CN117313500B - Gfrp吸力桶基础负压贯入过程的安全评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GFRP吸力桶基础负压贯入过程的安全评价方法,其属于海洋吸力桶基础技术领域,包括:建立GFRP吸力桶基础负压贯入均质黏土的有限元模型,将土性参数和桶材参数输入有限元模型中,根据有限元模型获取不同负压贯入吸力条件下GFRP吸力桶基础的最大应力,拟合得到最大应力fm与负压贯入吸力sr的函数关系式;吸力桶为薄壁圆筒结构,根据圆柱壳体受到轴压与环压联合作用下的弹性屈曲强度计算公式,计算吸力桶的弹性屈曲强度fE;当fm大于fE时,GFRP吸力桶基础在贯入过程处于不安全状态;当fm小于或等于fE时,GFRP吸力桶基础在贯入过程处于安全状态。
Description
技术领域
本发明涉及海洋吸力桶基础技术领域,尤其涉及一种GFRP吸力桶基础负压贯入过程的安全评价方法。
背景技术
基础作为海上风机上部结构的最终承担者,是风机结构安全稳定运行的关键。海上风机常用基础形式主要包括:重力式基础、单桩基础、导管架基础以及吸力桶基础。相比于其他类型基础,吸力桶基础具有土层适应性强、安装方便、施工周期短、可拆除重复使用等优点。近些年来,吸力桶基础已广泛应用于防波堤、固定和浮式海上风机、浮式油气平台的支撑结或锚泊基础,取得了良好的效果。
吸力桶基础是一种基于吸力原理的基础形式,其主要作用是通过在基础内部制造一定的负压,使得基础能够牢固地吸附在海洋底部。通常情况下,吸力桶的材质为金属或者混凝土等材料,尤其以钢材的吸力桶被广泛制造和应用,但是其运输和安装成本随着桶直径的提升显著增加,另外,传统的吸力桶基础存在着重量大、安装成本高等缺点,可循环利用性也差。
随着复合材料技术的发展,玻璃纤维增强塑料(GFRP)吸力桶基础因具有重量轻、防腐性能好、使用寿命长等优点,可以有效地提高海上风力发电机的可靠性和经济性而被制造和应用。但是GFRP吸力桶基础的刚度远小于钢制吸力桶基础,这必然会导致在负压贯入过程中产生较大应力和变形,严重时发生屈曲变形失效,导致失稳,存在安全隐患。
发明内容
本发明的目的在于提供一种GFRP吸力桶基础负压贯入过程的安全评价方法,以对GFRP吸力桶基础负压贯入过程进行安全评估,保证GFRP吸力桶基础使用稳定性。
如上构思,本发明所采用的技术方案是:一种GFRP吸力桶基础负压贯入过程的安全评价方法,包括:步骤1:对待测海域的GFRP吸力桶基础周围的土体进行多项试验,得到土体的土性参数;步骤2:选取与GFRP吸力桶基础相同材质与型号的GFRP试件,进行拉伸和压缩试验,得到工程应力应变拉伸曲线,基于工程应力应变得到GFRP吸力桶基础的桶材参数;步骤3:吸力桶向下贯入所需的负压贯入吸力应大于土层的阻力,定义土层的阻力为沉贯阻力,根据吸力桶贯入过程的受力分析和沉贯阻力确定贯入过程中的临界负压贯入吸力;步骤4:建立GFRP吸力桶基础负压贯入均质黏土的有限元模型,将步骤1的土性参数和步骤2的桶材参数输入有限元模型中,在吸力桶的顶盖和土体上表面施加负压贯入吸力,所施加的负压贯入吸力大于步骤3中获得的临界负压贯入吸力;步骤5:进行有限元模型的计算,根据有限元模型获取不同负压贯入吸力条件下GFRP吸力桶基础的最大应力,根据最大应力与负压贯入吸力的对应数据,拟合得到最大应力fm与负压贯入吸力sr的函数关系式;步骤6:吸力桶为薄壁圆筒结构,根据圆柱壳体受到轴压与环压联合作用下的弹性屈曲强度计算公式,计算吸力桶的弹性屈曲强度fE;步骤7:根据当前的负压贯入吸力sr,将步骤5中得到的最大应力fm与步骤6中得到的弹性屈曲强度fE进行对比,判断GFRP吸力桶基础在当前的负压贯入吸力sr作用下是否处于安全状态,包括:当fm大于fE时,GFRP吸力桶基础在贯入过程处于不安全状态;当fm小于或等于fE时,GFRP吸力桶基础在贯入过程处于安全状态。
其中,在步骤3中,当土层为均质黏土时,沉贯阻力R的计算公式为公式(11)、公式(12)、公式(13)和公式(14),公式(11)为:,公式(12)为,公式(13)为/>,公式(14)为;其中,Qin是吸力桶内壁侧摩阻力;Qout是吸力桶外壁侧摩阻力;Qtip是吸力桶端部阻力;qc(z)为锥尖沉贯阻力qc与贯入深度z的关系;ktip为与桶端阻力相关的经验系数;kin为与桶内侧阻力相关的经验系数;kout为与桶外侧阻力相关的经验系数;Atip为桶端面积;Awall,in为桶内侧壁面积;Awall,out为桶外侧壁面积。
其中,当吸力桶在均质黏土中下沉时,不排水条件下土体对吸力桶侧壁的摩擦阻力,通过不排水抗剪强度乘以无量纲摩擦因数计算,而桶端阻力通过承载力公式获得,因此计算沉贯阻力R的公式(11)转化为公式(2),公式(2)为,其中,L为吸力桶的贯入深度;Ls为土塞高度;Do为吸力桶的外径;Di为吸力桶的内径;αi为桶内侧壁的摩擦因数;αo为桶外侧壁的摩擦因数;su,w为埋深L范围内土体的平均不排水抗剪强度;su,tip为桶端部处的不排水抗剪强度;H为吸力桶的高度;Nc和Nq均为承载力系数;/>′为海底黏土的有效重度。
其中,在吸力桶贯入过程中,当负压贯入吸力sr等于临界负压贯入吸力时,吸力桶贯入过程的受力分析如公式(3),公式(3)为,其中,W′为吸力桶在水中的浮重度;Ain为有效吸力作用面积,Ain=πDi 2/4;sr为负压贯入吸力;R为沉贯阻力;结合公式(2)和公式(3)获得的负压贯入吸力sr为临界负压贯入吸力。
其中,在步骤1中,多项试验包括CPT测试,在CPT测试过程中,获取锥尖沉贯阻力qc与贯入深度z的关系。
其中,在步骤1中,多项试验还包括标准应力路径静三轴试验和剪切试验。
其中,在步骤5中,拟合得到的最大应力fm与负压贯入吸力sr的函数关系式如公式(4),公式(4)为,其中,fm为最大应力;sr是负压贯入吸力。
其中,在步骤6中,计算弹性屈曲强度fE的公式包括公式(5)、公式(6)和公式(7),公式(5)为,公式(6)为/>,公式(7)为/>,其中,/>等于2;/>是考虑缺陷因素系数,静水压力作用下为0.6;u是安装系数,静水压力作用下u是Z1 0.5;/>是安装过程中吸力桶无支撑的长度;t是吸力桶的壁厚;v是桶材泊松比;E是桶材弹性模量;r是吸力桶的半径。
其中,在步骤2中,获取的桶材参数包括桶材弹性模量E和桶材泊松比v。
其中,在步骤1中,土性参数包括土体密度、土体剪切模量、土体弹性模量、土体内摩擦角和土体黏聚力。
本发明的有益效果:
本发明提出的GFRP吸力桶基础负压贯入过程的安全评价方法,根据有限元模型获取不同负压贯入吸力条件下GFRP吸力桶基础的最大应力,根据最大应力与负压贯入吸力的对应数据,拟合得到最大应力fm与负压贯入吸力sr的函数关系式,在不同的负压贯入吸力sr下,吸力桶受到的最大应力fm不同,根据当前的负压贯入吸力sr,通过比较最大应力fm与弹性屈曲强度fE,能够判断吸力桶的安全状态,避免GFRP吸力桶因变形过大而失效,通过对GFRP吸力桶进行有效安全评估,保证吸力桶基础的安全性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的GFRP吸力桶基础负压贯入的示意图。
图2是本发明实施例提供的GFRP试件的工程应力应变拉伸曲线。
图3是本发明实施例提供的负压贯入吸力与最大应力的关系曲线。
图4是本发明实施例提供的负压贯入吸力与贯入深度的关系曲线。
图5是本发明实施例提供的贯入深度与桶端阻力的关系曲线。
图中:10、吸力桶;11、出水口;20、土塞。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中,除非另有明确的规定和限定,术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触,也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
参见图1,在实际工况中,通过负压系统与吸力桶10顶部的出水口11相连,负压系统产生吸力施加于吸力桶10,抽取吸力桶10内部的水和气,吸力桶10受到负压贯入吸力,在负压作用下,吸力桶10向下贯入。
在负压贯入过程中,由于负压的作用会使得吸力桶10内部的土体升高,吸力桶10内部的土体高于吸力桶10外部的土体,使得吸力桶10内部形成土塞20。过大的负压贯入吸力可能导致吸力桶10内部的土塞20发生破坏造成渗流,因此负压贯入吸力不能过大。
本发明实施例提供一种GFRP吸力桶基础负压贯入过程的安全评价方法,用于评价吸力桶10负压贯入过程中所受到的负压贯入吸力是否在安全范围内。
GFRP吸力桶基础负压贯入过程的安全评价方法包括:步骤1:对待测海域的GFRP吸力桶基础周围的土体进行多项试验,得到土体的土性参数;步骤2:选取与GFRP吸力桶基础相同材质与型号的GFRP试件,进行拉伸和压缩试验,得到工程应力应变拉伸曲线,基于工程应力应变得到GFRP吸力桶基础的桶材参数;步骤3:吸力桶10向下贯入所需的负压贯入吸力应大于土层的阻力,定义土层的阻力为沉贯阻力,根据吸力桶10贯入过程的受力分析和沉贯阻力确定贯入过程中的临界负压贯入吸力;步骤4:建立GFRP吸力桶基础负压贯入均质黏土的有限元模型,将步骤1的土性参数和步骤2的桶材参数输入有限元模型中,在吸力桶10的顶盖和土体上表面施加负压贯入吸力,所施加的负压贯入吸力大于步骤3中获得的临界负压贯入吸力;步骤5:进行有限元模型的计算,根据有限元模型获取不同负压贯入吸力条件下GFRP吸力桶基础的最大应力,根据最大应力与负压贯入吸力的对应数据,拟合得到最大应力fm与负压贯入吸力sr的函数关系式;步骤6:吸力桶10为薄壁圆筒结构,根据圆柱壳体受到轴压与环压联合作用下的弹性屈曲强度计算公式,计算吸力桶10的弹性屈曲强度fE;步骤7:根据当前的负压贯入吸力sr,将步骤5中得到的最大应力fm与步骤6中得到的弹性屈曲强度fE进行对比,判断GFRP吸力桶基础在当前的负压贯入吸力sr作用下是否处于安全状态,包括:当fm大于fE时,GFRP吸力桶基础在贯入过程处于不安全状态;当fm小于或等于fE时,GFRP吸力桶基础在贯入过程处于安全状态。
在步骤1中,多项试验还包括标准应力路径静三轴试验、剪切试验和CPT测试。其中,标准应力路径静三轴试验根据不同的条件可以分为三种,包括不固结不排水测试(UU)、固结不排水测试(CU)和固结排水测试(CD),UU三轴试验通常用于评估短期工程问题中土的强度指标,CU和CD三轴试验用于评估长期工程问题中土的强度指标。测定土的抗剪强度指标的试验称为剪切试验。CPT测试是静力触探测试,是一种原位测试方法,这种方法用于确定岩土工程特性并划定土壤岩性。CPT测试方法包括使用液压钻机将装有仪表的锥形探头通过几根探棒推入土壤中。锥形探头以每秒钟两厘米的恒定速率连续测量穿透土壤所遇阻力。作用于锥形探头的总力度称为锥形探头阻力,可用以描述土壤强度。在CPT测试过程中,获取锥尖沉贯阻力qc与贯入深度z的关系。
在步骤1中,土性参数包括土体密度、土体剪切模量、土体弹性模量、土体内摩擦角和土体黏聚力。
在步骤2中,工程应力应变拉伸曲线如图2所示,以拉断时的应力值作为其拉伸极限强度,在弹性变形阶段,根据某一点的应力和应变εp的比值可以计算弹性模量。其中,图2的横坐标ε表示试件拉伸过程的应变,纵坐标/>表示试件拉伸过程的应力,单位Mpa。
由于GFRP属于脆性材料,在弹性变形阶段变形很小,因此工程应力应变和真实应变几乎不存在差异,因此试验得到的工程应力应变即为真实应力应变。通过应力应变曲线和相关计算公式即可得到桶材参数,桶材参数包括桶材弹性模量以及桶材泊松比。
在步骤3中,当土层为均质黏土时,沉贯阻力R的计算公式为公式(11)、公式(12)、公式(13)和公式(14),公式(11)为:,公式(12)为/>,公式(13)为/>,公式(14)为/>;其中,Qin是吸力桶内壁侧摩阻力;Qout是吸力桶外壁侧摩阻力;Qtip是吸力桶端部阻力;qc(z)为锥尖沉贯阻力qc与贯入深度z的关系;ktip为与桶端阻力相关的经验系数;kin为与桶内侧阻力相关的经验系数;kout为与桶外侧阻力相关的经验系数;Atip为桶端面积;Awall,in为桶内侧壁面积;Awall,out为桶外侧壁面积。
当吸力桶10在均质黏土中下沉时,不排水条件下土体对吸力桶10侧壁的摩擦阻力,通过不排水抗剪强度乘以无量纲摩擦因数计算,而桶端阻力通过承载力公式获得,因此计算沉贯阻力R的公式(11)转化为公式(2),公式(2)为,其中,L为吸力桶的贯入深度;Ls为土塞高度;Do为吸力桶的外径;Di为吸力桶的内径;αi为桶内侧壁的摩擦因数;αo为桶外侧壁的摩擦因数;su,w为埋深L范围内土体的平均不排水抗剪强度;su,tip为桶端部处的不排水抗剪强度;H为吸力桶的高度;Nc和Nq为承载力系数;/>′为海底黏土的有效重度。其中,土塞20的高度为土塞20高于吸力桶10外部土体的高度;吸力桶10的贯入深度等于吸力桶10的侧壁埋深。Nc和Nq可以相同也可以不同,根据实际工况确定。
在吸力桶10贯入过程中,当负压贯入吸力sr等于临界负压贯入吸力时,吸力桶10贯入过程的受力分析如公式(3),公式(3)为,其中,W′为吸力桶在水中的浮重度;Ain为有效吸力作用面积,Ain=πDi 2/4;sr为负压贯入吸力;R为沉贯阻力;结合公式(2)和公式(3)获得的负压贯入吸力sr为临界负压贯入吸力。
在步骤4中,建立有限元模型并输入相关参数,是有限元基本操作,可以认为是常规技术手段,在此对建模过程不作赘述。通过在吸力桶10的顶盖和土体上表面施加负压贯入吸力,能够模拟施加到吸力桶10内部的吸力。
在步骤5中,获取负压贯入吸力与GFRP吸力桶基础的最大应力的关系曲线,如图3所示,随着负压贯入吸力的增大,最大应力增大。
此外,还能够获取不同吸力桶10的尺寸、不同土体参数、不同负压贯入吸力等参数下吸力桶基础的力学响应。在本实施例中,获取负压贯入吸力与GFRP吸力桶基础的贯入深度的关系曲线,如图4所示,随着负压贯入吸力的增大,贯入深度增大。获取贯入深度与GFRP吸力桶基础的桶端阻力的关系曲线,如图5所示,在贯入深度为0时,桶端阻力是一个定值,随着贯入深度的增大,桶端阻力增大。其中,桶端阻力为桶的底端受到的阻力。
此外,在步骤5中,还可以获取GFRP吸力桶基础的贯入阻力随贯入深度的变化曲线、GFRP吸力桶基础的最大应力随贯入深度的变化曲线及云图、GFRP吸力桶基础的最大变形随贯入深度的变化曲线及云图等,在此不一一赘述。
在步骤5中,拟合得到的最大应力fm与负压贯入吸力sr的函数关系式如公式(4),公式(4)为,其中,fm为最大应力;sr是负压贯入吸力。
在步骤6中,计算弹性屈曲强度fE的公式包括公式(5)、公式(6)和公式(7),公式(5)为,公式(6)为/>,公式(7)为/>,其中,等于2;/>是缺陷因素系数,静水压力作用下为0.6;u是安装系数,静水压力作用下u是Z1 0.5;/>是安装过程中吸力桶无支撑的长度;t是吸力桶的壁厚;v是桶材泊松比;E是桶材弹性模量;r是吸力桶的半径。
其中,桶材弹性模量E和桶材泊松比v根据步骤2中的操作获得。
在步骤7中,将当前的负压贯入吸力sr代入公式(4)即可获得最大应力fm,弹性屈曲强度fE可根据公式(5)、公式(6)和公式(7)进行计算。当fm大于fE时,说明GFRP桶材出现的最大应力fm大于弹性屈服强度fE,会导致筒裙某一截面超出其屈服极限或者弹性屈服强度fE,则局部失稳,使得吸力桶基础发生破坏,则判断为GFRP吸力桶基础在贯入过程处于不安全状态;此时应减小负压贯入吸力sr,进而使得最大应力fm减小,直至fm小于或等于fE,则判断为GFRP吸力桶基础在贯入过程处于安全状态。
在一种实施例中,GFRP吸力桶基础的桶材泊松比v是0.3,桶材弹性模量E是206GPa,吸力桶10的壁厚t是30mm。吸力桶10无支撑的长度l是5m,缺陷因素系数是0.6,u是Z1 0.5,/>是2。吸力桶10的半径r是2.5m。
根据上述参数、公式(5)、公式(6)和公式(7),计算得到fE。其中,Z1=317.95,C=5.036,fE=337.4Mpa。
假设施加的负压贯入吸力sr为100kPa,根据公式(4)得到fm=200MPa。
因此,在对上述GFRP吸力桶基础负压贯入过程中,负压贯入吸力为100kPa时,产生的最大应力fm<fE,因此,该负压贯入吸力下,GFRP吸力桶基础是安全的。
以上实施方式只是阐述了本发明的基本原理和特性,本发明不受上述实施方式限制,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还有各种变化和改变,这些变化和改变都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种GFRP吸力桶基础负压贯入过程的安全评价方法,其特征在于,包括:
步骤1:对待测海域的GFRP吸力桶基础周围的土体进行多项试验,得到土体的土性参数;
步骤2:选取与GFRP吸力桶基础相同材质与型号的GFRP试件,进行拉伸和压缩试验,得到工程应力应变拉伸曲线,基于工程应力应变得到GFRP吸力桶基础的桶材参数;
步骤3:吸力桶向下贯入所需的负压贯入吸力应大于土层的阻力,定义土层的阻力为沉贯阻力,根据吸力桶贯入过程的受力分析和沉贯阻力确定贯入过程中的临界负压贯入吸力;
步骤4:建立GFRP吸力桶基础负压贯入均质黏土的有限元模型,将步骤1的土性参数和步骤2的桶材参数输入有限元模型中,在吸力桶的顶盖和土体上表面施加负压贯入吸力,所施加的负压贯入吸力大于步骤3中获得的临界负压贯入吸力;
步骤5:进行有限元模型的计算,根据有限元模型获取不同负压贯入吸力条件下GFRP吸力桶基础的最大应力,根据最大应力与负压贯入吸力的对应数据,拟合得到最大应力fm与负压贯入吸力sr的函数关系式;
步骤6:吸力桶为薄壁圆筒结构,根据圆柱壳体受到轴压与环压联合作用下的弹性屈曲强度计算公式,计算吸力桶的弹性屈曲强度fE;
步骤7:根据当前的负压贯入吸力sr,将步骤5中得到的最大应力fm与步骤6中得到的弹性屈曲强度fE进行对比,判断GFRP吸力桶基础在当前的负压贯入吸力sr作用下是否处于安全状态,包括:
当fm大于fE时,GFRP吸力桶基础在贯入过程处于不安全状态;
当fm小于或等于fE时,GFRP吸力桶基础在贯入过程处于安全状态。
2.根据权利要求1所述的GFRP吸力桶基础负压贯入过程的安全评价方法,其特征在于,在步骤3中,当土层为均质黏土时,沉贯阻力R的计算公式为公式(11)、公式(12)、公式(13)和公式(14),具体如下:
(11)
(12)
(13)
(14)
其中,Qin是吸力桶内壁侧摩阻力;Qout是吸力桶外壁侧摩阻力;Qtip是吸力桶端部阻力;qc(z)为锥尖沉贯阻力qc与贯入深度z的关系;ktip为与桶端阻力相关的经验系数;kin为与桶内侧阻力相关的经验系数;kout为与桶外侧阻力相关的经验系数;Atip为桶端面积;Awall,in为桶内侧壁面积;Awall,out为桶外侧壁面积。
3.根据权利要求2所述的GFRP吸力桶基础负压贯入过程的安全评价方法,其特征在于,当吸力桶在均质黏土中下沉时,不排水条件下土体对吸力桶侧壁的摩擦阻力,通过不排水抗剪强度乘以无量纲摩擦因数计算,而桶端阻力通过承载力公式获得,因此公式(11)转化为:
(2)
其中,L为吸力桶的贯入深度;Ls为土塞高度;Do为吸力桶的外径;Di为吸力桶的内径;αi为桶内侧壁的摩擦因数;αo为桶外侧壁的摩擦因数;su,w为埋深L范围内土体的平均不排水抗剪强度;su,tip为桶端部处的不排水抗剪强度;H为吸力桶的高度;Nc和Nq均为承载力系数;′为海底黏土的有效重度。
4.根据权利要求3所述的GFRP吸力桶基础负压贯入过程的安全评价方法,其特征在于,在吸力桶贯入过程中,当负压贯入吸力sr等于临界负压贯入吸力时,吸力桶贯入过程的受力分析如下:
(3)
其中,W′为吸力桶在水中的浮重度;Ain为有效吸力作用面积,Ain=πDi 2/4;sr为负压贯入吸力;R为沉贯阻力;
结合公式(2)和公式(3)获得的负压贯入吸力sr为临界负压贯入吸力。
5.根据权利要求2所述的GFRP吸力桶基础负压贯入过程的安全评价方法,其特征在于,在步骤1中,多项试验包括CPT测试,在CPT测试过程中,获取锥尖沉贯阻力qc与贯入深度z的关系。
6.根据权利要求5所述的GFRP吸力桶基础负压贯入过程的安全评价方法,其特征在于,在步骤1中,多项试验还包括标准应力路径静三轴试验和剪切试验。
7.根据权利要求1所述的GFRP吸力桶基础负压贯入过程的安全评价方法,其特征在于,在步骤5中,拟合得到的最大应力fm与负压贯入吸力sr的函数关系式如下:
(4)
其中,fm为最大应力;sr是负压贯入吸力。
8.根据权利要求1所述的GFRP吸力桶基础负压贯入过程的安全评价方法,其特征在于,在步骤6中,计算弹性屈曲强度fE的公式包括:
(5)
(6)
(7)
其中,等于2;/>是考虑缺陷因素系数,静水压力作用下为0.6;u是安装系数,静水压力作用下u是Z1 0.5;/>是安装过程中吸力桶无支撑的长度;t是吸力桶的壁厚;v是桶材泊松比;E是桶材弹性模量;r是吸力桶的半径。
9.根据权利要求8所述的GFRP吸力桶基础负压贯入过程的安全评价方法,其特征在于,在步骤2中,获取的桶材参数包括桶材弹性模量E和桶材泊松比v。
10.根据权利要求1-9任一项所述的GFRP吸力桶基础负压贯入过程的安全评价方法,其特征在于,在步骤1中,土性参数包括土体密度、土体剪切模量、土体弹性模量、土体内摩擦角和土体黏聚力。
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Citations (4)
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---|---|---|---|---|
CN113656865A (zh) * | 2021-07-28 | 2021-11-16 | 武汉理工大学 | 一种无损评估gfrp筋混凝土构件当前状态失效概率的方法 |
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CN113656865A (zh) * | 2021-07-28 | 2021-11-16 | 武汉理工大学 | 一种无损评估gfrp筋混凝土构件当前状态失效概率的方法 |
CN115982795A (zh) * | 2022-12-30 | 2023-04-18 | 中国海洋大学 | 吸力桶多桶基础承载特性的预测方法 |
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