一种吸力桩承载力计算方法与流程

本发明涉及海上风电工程，具体涉及一种吸力桩承载力计算方法。

背景技术：

1、与陆上风电相比，海上风电风资源储备丰富、发电稳定、电网接入便利。我国近海上风电建设海域条件复杂，水深和工程地质条件变异性大，部分的场址建设存在着大量机位需要嵌岩的情况，极大的增加了工程的建造成本和建造周期。目前常用的基础型式有重力式基础、单桩基础、多柱基础、吸力桩基础等。引进欧洲先进的吸力桩(筒)基础可以有效避免嵌岩所带来施工难度大、施工工期长等一系列问题，在相应的地质上有着独特的优势。吸力基础是一种倒置的筒形结构，又称吸力桩，通常由钢材制造，适用于海床覆盖层浅、水域深、涌浪大、台风频发的复杂海域环境，具有节省工程材料及费用、缩短海上施工作业时间、便于运输和安装以及重复使用等优点。吸力桩基础已在福建、广东海上风电项目得到较好的应用。

2、吸力桩基础设计的主要目标之一是满足承载力要求，地基承载力计算是设计阶段确定吸力桩桩型、结构安全的前提。但目前吸力桩基础承载力设计尚无规范性指导文件，工程实践主要参考相关工程经验与国外规范，具有主观性与盲目性等问题。

3、吸力桩基础在海洋环境中不仅受到自身以及上部结构所受到的竖向荷载，还受到有波浪、海流以及风等引起的水平与弯矩荷载。这些荷载通过基础传到地基上，使地基受到竖向荷载v、水平荷载h以及弯矩m的复合加载作用。传统的地基承载力计算理论忽略了水平荷载v与弯矩荷载m的相互作用，应用在港口与海洋工程时具有一定的局限性。而在实际工程设计中解决三维空间荷载的承载力计算，通常采用有限元计算方法，计算较为繁琐，运行时间过长。

4、本发明的吸力桩承载力计算主要适用于深浅基础，吸力桩是介于浅基础与深基础之间的特殊基础。吸力桩承载能力宜采用简化的vhm三维荷载空间内的破坏包络面理论方法进行计算。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的是提供一种吸力桩承载力计算方法，能够根据结构计算所得到的荷载、地质勘测所提供的土壤参数获得吸力桩破坏包络面屈服函数，快速初步设计吸力桩桩型。

2、本发明提供了一种吸力桩承载力计算方法，其特征在于：所述方法具体包括以下步骤：

3、步骤s1、输入基础参数：根据吸力桩上部结构与风浪流荷载确定吸力桩顶部竖向荷载、水平荷载、弯矩以及荷载组合；根据室内试验与现场试验获取桩基位置处的海底土壤物理力学性质与基础参数，以及土层类型；

4、步骤s2、设计吸力桩桩型：初步设计吸力桩桩端自由度、桩长以及桩径，并确定侧向承载力系数；

5、步骤s3、获得椭圆平面模型参数：在竖向力、水平力与弯矩多种荷载分量共同作用的复合加载模式下，地基达到整体破坏时各个荷载分量的组合在三维荷载空间(v，h，m)中将形成一个不依赖于加载路径的椭圆曲面为破坏包络面；则椭圆平面模型参数包括弯矩及水平力椭圆长轴参数、弯矩及水平力椭圆短轴参数、竖向及水平力椭圆长轴参数、竖向及水平力椭圆短轴参数、以及斜椭圆转角，基于上述椭圆平面模型参数，并利用vhm三维荷载破坏包络面屈服函数获取吸力桩承载力；

6、步骤s4、求解三维荷载空间内的破坏包络面方程来计算吸力桩承载力：vhm三维荷载空间内的破坏包络面方程，包括吸力桩基础在竖向荷载v、水平荷载h及弯矩m复合加载条件下破坏包络面的分析，完整的vhm三维荷载破坏包络面屈服函数由mh复合加载破坏包络面与vhmax复合加载破坏包络面联立得出；破坏包络面方程能用来计算复合加载条件下吸力桩基础的承载力。

7、进一步的，步骤s5、屈服稳定判断：根据三维荷载空间内的破坏包络面屈服函数判断吸力桩是否满足安全的条件，若不满足条件，则返回步骤s2重新设计吸力桩尺寸，直到包络面屈服方程函数值在安全条件的区间内。

8、进一步的，所述步骤s1中将土层简化为表层强化土、均质土、固结土和阶梯型土四种土层分布情况，不排水抗剪强度su采用剖面插值法取值。

9、进一步的，所述步骤s2中通过桩端自由度与长径比，确定桩的侧向承载力系数。

10、进一步的，所述步骤s3中针对长径比0.5≤l/d≤6的深浅基础，分别定义了mh复合加载破坏包络面、vhmax复合加载破坏包络面和vhm复合加载破坏包络面三种荷载空间内的破坏包络面特性，包络面均为(l/d)和(ez,su/l)的平滑椭圆函数。

11、进一步的，mh复合加载破坏包络面，当竖向荷载v＝0时，mh破坏包络面椭圆方程可按下列公式表示：

12、

13、

14、

15、式中，—斜椭圆转角；

16、h*—无量纲水平力；

17、λl—荷载系数；

18、m*—无量纲弯矩；

19、amh—弯矩及水平力椭圆长轴参数；

20、bmh—弯矩及水平力椭圆短轴参数；

21、d—桩径；

22、l—桩长；

23、—桩端至桩尖间土层不排水抗剪强度平均值；

24、针对长径比0.5≤l/d≤6的深浅基础，按下列公式计算：

25、

26、

27、

28、式中，—斜椭圆转角；

29、ez,su—不排水抗剪强度曲线相对于基础桩底的偏心点离基础顶的距离；

30、l—桩长；

31、—斜椭圆转角变量；

32、amh—弯矩及水平力椭圆长轴参数；

33、np,fix—基础固定端侧向承载力系数；

34、bmh—弯矩及水平力椭圆短轴参数；

35、np,free—基础自由端侧向承载力系数；

36、δbmh—弯矩及水平力椭圆短轴变量。

37、进一步的，vhmax复合加载破坏包络面按下列表达式计算：

38、

39、avh和bvh的值可按下列公式计算：

40、对于表层强化土(ez,su/l＝1/4)：(8)

41、avh＝9/4+5/3l/d(0.5≤l/d＜1.5)

42、avh＝47/12+5/9l/d(1.5≤l/d≤6)

43、bvh＝23/4-13/5l/d(0.5≤l/d＜1.25)

44、bvh＝50/19-2/19l/d(1.25≤l/d≤6)

45、对于均质土(ez,su/l＝1/2)：                             (9)

46、avh＝-9/8+5l/d (0.5≤l/d＜1.25)

47、avh＝9/2+l/(2d)(1.25≤l/d≤6)

48、bvh＝53/8-11l/(4d)(0.5≤l/d＜1.25)

49、bvh＝7/2-l/(4d) (1.25≤l/d≤6)

50、对于固结土(ez,su/l＝2/3)：(10)

51、avh＝7/8+3l/(4d)(0.5≤l/d＜1.5)

52、avh＝1/2+l/d (1.5≤l/d≤6)

53、bvh＝11/2-l/d (0.5≤l/d＜1.5)

54、bvh＝9/2-l/(3d) (1.5≤l/d≤6)

55、对于阶梯型土(ez,su/l＝3/4)：                     (11)

56、avh＝1/8+5l/(4d) (0.5≤l/d＜1.5)

57、avh＝1/2+l/d (1.5≤l/d≤6)

58、bvh＝25/4-3l/(2d)(0.5≤l/d＜1.5)

59、bvh＝9/2-l/(3d)(1.5≤l/d≤6)

60、式中，hmax,v—当v≠0时，最大水平荷载；

61、hmax—当v＝0时，最大水平荷载；

62、v—竖直荷载；

63、vmax—最大竖直荷载；

64、avh—竖向及水平力椭圆长轴参数；

65、bvh—竖向及水平力椭圆短轴参数；

66、ez,su—不排水抗剪强度曲线相对于基础桩底的偏心点离基础顶的距离；

67、l—桩长；

68、d—桩径。

69、进一步的，所述步骤s4中，vhm三维荷载空间内的破坏包络面方程，包括吸力桩基础在竖向荷载v、水平荷载h及弯矩m复合加载条件下破坏包络面的分析，完整的vhm三维荷载破坏包络面屈服函数由mh复合加载破坏包络面与vhmax复合加载破坏包络面联立得出；下列方程能用来计算复合加载条件下吸力桩基础的承载力，

70、

71、式中，fvhm—vhm三维复合荷载空间内的破坏包络面屈服函数；

72、—斜椭圆转角；

73、h*—无量纲水平力；

74、m*—无量纲弯矩；

75、amh—弯矩及水平力椭圆长轴参数；

76、bmh—弯矩及水平力椭圆短轴参数；

77、v—竖直荷载；

78、vmax—最大竖直荷载；

79、avh—竖向及水平力椭圆长轴参数；

80、bvh—竖向及水平力椭圆短轴参数。

81、进一步的，所述步骤s5中，fvhm为vhm三维复合荷载空间内的破坏包络面屈服函数；当fvhm＜0：在屈服包络面之内，则吸力桩基础的承载力和整体稳定性满足设计要求；当fvhm＝0：在屈服包络面上，则吸力桩基础的承载力和整体处于临界值状态；当fvhm＞0：在屈服包络面之外，则吸力桩基础的承载力和整体稳定性不满足设计要求。

82、本发明建立了一种吸力桩承载力计算方法，能够根据结构计算所得到的荷载、地质勘测所提供的土壤参数，初步设计吸力桩，通过三维荷载空间内的破坏包络面方程计算地基承载的安全性，进而确定吸力桩桩型。

83、与现有技术相比，本发明的优点在于：

84、本发明的承载力计算方法在考虑了三维荷载的作用下，通过椭圆破坏包络面方程，整体分析吸力桩承载力，快速确定吸力桩桩型，避免了繁琐的有限元计算，能缩短计算机运行时间；为吸力桩岩土设计阶段的承载力计算提供新的方案。