CN117892600B - 吸力桶基础全生命周期承载力计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种吸力桶基础全生命周期承载力计算方法，其属于海洋吸力桶基础技术领域，包括：获取所需的参数；基于ABAQUS进行有限元模拟分析；分析吸力桶贯入阻力；获取归一化桶基承载力特征值Fa；获取超孔隙水压力μw与时间T的函数关系式；获取归一化吸力桶基础承载力Fan与时间T的函数关系式。在有限元建模以及分析计算阶段，均考虑了超孔隙水压力对吸力桶基础承载力的影响，使得吸力桶基础承载力计算更准确，以为吸力桶基础安装和结构设计提供更可靠参考依据。
Description
技术领域
本发明涉及海洋吸力桶基础技术领域，尤其涉及一种吸力桶基础全生命周期承载力计算方法。
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。
吸力桶基础在工程领域全生命周期的研究，即贯入阶段和长期服役阶段，为实际工程安装中承载力稳定性的评估提供了帮助。其中，在吸力桶的贯入阶段，包括吸力桶借助桶内负压和自重贯穿土体过程以及土体在吸力桶安装完成后的自适应稳定过程，土体中超孔隙水压力的变化对吸力桶基础的承载力稳定性起着至关重要的影响。在贯入结束后，有土体骨架被压缩，同时孔隙内的水在挤压状态下无法快速排出，从而使饱和土体内的孔隙水压力上升，而超过静水压力部分的那部分孔隙压力即为超孔隙水压力。
土体中超孔隙水压力对吸力桶基础的承载力影响机理如下：1、依据有效应力原理，对于水下的饱和土而言，土体总应力为有效应力与孔隙水压力之和，在同等的外荷载作用下，超孔隙水压力变化引起有效应力变化，有效应力为评价海底基础稳定性的主要依据；2、海洋黏土由于渗透性差，土体需要的排水时间长，超孔隙水压力容易在吸力桶基础贯穿土体过程中累积，而在后续的土体自适应稳定过程中完成消散，超孔隙水压力的变化影响吸力桶基础的承载力。
由于桶型基础安装的原位试验难度比较大，成本比较高，因此多采用桶型基础的贯入模拟试验，这种方式难以监测土体内部的性能状态，在贯入阶段土体流动、土体颗粒骨架变形等导致的超孔隙水压力累积和超孔隙水压力消散无法准确监测，因此导致吸力桶基础的承载力无法准确预估，影响吸力桶基础在海上风电开发中大规模推广应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种吸力桶基础全生命周期承载力计算方法，以解决现有技术中存在的因土体中超孔隙水压力变化而导致的吸力桶基础承载力无法准确预估的技术问题。
如上构思，本发明所采用的技术方案是：一种吸力桶基础全生命周期承载力计算方法，包括：步骤1：获取所需的参数；对待贯入吸力桶基础的海洋土体取样，并进行土工试验，得到土体的土性参数；根据公式计算数值分析所需的关键参数；步骤2：基于进行有限元模拟分析；通过有限元软件/>建立吸力桶基础贯入海洋土体的数值计算模型，进行模型尺寸、边界条件以及载荷设置；编写所需子程序，子程序包括平面四节点孔压单元/>子程序；调用子程序进行有限元模拟分析；步骤3：分析吸力桶贯入阻力；根据有限元模拟得到的贯入阻力/>与贯入深度/>的关系曲线，横坐标为贯入阻力/>，/>；纵坐标为贯入深度/>，/>；进行归一化处理，贯入阻力/>转化为归一化贯入阻力/>，/>，/>为吸力桶的竖向投影面积，/>；/>为土体的不排水抗剪强度，/>；贯入深度/>转化为归一化贯入深度/>，/>为吸力桶直径，/>；步骤4：获取归一化桶基承载力特征值/>；在贯入结束时，吸力桶完全贯入土体，贯入深度/>等于吸力桶长度/>，将贯入结束时的归一化贯入阻力视作桶基极限承载力/>，拟合得到桶基极限承载力/>与吸力桶的长径比/>之间的函数关系式，，/>为常量；根据归一化桶基承载力特征值的计算公式/>，得到归一化桶基承载力特征值/>与吸力桶的长径比/>之间的函数关系式，/>；步骤5：获取超孔隙水压力/>与时间/>的函数关系式；根据有限元模拟得到的超孔隙水压力随时间的变化曲线，拟合得到超孔隙水压力/>与时间/>的函数关系式，，/>、/>、/>为常量，时间/>的单位为天；步骤6：获取归一化吸力桶基础承载力/>与时间/>的函数关系式；根据超孔隙水压力消散规律结合有效应力原理推算吸力桶基础承载力，对吸力桶基础承载力进行归一化得到归一化吸力桶基础承载力/>与时间/>的函数关系式，/>，/>为吸力桶壁厚，/>；/>为吸力桶直径，；/>为吸力桶的竖向投影面积，/>；/>为土体的不排水抗剪强度，/>；/>为孔压消散量，，孔压消散量为第1天的超孔隙水压力与当前的超孔隙水压力之差，，/>为常量。
作为优选方案，在步骤5中，不同长径比的吸力桶对应不同的超孔隙水压力与时间/>的函数关系式；当/>时，/>；当/>时，；当/>时，/>。
作为优选方案，在步骤6中，不同长径比的吸力桶对应不同的归一化吸力桶基础承载力与时间/>的函数关系式；当/>时，；当/>时，；当/>时，。
作为优选方案，在步骤6中，依据有效应力原理，总应力为有效应力与孔隙水压力之和，因归一化桶基承载力特征值为定值，总应力保持不变，超孔隙水压力在消散过程中，吸力桶受到的有效应力增加，超孔隙水压力的消散量等于有效应力的增加量。
作为优选方案，在步骤6中，总应力满足公式/>，/>是总应力，/>是有效应力，/>为超孔隙水压力，/>为静孔隙水压力。
作为优选方案，在步骤1中，土工试验包括标准应力路径静三轴试验、高级固结试验和循环剪切试验。
作为优选方案，在步骤1中，土性参数包括土体密度、初始孔隙比/>、弹性模量/>、内摩擦角/>和渗透系数/>。
作为优选方案，在步骤1中，关键参数包括侧向土压力系数和应力比/>，，/>，/>为内摩擦角。
本发明的有益效果：本发明提出的吸力桶基础全生命周期承载力计算方法，在有限元建模以及分析计算阶段，均考虑了超孔隙水压力对吸力桶基础承载力的影响，使得吸力桶基础承载力计算更准确，以为吸力桶基础安装和结构设计提供更可靠参考依据。
附图说明
图1是本发明实施例提供的不同吸力桶直径下贯入阻力与贯入深度的关系曲线。
图2是本发明实施例提供的不同长径比下归一化贯入阻力与归一化贯入深度的关系曲线。
图3是本发明实施例提供的吸力桶贯入完成后吸力桶外壁不同位置对应的长度示意图。
图4是本发明实施例提供的吸力桶外壁不同位置处超孔隙水压力随时间的变化曲线。
图5是本发明实施例提供的不同长径比下超孔隙水压力随时间的变化曲线。
具体实施方式
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至图5，本发明实施例提供一种吸力桶基础全生命周期承载力计算方法，具体涉及海上风机吸力桶基础在贯入过程及贯入完成后一段时间内吸力桶基础承载力演化的分析方法，以评价吸力桶基础在贯入阶段和贯入完成后的吸力桶基础承载力稳定性。
在海洋黏性土中，由于渗透性差，土体需要的排水时间长，超孔隙水压力容易在吸力桶基础贯穿土体过程中累积，而在后续的土体自适应稳定过程完成消散，本发明实施例提供的吸力桶基础全生命周期承载力计算方法的核心是分析吸力桶基础在黏性土贯入阶段超孔隙水压力的消散过程。
吸力桶基础全生命周期承载力计算方法包括：步骤1：获取所需的参数；步骤2：基于进行有限元模拟分析；步骤3：分析吸力桶贯入阻力；步骤4：获取归一化桶基承载力特征值/>；步骤5：获取超孔隙水压力/>与时间/>的函数关系式；步骤6：获取归一化吸力桶基础承载力/>与时间/>的函数关系式。
在步骤1中，对待贯入吸力桶基础的海洋土体取样，并进行土工试验，得到土体的土性参数；根据公式计算数值分析所需的关键参数。
在步骤1中，土工试验包括标准应力路径静三轴试验、高级固结试验和循环剪切试验。在步骤1中，土性参数包括土体密度、初始孔隙比/>、弹性模量/>、内摩擦角/>和渗透系数/>。在步骤1中，关键参数包括侧向土压力系数/>和应力比/>，/>，，/>为内摩擦角。其中，应力比/>为偏应力与平均有效应力空间的临界状态线的斜率。
其中，标准应力路径静三轴试验：土样在给定的三轴压力室周围压力作用下，不断加大轴向附加压力，直至试样被剪破。该试验结果可以确定土壤的抗剪强度指标内摩擦角和黏结力。高压固结试验是指测定土体在外力作用下排水、排气、气泡压缩性质的一种测试方法。试验的目的在于测定试样在侧限和轴向排水条件下的变形和压力、变形和时间以及空隙比和压力间的关系，以便绘制压缩曲线，求得土体的压缩系数和压缩模量，以便来判断土体的压缩性和进行变形计算。循环剪切试验：很多实际工程设计中需要考虑接触面、土与结构相互作用的问题，因此可以通过该试验进行不同土与结构物之间接触面的力学特性研究。
在步骤2中，通过有限元软件建立吸力桶基础贯入海洋土体的数值计算模型，进行模型尺寸、边界条件以及载荷设置；编写所需子程序，子程序包括平面四节点孔压单元/>子程序；调用子程序进行有限元模拟分析。
其中，有限元软件为常用软件。具体地，采用在/>中应用的简化（小变形有限元的网格重划分）技术，对贯入过程中的大变形有限元问题进行分析。借助/>二次开发模块中/>子程序，编写修正剑桥土体本构模型，并将步骤1中所获得的参数输入至该本构模型中，以此实现数值模型的准确性分析。借助/>二次开发模块中/>子程序，编写基于/>固结理论的平面孔压单元，对超孔隙水压力的分析主要依靠该程序进行，依据流固耦合关系，编写平面四节点孔压单元/>子程序。
完成上述有限元分析，可以得到吸力桶基础贯入阻力随贯入深度的变化曲线、超孔隙水压力随时间的变化曲线、吸力桶基础周围土体的应力应变等一系列数据。
首先，分析不同尺寸吸力桶基础在贯入阶段，吸力桶基础在贯穿土体过程中的贯入阻力。
在步骤3中，根据有限元模拟得到的贯入阻力与贯入深度/>的关系曲线，如图1所示，横坐标为贯入阻力/>，/>；纵坐标为贯入深度/>，/>。不同的吸力桶直径对应不同的关系曲线。本实施例中仅示出3种吸力桶直径下的贯入阻力/>与贯入深度/>的关系曲线。
进行归一化处理，贯入阻力转化为归一化贯入阻力/>，/>，/>为吸力桶的竖向投影面积，/>；/>为土体的不排水抗剪强度，/>；贯入深度/>转化为归一化贯入深度，/>为吸力桶直径，/>。其中，/>为贯入深度/>的函数，/>；/>、/>均为常量，由目标海域的土体性质决定。
归一化处理得到的归一化贯入阻力与归一化贯入深度/>的关系曲线如图2所示。不同长径比/>的吸力桶对应不同的关系曲线，/>为吸力桶长度，/>，/>为吸力桶直径，/>。通过进行归一化，使得横纵坐标均为无单位量，便于后续进行拟合。
在步骤4中，在贯入结束时，吸力桶完全贯入土体，贯入深度等于吸力桶长度/>，将贯入结束时的归一化贯入阻力视作桶基极限承载力/>，拟合得到桶基极限承载力/>与吸力桶的长径比/>之间的函数关系式，/>，/>为常量。
根据归一化桶基承载力特征值的计算公式/>，得到归一化桶基承载力特征值/>与吸力桶的长径比/>之间的函数关系式，/>。
其次，分析吸力桶基础贯入和安装完成后的超孔隙水压力。即分析吸力桶基础在贯入至目标深度后一定时间内的超孔隙水压力消散过程。超孔隙水压力为孔隙水压力和净水压力的差值。
图3是吸力桶贯入完成后吸力桶外壁不同位置对应的长度示意图。在桶顶部施加安装结束时，贯入过程中积累的超孔隙压力施加在单桶基础上的固定垂直力逐渐消散，在吸力桶外壁选取不同位置，例如、/>、/>和/>，分别对应吸力桶的/>、/>、/>和处，提取吸力桶外壁不同位置处超孔隙水压力随时间的变化曲线，如图4所示。由图4分析可知，越接近吸力桶底部的土体，超孔隙水压力消散至0所需要的时间越长，且桶底端为主要承力端，失稳情况多发生于此处，因此处于安全考虑，在后续的分析中，采用/>位置处进行分析。
在步骤5中，根据有限元模拟得到的超孔隙水压力随时间的变化曲线，如图5所示，拟合得到超孔隙水压力与时间/>的函数关系式，/>，/>、/>、/>为常量，时间/>的单位为天。
在步骤5中，不同长径比的吸力桶对应不同的超孔隙水压力与时间/>的函数关系式；当/>时，/>；当/>时，/>；当/>时，/>。
在步骤6中，根据超孔隙水压力消散规律结合有效应力原理推算吸力桶基础承载力，对吸力桶基础承载力进行归一化得到归一化吸力桶基础承载力与时间/>的函数关系式，/>，/>为吸力桶壁厚，/>；/>为吸力桶直径，/>；/>为吸力桶的竖向投影面积，/>；/>为土体的不排水抗剪强度，/>；/>为孔压消散量，/>，孔压消散量为第1天的超孔隙水压力与当前的超孔隙水压力之差，/>，/>为常量。
在步骤6中，不同长径比的吸力桶对应不同的归一化吸力桶基础承载力与时间的函数关系式；当/>时，/>；当/>时，/>；当/>时，。
在步骤6中，依据有效应力原理，总应力为有效应力与孔隙水压力之和，因归一化桶基承载力特征值为定值，总应力保持不变，超孔隙水压力在消散过程中，吸力桶受到的有效应力增加，超孔隙水压力的消散量等于有效应力的增加量。
在步骤6中，总应力满足公式/>，/>是总应力，/>是有效应力，/>为超孔隙水压力，/>为静孔隙水压力。其中，静孔隙水压力为水密度/>、重力加速度/>和深度/>的乘积，在水深一定时，静孔隙水压力为定值，因此在总应力保持不变时，超孔隙水压力的消散量等于有效应力的增加量。
在一些实施例中，应用本申请提供的吸力桶基础全生命周期承载力计算方法，当吸力桶直径，吸力桶长度/>，吸力桶壁厚/>，/>时，假设/>，，则/>，吸力桶的竖向投影面积。进而可以求得/>天时，归一化吸力桶基础承载力/>。，根据计算结果可知，长径比/>的桶基承载力在消散时间为100天时归一化吸力桶基础承载力/>为2.041。
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 (5)
1.一种吸力桶基础全生命周期承载力计算方法，其特征在于，包括：
步骤1：获取所需的参数；
对待贯入吸力桶基础的海洋土体取样，并进行土工试验，得到土体的土性参数；根据公式计算数值分析所需的关键参数；
步骤2：基于进行有限元模拟分析；
通过有限元软件建立吸力桶基础贯入海洋土体的数值计算模型，进行模型尺寸、边界条件以及载荷设置；编写所需子程序，子程序包括平面四节点孔压单元/>子程序；调用子程序进行有限元模拟分析；
步骤3：分析吸力桶贯入阻力；
根据有限元模拟得到的贯入阻力与贯入深度/>的关系曲线，横坐标为贯入阻力/>，/>；纵坐标为贯入深度/>，/>；
进行归一化处理，贯入阻力转化为归一化贯入阻力/>，/>，/>为吸力桶的竖向投影面积，/>；/>为土体的不排水抗剪强度，/>；贯入深度/>转化为归一化贯入深度/>，为吸力桶直径，/>；
步骤4：获取归一化桶基承载力特征值；
在贯入结束时，吸力桶完全贯入土体，贯入深度等于吸力桶长度/>，将贯入结束时的归一化贯入阻力视作桶基极限承载力/>，拟合得到桶基极限承载力/>与吸力桶的长径/>比之间的函数关系式，/>，/>为常量；
根据归一化桶基承载力特征值的计算公式，得到归一化桶基承载力特征值/>与吸力桶的长径比/>之间的函数关系式，/>；
步骤5：获取超孔隙水压力与时间/>的函数关系式；
根据有限元模拟得到的超孔隙水压力随时间的变化曲线，拟合得到超孔隙水压力与时间/>的函数关系式，/>，/>、/>、/>为常量，时间/>的单位为天；
步骤6：获取归一化吸力桶基础承载力与时间/>的函数关系式；
根据超孔隙水压力消散规律结合有效应力原理推算吸力桶基础承载力，对吸力桶基础承载力进行归一化得到归一化吸力桶基础承载力与时间/>的函数关系式，，/>为吸力桶壁厚，/>；/>为吸力桶直径，/>；/>为吸力桶的竖向投影面积，/>；/>为土体的不排水抗剪强度，/>；
为孔压消散量，/>，孔压消散量为第1天的超孔隙水压力与当前的超孔隙水压力之差，/>，/>为常量；
在步骤1中，土工试验包括标准应力路径静三轴试验、高级固结试验和循环剪切试验；
在步骤1中，土性参数包括土体密度、初始孔隙比/>、弹性模量/>、内摩擦角/>和渗透系数/>；
在步骤1中，关键参数包括侧向土压力系数和应力比/>，/>，，/>为内摩擦角。
2.根据权利要求1所述的吸力桶基础全生命周期承载力计算方法，其特征在于，在步骤5中，不同长径比的吸力桶对应不同的超孔隙水压力与时间/>的函数关系式；当/>时，；当/>时，/>；当/>时，。
3.根据权利要求2所述的吸力桶基础全生命周期承载力计算方法，其特征在于，在步骤6中，不同长径比的吸力桶对应不同的归一化吸力桶基础承载力与时间/>的函数关系式；当/>时，/>；当时/>，；当/>时，。
4.根据权利要求1所述的吸力桶基础全生命周期承载力计算方法，其特征在于，在步骤6中，依据有效应力原理，总应力为有效应力与孔隙水压力之和，因归一化桶基承载力特征值为定值，总应力保持不变，超孔隙水压力在消散过程中，吸力桶受到的有效应力增加，超孔隙水压力的消散量等于有效应力的增加量。
5.根据权利要求4所述的吸力桶基础全生命周期承载力计算方法，其特征在于，在步骤6中，总应力满足公式/>，/>是总应力，/>是有效应力，/>为超孔隙水压力，/>为静孔隙水压力。
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- 2024-03-14 CN CN202410288762.XA patent/CN117892600B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117892600A (zh) | 2024-04-16 |
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