒型基础的竖向承载力Q_u＝Q_总+q_uA_环。

2.根据权利要求1所述的大直径复合式筒型基础竖向承载力的计算方法，其特征在于：

修正后的迈耶霍夫承载力系数N_q＝-(f₀+f₄+f₅)，N_γ＝-(f₁+f₂+f₃)，其中：

$f_1=\frac{1}{3}{l}_{OD}^{3}tan\mathrm{\φ}$

其中δ的求解方法为：对角度δ进行迭代求解，δ的范围为0～π/2，根据下式计算基础试算高度H_m；

$H_m=\frac{EG}{AB}sin\mathrm{\δ}$

判断H_m是否满足H-H_m≤1％H，其中H为筒形基础高度；若满足，取H_m所对应的δ；若不满足，重复上述计算，直到得出合适的δ。

3.根据权利要求1所述的大直径复合式筒型基础竖向承载力的计算方法，其特征在于：

当在粘性土层时，筒壁单位面积土体阻力按下式计算：

f_s＝αS_u

式中：α——无量纲系数；S_u——计算点土的不排水剪切强度，

系数α或由下式计算：

α＝0.5Ψ^0.5，Ψ≤1.0

α＝0.5Ψ^0.25，Ψ＞1.0

限制条件是α≤1.0

式中：Ψ——计算点处的c/P′_o；c——黏土的黏聚力，P′_o——计算点的有效上覆土压力。

当进入砂性土层时，筒壁单位面积土体阻力按下式计算：

f_s＝KP′_otanδ

式中：K——侧向土压力系数，建议取0.8-1；

P′_o——计算点的有效上覆土压力；

δ——土和筒壁之间的摩擦角。