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试验在长×宽×高=2 m×2 m×1 m的模型试验土槽中进行,自升式安装船试验模型由上部船体、桩腿以及桩靴3个部分组成。试验模型尺寸具体参数如表1所示。
参数 尺寸/mm 参数 尺寸/mm 船体型长 945 桩靴高度 30 船体型宽 433 桩靴宽度 118 船体型深 76 桩靴长度 129 桩腿长度 867 桩靴中心圆孔直径 4 Table 1. Specific dimensions of the test model of the jack-up installation vessel
自升式安装船的模型实物如图1所示,为保证每次试验土样达到充分饱和状态,土箱内部设置进排水系统。如图2所示,水流从土体底部灌入渗流而上直到淹没整个土体并达到指定的水深,为减小对土体扰动,进水过程中尽量减小水流速度。图3为桩靴结构示意图,图3(a)为桩靴实物模型图,图3(b)为桩靴的尺寸示意图。
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本次试验采用福建标准砂,通过一系列室内土工试验得到基本砂土参数,如表2所示,颗粒级配曲线如图4所示。
参数 数值 相对密实度 0.58 弹性模量/MPa 18 粘聚力/kPa 13.2 内摩擦角/(°) 32.5 最大干密度/[g·(cm)−3] 1.50 最小干密度/[g·(cm)−3] 1.28 比重/% 2.42 渗透系数/(cm·s−1) 0.039 Table 2. Parameters of the sandy soil
筛分试验采用2 mm、1 mm、0.5 mm、0.25 mm、0.1 mm和0.075 mm的细筛对试验砂土开展了筛分试验。将各粒组含量百分比绘成如图4所示级配曲线,通过级配曲线判定该试验用土为砂土。由级配曲线可知,试验砂土D10=0.09 mm,D30=0.15 mm,D60=0.175 mm,通过公式(1)和公式(2)分别计算得到砂土的不均匀系数为1.94,曲率系数为1.43,由此判定试验砂土为级配连续性较好的均质砂土。
$$ {C_{\rm{u}}} = \dfrac{{{D_{60}}}}{{{D_{10}}}} = \dfrac{{0.175}}{{0.09}} = 1.94 $$ (1) $$ {C_{\rm{c}}} = \dfrac{{D_{30}^2}}{{{D_{60}}{D_{10}}}} = \dfrac{{{{0.15}^2}}}{{0.175 \times 0.09}} = 1.43 $$ (2) -
图5为试验加载测量装置布置情况,试验过程通过水平推杆在重心位置施加水平方向的外荷载,直至模型倾覆达到极限状态,在加载过程中,通过船体顶部的倾角仪读数确保各工况下模型的加载角度相同。
采集设备采用威肯德WKD3840应变采集仪,采样频率为10 Hz。用到的传感器主要有:
1)土压力盒:用于测量桩靴表面不同位置的土压力分布,量程为0~50 kPa。
2)激光位移传感器:用于测量模型加载过程中的位移,量程为±200 mm。
3)拉线位移传感器:测量静力触探试验中桩靴的贯入深度,量程为0~500 mm。
4)倾角仪:用于确认在加载初始阶段自升式安装船的水平度,灵敏度为0.01°。
5)力传感器:量程0~300 kg,精度0.03%,用于测量加载过程中的水平荷载。
为监测自升式安装船在水平荷载作用下桩靴周围土压力变化,在桩靴模型表面对称布置了16个土压力盒,具体布置以及测点编号如图6所示,依次将桩靴命名为A、B、C、D号桩靴,其中1号和3号位于同侧,2号和4号位于同侧,每个桩靴上嵌有X-1、X-2、X-3、X-4(X为桩靴编号)4个土压计,其中,X-1和X-2位于底部,X-3和X-4位于顶部。由于自升式安装船具有对称性,文章仅对A号和B号桩靴表面土压力进行对比分析。
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为研究桩靴在不同的贯入深度下自升式安装船的极限水平承载力以及桩靴周围土压力的分布情况,设置了4种不同的贯入深度工况,如表3和图7所示。首先进行试验用土制备养护,采用落砂法将砂土均匀地洒落在土槽内,后续试验展开前需要对土槽内的砂土进行翻动,确保每次试验砂土的密实度保持相同。砂土平整后从注水管内向土槽内自下而上注水,使得水从砂土下部逐渐渗透直至越过砂土表面,注水结束后对砂土进行超过24 h的静置养护,得到完全饱和的试验砂土。为了确保每次试验的砂土相对密实度在允许的误差范围内,试验前需要对砂土进行CPT测试。
工况 贯入深度/cm 1 4 2 6 3 8 4 10 Table 3. Test conditions
试验过程中通过水平加载杆沿船体横向进行加载,加载速度为0.27 mm/s,加载点设置在模型重心位置,试验过程中监测倾角仪读数,当安装船产生了10°倾角时,模型基本失稳,终止加载。
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文章采用ABAQUS有限元软件建立自升式安装船的三维有限元模型,如图8所示,模型与试验采取1∶1的比例建立。地基土体采用Mohr-Coulomb本构模型,其参数设置与物理模型试验保持一致。地基土体采用长×宽×高=2 m×2 m×1 m的长方体,可以忽略边界条件对试验的限制,土体底面和侧面分别施加全固定约束和水平约束,设置桩靴与土体的接触时选择刚度大的桩体作为主面、土体作为从面,桩靴与四周土体的接触方式设置为摩擦接触,基础面砂土与桩靴的摩擦系数根据参考值0.25~0.45,选择设定为摩擦系数为0.3。
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采用位移控制法来对自升式安装船进行水平加载,加载点与试验相同均位于船体模型下方8 cm处,水平加载直至基础处于极限状态。
文章参考Villalobos[20]的极限承载力确定方法来计算有限元结果。如图9所示,在位移荷载曲线弹性阶段起点和塑性阶段终点处分别作切线交于一点,然后过交点作1条水平直线与曲线相交于一点,则水平直线与曲线的交点即为基础极限状态对应的点,其对应的荷载即为自升式安装船的极限承载力。
Model Test Study on the Influence of the Spudcan Penetration Depth on the Horizontal Bearing Characteristics of Jack-Up Vessel for Wind Turbine Installation in Sandy Soil
doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.04.001
- Received Date: 2023-05-15
- Rev Recd Date: 2023-05-29
- Available Online: 2023-07-25
- Publish Date: 2023-07-10
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Key words:
- sandy soil /
- jack-up installation vessel /
- penetration depth /
- horizontal bearing characteristics /
- finite element model
Abstract:
Citation: | WANG Kai, WU Zonghao, HAN Ruolang, LE Conghuan, MAI Zhihui, WU Han. Model Test Study on the Influence of the Spudcan Penetration Depth on the Horizontal Bearing Characteristics of Jack-Up Vessel for Wind Turbine Installation in Sandy Soil[J]. SOUTHERN ENERGY CONSTRUCTION, 2023, 10(4): 1-10. doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.04.001 |