海上风电场基础及地基动力特性研究

1.与陆上风电场相比，海上风电场建设和运营面临的工程技术和科学问题更为复杂。 2.地基土在地震、波浪等动荷载作用下的变形和强度问题需要重视。 3.土动力问题以工程动力学为理论基础，zui为基本的理论是振动理论和波动理论。 4.与静荷载作用不同，动荷载作用下土表现出速率效应和循环效应等材料效应，这些效应产生的程度既与动荷载的特性有关，又与材料的性质有关。因此，动力分析中需要与荷载及材料特征匹配的动力本构关系来模拟可能出现的效应，研究动荷载的特征和土所处的应变范围是分析和解决相关工程问题的基础。 5.海上风电逐步向深水迈进，对桩-土系统的要求也越来越高，探索新的基础型式也有必要。 6.本书的出版旨在为解决海上风电场地基问题提供一些参考。

截至2020年底，全球海上风电装机已超过35GW，大约是五年前的三倍。中国连续三年成为海上风电最大市场，2020年新增海上风电并网容量超过3GW，约占全球增量的一半。根据国家能源署预测，全球海上风电市场未来20年预计年增长率13%～15%，到2026年底将达到94GW，相应主流风机最大容量达到15MW。为匹配15MW及以上风机，长度超100米，直径超15米的超大型单桩将要投产。
与陆上风电场相比，海上风电场建设和运营面临的工程技术和科学问题更为复杂。地基土在地震、波浪等动荷载作用下的变形和强度问题需要重视。土动力问题以工程动力学为理论基础，最为基本的理论是振动理论和波动理论。与静荷载作用不同，动荷载作用下土表现出速率效应和循环效应等材料效应，这些效应产生的程度既与动荷载的特性有关，又与材料的性质有关。因此，动力分析中需要利用与荷载及材料特征匹配的动力本构关系来模拟可能出现的效应，研究动荷载的特征和土所处的应变范围是分析和解决相关工程问题的基础。另外，海上风电逐步向深水迈进，对桩-土系统的要求也越来越高，探索新的基础型式也很有必要。
基于以上几点认识，本书参阅相关文献，编写了10章内容。第1章介绍了土动力学和海上风电基础的基本概念、研究方法和研究内容；第2章介绍了海上风电机组基础荷载；第3章介绍了在典型动荷载作用下土的工作状态；第4章和第5章分别介绍了振动理论和波动理论；第6章介绍了土的动变形、动孔压、动强度和饱和土的液化，第7章介绍了土的初始剪切模量，第8章介绍了土的动力学模型，第9章介绍了波浪荷载作用下土体振动问题，这几章内容是本书的核心内容；第10章介绍了循环侧向荷载作用下桩的性状，是桩-土系统的综合探讨。
希望本书能为读者的学习和工作提供帮助，限于作者的水平，书中难免存在疏漏之处，敬请读者批评指正。

宿金成
2021年5月

《海上风电场基础及地基动力特性研究》首先介绍土动力学和海上风电基础的基本概念、研究方法和研究内容，然后介绍海上风电机组基础荷载及在典型动荷载作用下土的工作状态，并介绍土动力问题的振动波动理论基础。且在此基础上，就土的动强度、动孔压和动变形、初始剪切模量、土的动力学模型、波浪荷载作用下土体振动问题、循环侧向荷载作用下桩的性状等问题作了探讨分析。
本书可供从事相关工作的教学、科研、设计和勘测人员参考，也可作为有关专业研究生课程的参考资料。

第1章绪论1
1.1概述1
1.2海上风电场工程风电机组基础1
1.2.1基本概念2
1.2.2设计要求4
1.2.3总体分析6
1.2.4海上风电机组基础设计存在的问题8
1.3土的动力特性10
1.3.1土动力学研究历程12
1.3.2土动力学的研究内容14
1.4海上风电场基础的地基动力特性研究途径14
1.5本书的主要内容16

第2章海上风电机组基础荷载17
2.1概述17
2.1.1承载能力极限状态17
2.1.2正常使用极限状态18
2.1.3荷载组合18
2.2风电机组荷载19
2.3风荷载20
2.3.1中国近海海风特点20
2.3.2风荷载21
2.4波浪荷载21
2.4.1小尺度桩或柱的波浪力计算22
2.4.2大尺度桩或柱的波浪力计算24
2.4.3浅水破浪区直立桩或柱破浪力计算27
2.5海流荷载28
2.6波浪、海流共同作用29
2.6.1直立桩或柱的波流作用30
2.6.2斜桩或柱的波流作用31
2.6.3大直径桩或柱的波流作用33
2.7潮位34
2.8海冰34
2.8.1海冰荷载作用形式36
2.8.2固定冰荷载36
2.8.3流冰荷载37
2.9海生物38
2.10地震荷载39
2.11其他荷载39
2.11.1自重荷载39
2.11.2撞击力39

第3章土的工作状态41
3.1概述41
3.2地震荷载作用下土的工作状态42
3.2.1地震荷载42
3.2.2半无限场中纵波(压缩波)的作用44
3.2.3半无限场中横波(剪切波)的作用46
3.2.4二维条件下的应力状态47
3.3波浪荷载作用下土的工作状态48
3.4动力作用水平的评估指标52

第4章振动理论基础55
4.1概述55
4.2阻尼56
4.2.1阻尼的分类57
4.2.2黏滞阻尼57
4.2.3滞后阻尼59
4.2.4滞变阻尼60
4.2.5摩擦阻尼61
4.2.6阻尼矩阵61
4.3单自由度系统62
4.3.1无阻尼自由振动62
4.3.2有阻尼自由振动66
4.3.3单自由度体系对简谐荷载的反应70
4.3.4基础运动引起的振动76
4.3.5单自由度体系对周期性荷载的反应79
4.3.6单自由度体系对冲击荷载的反应82
4.3.7单自由度体系对任意动力荷载的反应88
4.4多自由度系统93

第5章波动理论基础95
5.1概述95
5.2波的基本方程及类型95
5.2.1土体中弹性波的基本方程95
5.2.2波的类型99
5.2.3波速100
5.2.4球形空腔及柱形空腔内表面作用波动力的情况102
5.3一维波传播问题106
5.3.1纵向振动在杆中的传播106
5.3.2剪切振动在杆中的传播108
5.3.3扭转振动在杆中的传播109
5.4半无限弹性介质中波的传播问题109
5.4.1半无限弹性介质中平面波的特性109
5.4.2半无限空间中平面波的传播111
5.5波的反射与折射118
5.6饱和土体中波的传播119
5.6.1Biot理论的控制方程120
5.6.2饱和土中波的传播121
5.7剪切波波速125
5.7.1影响土剪切波速的因素125
5.7.2确定剪切波波速的经验公式126
5.7.3剪切波速的现场测量126

第6章土的动变形、动孔压与动强度129
6.1概述129
6.2土的动变形129
6.2.1动剪切作用引起干砂的永久体积变形129
6.2.2动荷载作用下黏性土的变形130
6.2.3土体的永久变形131
6.3土的动孔压132
6.3.1动荷载作用下孔隙水压力产生的机制132
6.3.2孔隙水压力模型133
6.4土的动强度140
6.4.1土的破坏方式140
6.4.2土的强度机理141
6.4.3冲击荷载作用下土的动强度141
6.4.4循环荷载作用下土的动强度142
6.5饱和土的液化144
6.5.1液化的危害144
6.5.2液化的机制144
6.5.3液化的影响因素145
6.5.4液化判别148

第7章土的初始剪切模量154
7.1概述154
7.2三大类土的初始剪切模量154
7.2.1砂性土的初始剪切模量154
7.2.2黏性土的初始剪切模量157
7.2.3粗砾料的剪切模量162
7.3次固结作用对初始剪切模量的影响164
7.4塑性指数对初始剪切模量的影响166
7.5剪切模量的现场测定168

第8章土的动力学模型172
8.1概述172
8.2应力-应变关系的基本力学模型173
8.2.1基本力学模型173
8.2.2组合模型175
8.3黏弹性线性模型179
8.4黏弹性非线性模型181
8.4.1双线性模型182
8.4.2Ramherg-Osgood模型182
8.4.3Hardin-Drnevich模型184
8.4.4弹塑性模型186

第9章波浪荷载作用下土体振动问题191
9.1概述191
9.2波浪荷载作用下土的动力特性192
9.2.1作用次数和频率对土的动力性能的影响192
9.2.2临界应力比195
9.2.3剪切波波速的经验表达195
9.3波浪荷载作用下土体的半空间无限体解197
9.4波浪荷载作用下土体的数值解201
9.5海底砂土液化判别方法205

第10章循环侧向荷载作用下桩的性状209
10.1概述209
10.2循环侧向荷载作用下桩的性状研究进展210
10.3小尺度模型试验213

参考文献219