近海风机基础系统安全性评估与监测技术研究

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近海风机基础系统的安全评估涉及到两方面的内容:土体状态评估和桩体状态评估,土体与桩体的安全状态是相互联系的,海床失稳是两者联系的交叉点。基于此,本文以东海大桥海上风电场为工程背景,围绕海床失稳、风机基础设计、海床失稳对近海风机基础的影响等问题开展了系统的研究,并在此基础上制定了近海风机基础系统的监测方案,编制了相应的监测数据处理软件。   利用分离变量法,将经典二维Biot固结模型的求解问题转化为复系数线性齐次常微分方程的求解;进而,引入复波数的概念构造水平位移的通解,最终得到了Biot固结模型的显式通解。将求得的解析解与前人的工作和数值解进行了比较。基于解析解,通过大量的算例对波浪荷载作用下海床内的孔压分布、应力分布和位移分布进行了详细的分析,得出了若干结论,可为海洋结构物基础设计提供参考。   经典的Biot固结模型不能考虑围压和侧向排水条件的影响,本文对经典Biot固结模型进行了扩展,基于摩尔库伦准则建立了基于总应力法的海床剪切破坏准则,结合Okusa液化准则,对东海大桥海上风电场场地稳定性进行了分析,讨论了平均波高、设计波高和破碎波高三种波况下场地土体有效应力、振荡应力及应力角的变化情况,得到了波高对海床稳定性的影响规律。   基于扩展Biot固结模型和虚拟桩技术,建立了海洋环境下桩-土相互作用问题的数学模型,并应用FlexPDE对此数学模型进行了数值求解,得到了作用于桩体上的侧向土压力的数值解。该数值解综合了波浪要素、海床土体条件以及桩体特性等多方面的影响,具有明确的物理意义。在现场试桩比较困难的情况下,此数值解可为海洋桩基的设计提供参考。   基于东海大桥海上风电场的场地勘察资料,针对1.25MW风机设计了两种风机基础,即:单桩和三脚架基础。应用ANSYS建立了两种基础的有限元模型,分别进行了线性静力分析、非线性静力分析、模态分析和动力分析,比较了两种基础的承载性能,可为近海风机基础的选型提供参考。   从海床的宏观力学性能方面出发,将波浪-海床相互作用系统简化为一简单的力学模型,推导了波浪作用下二维海床土体的侧向位移分布,并与数值结果进行对比,验证了模型的有效性。基于此简化模型,可以开展海床稳定性评价及海洋环境下被动受荷桩的响应分析方面的工作。以东海大桥海上风电场为工程背景,应用支座位移加载法与动力p-y曲线相结合的方法研究了海床失稳对近海风机单桩基础的影响。研究中综合评估了海床失稳情况下不同参数对近海风机单桩基础响应的影响,包括土体运动幅值的大小、土层滑移的厚度、土体运动的轮廓及波流荷载和海床失稳的耦合效应等,得到了近海风机单桩基础所可能出现的几种破坏模式及其出现顺序。   基于以上研究成果,制定了近海风机单桩基础系统监测方案,并编制了相应的监测数据处理软件,可以辅助实现近海风机基础系统的安全状态评估与预警。   最后,总结了本文所获得的主要结论,提出了开展进一步研究的建议。
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