海上风电机组地基基础设计规程.doc

海上风电机组地基基础设计规程天津大学建筑工程学院2010-1-2844前 言本规程以挪威船级社《海上风电机组结构设计标准》（DNV—OS—J101）为主要参考范本，同时参考了《海上固定平台规划、设计和建造的推荐作法——荷栽抗力系数设计法》（SY/T10009—2002）和《港口工程桩基规范》（TJT254—98）的相关内容，并纳入了天津大学建筑工程学院相关学科多年的科研成果，采用了基于可靠度设计理论的荷载抗力系数设计法为便于应用本规程对主要涉及的三种基础型式：单桩基础、高承台群桩基础以及筒型基础分别给出了设计算例目 录1 总则 11.1 一般规定 11.2 土质调查 21.3 地基土特性 21.4循环荷载效应 31.5 土与结构物的相互作用 31.6 混凝土结构的耐久性 3说明 42 单桩基础 52.1 一般规定 52.2 桩的设计 52.3 桩的轴向承载力 62.4 桩的轴向抗拔力 92.5 桩的轴向性能 92.6 轴向荷载桩的土反力 102.7 侧向荷载桩的土反力 122.8 桩壁厚度 17说明 20算例 243 高桩承台群桩基础 253.1 一般规定 253.2 软弱下卧层承载力 263.3 负摩阻力 273.4 抗拔计算 283.5 水平承载力 293.6 沉降 313.7 承台设计 323.8 构造要求 38说明 41算例 424 预应力钢筋混凝土筒形基础 43说明 43算例 431 总则1.1 一般规定1.1.1 本章主要介绍了桩基础、重力型基础和海底稳定的要求。

1.1.2 没有在标准中详细说明的基础类型应该特别考虑1.1.3 基础设计应该基于特定的位置（地理）信息，详见第3章（第三章场地条件）1.1.4 基础岩土工程设计应考虑基础结构和地基土的强度和变形这部分状态要求为：——地基土——基础结构上的地基土响应——土体和结构之间的相互作用对于相关的钢和（或）混凝土基础结构自身的要求在第七章到第九章（第七章钢结构设计，第八章海上混凝土结构设计细则，第九章灌浆连接的设计与施工）给出1.1.5 基础破坏模式定义为基础达到任意一种极限状态破坏模式的形式如下：——承载力破坏——（基础）滑动——倾覆——桩被拔出——桩产生大的沉降或位移1.1.6 在第二章（第二章设计准则）中给出的极限状态分类的定义对基础设计也是有效的，除了把由循环荷载作用引起的破坏视为极限承载力状态，也可选择作为偶然极限承载力状态，使用部分荷载和材料系数来定义这些极限状态的分类荷载系数在这种情况下可以应用于设计荷载历史中所有的循环荷载比第五章（第五章荷载和抗力系数）的描述低的荷载系数也可以使用，如果总体安全系数经证明能达到可以接受的极限1.1.7 荷载系数用于不同的极限状态分类的相关设计在第五章（第五章荷载和抗力系数）中给出。

1.1.8 材料系数被用来规定这一章中相关的设计部分，特征土体强度应该与条目1.3一致1.1.9 材料系数可以按照下列情况用于土体抗剪强度：——对于有效应力分析，特征摩擦角的正切值应按材料系数γm来划分——对于总应力分析，特征不排水抗剪强度应按材料系数γm来划分对于轴向桩荷载的土体抗力，材料系数应按照C107（第十章基础设计C桩基础C106条目）中所描述的应用于特征抗力对于侧向桩荷载的土体抗力，材料系数应按照C106（第十章基础设计C桩基础C107条目）中所描述的应用于特征抗力1.1.10 对于重力型基础，结构重力引起的土体附加应力所产生的沉降应该被考虑关系到风电机组的支撑结构的允许倾斜，不均匀沉降的危害应该被考虑对具有重力型基础的结构来说，由结构自重造成的土中应力增加而产生的沉降应该考虑应该考虑风轮机支撑结构的承受不均匀沉降的能力1.1.11 设计原则和基础设计解决实例更详细的说明已在DNV分类说明30.4（不知道是哪）中给出1.2 土质调查1.2.1 土质调查为详细设计建立了必要的土体数据基础，其要求在第三章（第三章场地条件）中给出1.3 地基土特性1.3.1 对于所有重要的土层，土体的特征强度和变形特性应当被确定。

1.3.2 土体特性的特征值还应考虑基于土体体积评估的土体变异性情况，这决定着所考虑的极限状态1.3.3 室内试验和现场试验的结果应该同相关的实践和经验记录进行评估和修正这些评估和修正应该加以证明在这个过程中，应该尽可能的给出极限状态问题中试验测量的土体特性和控制现场土体行为的土体特性之间的差别这些差别主要源于：——由于土体取样和试样没有重现现场应力历史造成的土体扰动——出现裂缝——试验和极限状态之间不同的加载速率——对特定复杂荷载历史，室内试验只能简化替代——土体各向异性所导致的结果主要取决于试验类型1.3.4 安装活动对土体特性造成的可能影响应该被考虑1.3.5 土体特性的特征值应该谨慎估计，因为它影响着极限状态的发生，选择最坏值的可能性是比较低的1.3.6 极限状态可能涉及大体积土体，它由关于体积的土体特性空间平均值来决定特征值的选择应该满足涉及土体体积试验的数量和质量还应特别关注狭窄土体区域决定的极限状态1.3.7 土体特性的特征值应该选择较低值，其小于最可能值，或者后期取值增大，这取决于待求的最坏的极限状态1.4循环荷载效应1.4.1 循环荷载对土体特性的影响在相关的基础设计中应该被考虑。

1.4.2 循环剪应力导致孔隙压力逐渐增加，循环荷载中孔隙压力的建立和伴随增长及永久剪应变会使土体的抗剪强度降低这些影响应该被考虑，当特征抗剪强度的评估用在应用极限状态分类中的设计时1.4.3 在正常使用极限承载力状态设计中，循环荷载对土体剪切模量的影响应根据动态运动、沉降和永久（长期）侧向位移的计算进行相关修正，见D500（第十章基础设计D重力式基础D 500 用于动力分析的土体模型）1.4.4 波浪和海风作用力对土体性状的影响应该对单个风暴或几个连续的风暴在相关地点进行调研1.4.5 在地震活动地区，结构-基础系统应该满足地震荷载，循环荷载对土体特性的恶化效应应该根据地理位置条件和相关设计的考虑被评估见500（第十章基础设计D重力式基础D 500 用于动力分析的土体模型）1.5 土与结构物的相互作用1.5.1 结构荷载效应的评估应该基于土体和结构系统的整体分析分析应该基于关于土体和结构单元的刚度和阻尼的实际假定1.5.2 相关相邻结构的影响也应该被考虑1.5.3地震振动引起结构响应分析，结构基础的有效地基动力特征应该被确定这一确定应该基于自由区域和局部区域土体条件的地基运动特征，使用识别方法对土体和结构的相互作用进行分析。

1.6 混凝土结构的耐久性说明1.3.2 土体变异性一般是土体体积中土体特性从一点到另一点的变化当涉及小体积土体时，以完全变异性来计算局部土体特性是必须的当涉及大体积土体时，就会发生土体特性波动的空间平均值效应在整个土体体积中从一点到另一点因此，计算应基于土体特性的空间平均值，当土体体积充分大时，最终的计算结果将会和土体特性的均值相一致1.3.7应该使用相关的统计方法，当使用这些方法时，局部土体特性的特征值应该被推导，使得控制极限状态发生的最坏值概率不高于5%对于通过统计方法选取土体特性特征值的方法，参考DNV-RP-C207（不知道是哪）2 单桩基础2.1 一般规定2.1.1 对于单桩基础的岩土设计，应该考虑承载力极限状态和正常使用极限状态2.1.2 对于承载力极限状态的设计，土体强度使用设计土体强度值，定义的特征土体强度值由指定的材料参数所划分荷载使用设计荷载值，每个设计荷载都被定义为由相关指定的荷载参数决定的特征荷载这些荷载代表这极限荷载条件两种情况被考虑：——轴向荷载——侧向荷载和弯矩荷载组合2.1.3 对于承载力极限状态中的轴向荷载，足够的轴向桩承载能力被确定2.1.4 对于极限承载力状态中侧向荷载和弯矩荷载的组合，足够的桩承载力来承担这些荷载需要被确定。

桩的承载力由桩的侧向承载力来实现足够的桩承载力验算应当满足以下两个要求：（1）理论设计的桩侧向总承载力，应由沿桩长的设计侧向抗力进行矢量积分来建立，不应小于作用在桩顶的侧向荷载2）桩顶的侧向位移不应该超过一些规定限制侧向位移应该通过侧向荷载和弯矩荷载组合设计值及土抗力和土刚度的特征值来计算需要通过计算设计侧向荷载、弯矩与各种土体的抵抗值和土体硬度后才能得到要求（1）是常规设计准则，是基于土体的完全塑性化要求（2）是必要的附加要求，因为沿桩长附近一些点的局部区域侧向土抗力不能被动员，在这些地方，桩侧向挠度的方向是相反的，即这些区域的土体不能完全塑性化，不管桩顶的侧向挠度有多大2.1.5 对于正常使用极限状态设计，特征土体强度值被用作土体强度值特征荷载被用作荷载这些荷载长期作用将引起土体永久变形，从而导致桩基础永久变形，例如，桩顶的永久累积倾斜对于这些目的，循环荷载作用的土体的行为需要以如下方式表示，土体永久累积变形由正常使用极限状态荷载历史建立的荷载幅值循环次数的函数进行适当计算2.1.6 对于正常使用极限状态设计，需要确保变形偏差不超标变形偏差涉及到永久变形2.2 桩的设计2.2.1 确定一个桩基础的尺寸时，应考虑以下各项：桩的直径、入土深度、壁厚、桩尖形式、间距、数目、几何特性、位置、泥面约束、材料强度、安装方法和其他需要适当考虑的参数。

2.2.2 多种不同的分析过程可以用来确定基础的要求所用的过程至少应恰当地模拟土壤的非线性响应特性，保证结构和桩-土系统之间的荷载-位移协调2.2.3应该在单个桩和整个基础系统的所有危险位置，如桩顶、反弯点和泥面等处校核其变位和转角变位和转角不能超过使用极限值，以免结构物失去它的设计功能2.2.4 基础的承载能力1. 桩的强度：桩的强度应采用D.3（API第D章圆柱形构件的设计D.3联合荷载作用下的圆柱形构件）给出的校核钢管强度的公式，按轴向和弯曲荷载联合作用条件进行验证桩在校核部位的内力，应根据藕合的结构与土非线性基础模型由乘系数的荷载计算当通常由土壤形成的横向约束不足或不存在时，应须按G.9.2（API第G章基础设计G.9群桩效应G.9.2轴向特性）的规定校核桩的柱状屈曲效应2. 桩的轴向抗力：轴向桩能力应满足以下条件： （2.2.4-1） （2.2.4-2）式中：QD为按G.4和G.5确定的桩的轴向极限能力；PDE（或PDO）为用线性结构和非线性基础耦合模型，使用乘系数的荷载确定的极端（或操作）环境下的桩的轴向荷载；为极端环境下桩的扰力系数（）；为操作环境下桩的扰力系数（）。

2.2.5 海底冲刷对桩的侧向和轴向性能及承载力都会产生影响冲刷预测是一种不确定的技术对沉积物运动的研究可能会对确定冲刷的设计标准有所帮助，但现场经验是最好的方法设计标准的不确定性可通过较大强度储备的设计或按需要采用检测和修复的操作对策来解决典型的修补措施见注释。