一种海上风电大直径桩基础数值仿真试桩方法与流程

本发明属于海上风电工程基础结构，具体涉及一种海上风电大直径桩基础数值仿真试桩方法。

背景技术：

1、大直径单桩基础是目前海上风电场使用最广的基础形式，在运行期承担着风、浪、流及地震作用引起的巨大荷载和倾覆弯矩，基础结构的承载变形特性直接影响整体结构和风机运行的稳定性和安全性。目前，国内外单桩基础设计多基于dnv或api规范的p-y曲线法，然而p-y曲线法是基于小直径单桩的现场试验推导得到的半理论半经验方法。海上风机单桩基础直径通常可达6～8m，在这种情况下，p-y曲线法存在适用性的问题。已有研究发现api规范建议的p-y曲线，表现过大的初始刚度和过小的极限桩周土反力，在设计上是偏于保守的。

2、模型试验、现场试验与数值仿真是分析桩基础承载变形特性的常用手段。室内模型试验系统尺寸小，试验开展方便且轻巧，然而现场桩基体积庞大且桩周上应力大，模型试验中由于尺寸效应难以模拟现场桩基的高应力状态，因此采用模型试验结果分析现场大直径桩承载变形特性时仍存在一定的差距。现场试验是分析桩基础承载变形最有效的方法，然而海上大直径桩现场试桩试验耗费巨大，成本昂贵，加载监测困难，目前现场试桩直径仍以小于2m为主，距海上风电大直径单桩基础(直径6～8m)仍有较大差距。数值仿真应用灵活，较为经济，应用广泛，是研究海上风电大直径桩基础承载变形特性的可行方法。然而数值仿真的精确程度依赖于对模型以及参数的选取，如计算模型与参数选取不当，往往造成计算结果与实测值之间存在较大误差。如果该误差超过规定的阈值，则数值仿真将不能反映实际结构特性。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种海上风电大直径桩基础数值仿真试桩方法，解决了大直径桩基础现场试桩试验成本昂贵、耗费巨大等问题，为海上风电工程桩基础设计提供依据，同时为修正、优化现行海上风电工程桩基础设计方法提供参考。

2、为解决现有技术中的技术问题，本发明采用的技术方案是：

3、一种海上风电大直径桩基础数值仿真试桩方法，包括如下步骤：

4、s1：根据现场小直径桩试桩情况，建立数值仿真模型，并初步确定计算参数；

5、s2：对初步确定的计算参数进行敏感性分析，选取合适的计算参数；

6、s3：对现场小直径桩试桩试验进行仿真，如果仿真结果与现场实测小于误差允许值，则进行s4，如果不满足误差要求，重新调整计算参数；

7、s4：进行大直径桩基础数值仿真试桩，分析其承载变形特性。

8、进一步地，步骤s1中，所述数值仿真模型基于现场小直径桩试桩试验及试桩点水文地质环境、土层分布情况建立。

9、进一步地，步骤s1中，所述数值仿真模型为高精度仿真模型，包含有限元模型、有限元差分模型、离散元模型中的一种或者几种；桩体和土体根据设计资料选择本构关系模型，并在桩体和土体之间设置接触面。

10、进一步地，步骤s1中，初步确定的计算参数包括：弹性模量e、泊松比v以及三个强度参数即粘聚力c、摩擦角和剪胀角ψ。

11、进一步地，步骤s2中，进行敏感性分析时选取的计算参数为：对于砂土地基，是弹性模量e、内摩擦角剪胀角ψ、接触面摩擦系数μ；对于粘土地基，是弹性模量e、不排水抗剪强度cu、接触面刚度k；进行敏感性分析，以研究单桩受水平荷载时各参数对桩顶位移和最大弯矩的影响程度。

12、进一步地，步骤s2中，采用修正的morris法对所述计算参数进行敏感性分析，灵敏度指标为：

13、

14、式(1)中：s(y)为参数d对试桩结果的灵敏度指标；yi为第i次计算时的试桩仿真结果，y0为参数采用基准值时的试桩仿真结果；di为第i次计算时的参数值；d0为参数di的基准值，n为计算次数。

15、进一步地，步骤s3中，根据现场试桩实际加载过程进行仿真，并采用加权平均相对误差ε对仿真结果进行评估，当仿真结果与实测值的相对误差ε＜εl时，则进行下一步骤s4；当ε≥εl时则重新调整计算参数进行计算，直至ε＜εl；其中，εl为误差允许值，为设定值；ε可根据下式进行计算：

16、

17、式(2)中，ki为第i个对比数据种类仿真计算值与实测值的平均误差，n为对比数据的种类个数，ωi为加权平均系数，

18、进一步地，步骤s4中，根据海上风电大直径桩工程基础结构设计资料，建立大直径桩基础试桩数值仿真模型，并根据数值仿真模型与计算参数进行数值仿真试桩过程的加载模拟，分析大直径桩基础承载变形特性。

19、本发明的有益技术效果在于：

20、本发明的数值仿真试桩方法，首先基于小直径桩现场试桩建立数值仿真模型并进行计算参数敏感性分析，进而根据实际加载进行仿真分析，如仿真计算值和实测值满足误差要求，则认为选用的模型和计算参数是合理的，则可通过数值仿真方法进行大直径桩基础的试桩试验，分析大直径桩基础的承载变形特性。该方法较现行规范推荐的p-y曲线法具有更高的计算精度，并以较低成本揭示大直径桩基础承载变形特性，具有简便、经济、精确、先进等特点，为海上风电工程桩基础设计提供依据，同时为修正、优化现行海上风电工程桩基础设计方法提供参考。

技术特征：

1.一种海上风电大直径桩基础数值仿真试桩方法，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的海上大直径桩基础数值仿真试桩方法，其特征在于，步骤s1中，所述数值仿真模型基于现场小直径桩试桩试验及试桩点水文地质环境、土层分布情况建立。

3.根据权利要求1或2所述的海上大直径桩基础数值仿真试桩方法，其特征在于，步骤s1中，所述数值仿真模型为高精度仿真模型，包含有限元模型、有限元差分模型、离散元模型中的一种或者几种；桩体和土体根据设计资料选择本构关系模型，并在桩体和土体之间设置接触面。

4.根据权利要求3所述的海上大直径桩基础数值仿真试桩方法，其特征在于，步骤s1中，初步确定的计算参数包括：弹性模量e、泊松比v以及三个强度参数即粘聚力c、摩擦角和剪胀角ψ。

5.根据权利要求4所述的海上大直径桩基础数值仿真试桩方法，其特征在于，步骤s2中，进行敏感性分析时选取的计算参数为：对于砂土地基，是弹性模量e、内摩擦角剪胀角ψ、接触面摩擦系数μ；对于粘土地基，是弹性模量e、不排水抗剪强度cu、接触面刚度k；进行敏感性分析，以研究单桩受水平荷载时各参数对桩顶位移和最大弯矩的影响程度。

6.根据权利要求5所述的海上大直径桩基础数值仿真试桩方法，其特征在于，步骤s2中，采用修正的morris法对所述计算参数进行敏感性分析，灵敏度指标为：

7.根据权利要求6所述的海上大直径桩基础数值仿真试桩方法，其特征在于，步骤s3中，根据现场试桩实际加载过程进行仿真，并采用加权平均相对误差ε对仿真结果进行评估，当仿真结果与实测值的相对误差ε＜εl时，则进行下一步骤s4；当ε≥εl时则重新调整计算参数进行计算，直至ε＜εl；其中，εl为误差允许值，为设定值；ε可根据下式进行计算：

8.根据权利要求4-7任一项所述的海上大直径桩基础数值仿真试桩方法，其特征在于，步骤s4中，根据海上风电大直径桩工程基础结构设计资料，建立大直径桩基础试桩数值仿真模型，并根据数值仿真模型与计算参数进行数值仿真试桩过程的加载模拟，分析大直径桩基础承载变形特性。

技术总结
本发明公开了一种海上风电大直径桩基础数值仿真试桩方法，包括如下步骤：S1：根据现场小直径桩试桩试验情况，建立数值仿真模型，并初步确定计算参数；S2：对初步确定的计算参数进行敏感性分析，选取合适的计算参数；S3：对现场小直径桩试桩试验进行仿真，如仿真结果与现场实测小于误差允许值，则进行S4，如不满足误差要求，重新调整参数进行计算；S4：进行大直径桩基础数值仿真试桩，分析其承载变形特性。本发明的试桩方法，解决了大直径桩基础现场试桩试验成本昂贵、耗费巨大的问题，以较低的成本揭示了大直径桩基础承载变形特性，具有简便、经济、精确、先进的特点，为海上风电工程桩基础设计提供依据，同时为修正、优化现行海上风电工程桩基础设计方法提供参考。

技术研发人员：杨昕光,汪全,申彤,刘涵婧
受保护的技术使用者：中冶检测认证有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13