六自由度复合加载模式下海上风机桶形基础稳定性及其地基变形机理研究

随着煤炭、石油、天然气等不可再生资源的日益消耗以及环境污染的加剧，世界上大多数发达国家正在积极开发海洋风能资源，我国近几年也正在逐步推广海洋风能发电。桶形基础作为一种新型基础型式，被尝试应用到海上风力发电中，然而海上风力发电机基础的受力条件非常复杂，不但受到自重等竖向荷载的作用，还受到上部结构传来的风荷载、波浪荷载等引起的水平荷载、弯矩与扭矩作用。本项研究将联合运用数值计算、理论分析及模型试验等手段，深入探讨六自由度复合加载模式下桶形基础的稳定性及其地基变形机理与失稳模式，基于塑性极限分析理论对不同荷载分量组合下的桶形基础承载性能进行评价，探讨地基土的非均质性与各向异性对于桶形基础承载力的影响，进而结合工程实例通过具体计算全面探讨复杂荷载条件下海上风力发电机基础与及其地基的稳定性。在此基础上，提出工程上实用的计算方法、公式与图表，为工程设计提供一定的参考价值。

海上风力发电机基础的受力条件非常复杂，不但受到自重等竖向荷载作用，还受到上部结构传来的风荷载、波浪荷载等引起的水平荷载、弯矩与扭矩作用。根据已有的关于土体强度各向异性的表达式，针对基于Tresca 屈服准则的理想弹塑性模型进行改进，并在大型通用有限元软件ABAQUS 中予以数值实施。主要探讨了基础埋深、地基土不排水强度的非均质性和各向异性、竖向荷载水平对于浅基础在H-M 荷载空间内的破坏包络面的影响，揭示了地基在水平和力矩荷载的不同组合条件下的失稳破坏机理。计算结果表明：对于给定埋深的浅基础，其包络面的大小与地基土强度的各向异性与竖向荷载水平都有关系，而在归一化荷载平面内，包络面形状与地基土强度的各向异性无关。采用平面应变有限元对基础在V-H-M荷载空间内的稳定性进行了系统分析，通过对埋深与宽度之比为0.1、0.2、0.3、0.5、0.7和1.0的基础分别进行了计算模拟，计算结果表明:在V-M和V-H荷载空间内，基础的包络面形状具有较好归一化性，但是在H-M荷载空间内，包络面形状趋于复杂。为了获得能够统一描述埋深比D/B在0~1之间的基础承载力的破坏包络面方程，根据工程力学中的力的平移定理，提出了基础最优荷载参考点的数值搜索方法。基于最优荷载参考点所得到的破坏包络面形状比传统的基于基底中心的包络面关于坐标轴对称，进而提出了一个双参数统一破坏包络面方程，进而考虑基础之间的间距效应，将该结果推广到了多基础系统。根据不同荷载分量作用下基础的失稳破坏模式，建议了双基础系统单轴承载力的极限分析上限解法。将Swipe加载方法与固定位移比加载方法相结合，建议了荷载-位移联合搜索方法，即先采用Swipe加载方法得到破坏包络面的大概形式，再利用若干次固定位移比加载得到包络面上的控制点，进而拟合数据得到一个完整的包络面。这种方法具有较高精度和计算效率。采用该方法对于桶形基础在竖向荷载V-水平荷载H、竖向荷载V-扭矩T、水平荷载H-扭矩T 荷载平面内以及V-H -T 非共面复合加载条件下的稳定性进行了三维有限元数值分析, 得到了V-H-T 荷载空间内的破坏包络面。V-H –T荷载空间内的三维包络面关于T轴、H轴对称，这与共面复合加载V-H-M荷载空间内的包络面特性明显不同。结合不同荷载空间内包络面特性，初步建议了一个软黏土地基上桶形基础在六维自由度复合加载条件下的破坏包络面方程。