论文总字数：26054字

摘 要

随着社会和经济的发展对优化能源结构、保护生态环境提出了更高的要求，海洋风电凭借其得天独厚的优势，正成为研究和发展的热点。海洋风电机组基础结构常受到波浪、水流等荷载作用，桩周土的力学响应研究受到广泛关注。目前的研究以宏观尺度为主，对桩周土的细观结构与变形之间的关系的研究相对较少。

本文基于海洋风电机组基础结构的背景，着重考虑循环荷载的影响，从细观尺度上对桩周土的应力路径和力学响应进行了研究：

（1）对比分析国外两本关于海洋风电机组基础结构的规范与国内关于陆地风电机组基础结构的规范，主要从设计原则、荷载工况和安全系数三个方面进行考虑，并对我国制定海洋风电的相关规范提出了建议。为后续研究循环荷载作用下颗粒材料的力学响应提供了依据。

（2）运用离散元法的思想，利用PFC2D程序，对颗粒材料的力学响应进行数值模拟研究。分别研究了墙体摩擦系数（正常边界和粗糙边界）对颗粒材料力学响应的影响，以及循环荷载作用下颗粒材料力学响应，着重考察了平均主应力、剪应力、体积应变、剪应变、应力比和孔隙比等物理量之间的关系。

关键词：海洋风电，单桩基础，离散元，颗粒材料，力学响应

Abstract

With the development of society and economy, higher requirements have been put forward for optimizing the energy structure and protecting the environment. Offshore wind power is becoming a research hotspot because of its unique advantages. The offshore wind turbine foundation is constantly subjected to loadings such as waves and currents. Most of the current studies focus on the working abilities of pile foundations. There are relatively few studies on the relationship between meso-structure and deformation of the soil around the pile.

This dissertation focuses on the stress path and elementary behavior of the soil around offshore wind turbine foundation:

i. In the first half, this dissertation analyses the similarities and differences between two foreign and one domestic guidelines about the design of offshore wind turbine structures, taking three important aspects into consideration, which are design principles, loading conditions and loading measurements. This analysis provides basis for the subsequent study of elementary behavior of granular material.

ii. In the second half, this dissertation carries out numerical simulation investigation on the elementary behavior of granular material, aided by the discrete element method (DEM). The influences of friction coefficient of the boundary wall and cyclic loading on the elementary behavior of granular material, respectively, are studied.

KEY WORDS: offshore wind turbine, pile foundation, DEM, granular material, elementary behavior

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 概述 1

1.1.1 背景 1

1.1.2 海洋风电基础形式 1

1.2 研究现状 2

1.2.1 桩土作用宏观研究 2

1.2.2 颗粒材料力学响应细观研究 2

1.3 研究思路与方法 3

1.3.1 离散元法 3

1.3.2 PFC2D程序 5

1.4 主要研究内容与创新之处 6

1.4.1 研究内容 6

1.4.2 创新之处 6

第二章 国内外规范对比 7

2.1 概述 7

2.2 设计原则 7

2.2.1 安全等级 7

2.2.2 极限状态 8

2.3 荷载工况 8

2.3.1 风荷载 8

2.3.2 波浪荷载 10

2.3.3 海流荷载 11

2.3.4 其他荷载 11

2.4 安全系数 11

2.4.1 DNV规范 11

2.4.2 API规范 12

2.4.3 中国规范 12

2.5 建议 13

第三章 颗粒材料的数值模拟研究 14

3.1 概述 14

3.2 基本原理 14

3.2.1 应变定义 14

3.2.2 应力和应变的计算 15

3.2.3 荷载控制 15

3.3 墙体摩擦系数对颗粒材料力学响应的影响 16

3.3.1 材料性质 16

3.3.2 数值模拟试验步骤 16

3.3.3 试验结果分析 17

3.4 循环荷载作用下的颗粒材料力学响应 19

3.4.1 单向循环作用 20

3.4.2 双向循环作用 21

3.5 总结 22

第四章 结论与展望 23

4.1 结论 23

4.2 不足与展望 23

致谢 25

参考文献 26

绪论

概述

背景

能源是社会和经济发展的重要基础。随着经济的迅猛发展，对能源的需求日益增长，能源危机逐渐显露。近年来化石能源日趋匮乏，环境问题不断恶化，优化能源结构，利用新能源和可再生能源，已经成为研究和发展的热点。经过40多年对可再生能源开发的研究和应用，可再生能源以其得天独厚的优势正蓬勃发展起来。

风能是一种清洁无污染的可再生能源，对于优化能源结构、保护生态环境有着重要的意义。风力发电是当前利用风能的一个重要方式，是可再生能源利用技术中相对成熟的。风力发电分为海洋风电和陆地风电，海洋风电相比陆地风电，其优势十分明显^[1]：

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