海上风电三筒和四筒基础砂土地基抗液化性能对比研究

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随着全球对可再生清洁能源的需求增加和海上风电产业链的成熟,海上风电发展将在未来能源市场保持竞争优势。海上风电筒型基础作为海上风机的支撑结构,具有易于沉放安装、承载能力较高等特点,尤其是多筒基础具有分散荷载、提高抗倾覆能力的优势,因此多筒基础的应用研究愈加受到海洋工程界的重视。海上风电基础多位于饱和砂土和粉土的近海地带,在地震作用下砂土发生液化,其承载力将大幅度降低甚至完全丧失承载力,这对基础结构的使用寿命和工程效益会产生严重影响。因此,进行海上风电多筒基础地基土的地震响应特性及液化分析对于基础结构的开发应用和工程安全尤为重要。本文研究内容及结论如下:(1)以三筒导管架基础和四筒导管架基础作为研究对象,开展振动台试验,分析了两种基础形式在地震作用下砂土地基的超孔隙水压力和加速度反应,明确了多筒导管架基础对砂土地基抗液化性能的提高作用,由于基础上部附加荷载作用和筒裙的环箍效应,地基土超孔压增长和加速度反应受到抑制,液化风险降低,同时发现筒壁底端附近为液化高风险区域。(2)根据试验结果,对比分析了两种基础形式对地基土液化和地震反应的影响,肯定了四筒导管架基础在提高砂土地基抗液化性能方面的优势,四筒基础地基土更晚发生液化,加速度反应更小,并且发现多筒基础对砂土抗液化能力的提高随土体距筒基距离的增加而减弱。(3)采用有限元软件ADINA建立三筒和四筒导管架基础及其地基的三维模型,对地基土的超孔压比和加速度放大系数沿深度方向的分布特点及变化规律进行分析,并将有限元结果与试验结果进行对比,验证了有限元方法的可靠性,明晰了多筒基础的存在对提高筒内及其周围砂土地基抗液化性能的有益作用,其中,四筒基础因其自重较大且结构对称而对地基土的影响更显著,液化出现时刻更晚。当输入EI-Centro波的加速度峰值为0.4 g时,三筒基础筒中心处土体的超孔压比在0.1 m深度处达到1.0,浅层地基土已丧失承载能力,而四筒基础筒中心处土体的超孔压比为0.9左右。同时,总结了地基土对地震波的放大效应规律,自由场地地基土的加速度反应呈现出“小震放大、大震衰减”的现象,三筒和四筒基础对地基土的约束作用可有效削减地震反应,且随着振动幅值的增加,浅层土液化现象的出现会导致土体阻尼比增大,阻碍向上传递的剪切波,使地基土对地震波的放大效应出现衰减现象。
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