Soil reaction curves and damping for monopile design in clay

Abstract

Monopeler er den mest brukte fundamenteringen for havbaserte vindturbiner. En monopel kjennetegnes ved at den har kortere lengde i forhold til diameter (L/D), sett i sammenheng med konvensjonelle slanke peler brukt i olje- og gassindustrien. Følgelig er jordmekanismen ved sideveis lasting av monopeler annerledes enn hva som er erfart ved slanke peler. Dette har ført til store forskningsprosjekter slik som PISA prosjektet, som fastslo at reaksjonsfjærene som brukes for å designe slanke peler (for eksempel API) er utilstrekkelige ved dimensjonering av monopeler. Prosjektet trakk også frem behovet for at reaksjonsfjærene blir kalibrert mot analyse utført ved bruk av elementmetoden.

For å imøtekomme dette behovet er det innen denne oppgaven blitt utviklet et optimaliseringsverktøy for å kalibrere reaksjonsfjærer mot stedsspesifikke grunndata. Optimaliseringsverktøyet kalibrerer reaksjonsresponsen fra jorden ved å skalere de laterale reaksjonsfjærene (p-y). Ved diverse optimaliseringsoppgaver er generaliteten og allsidigheten til verktøyet bekreftet.

I løpet av de siste årene har offshore vind-bransjen hatt rask utvikling, særlig i Asia. Der består mye av grunnforholdene av svak leire og lagdelte leirprofiler. Som følge av at mesteparten av monopel-forskningen hittil har satt lys på stiv over-konsolidert leire, vil denne oppgaven fokusere på monopel-responsen i svakere og bløtere leire, samt lagdelte leirprofiler. Ytelsen av et foreslått designverktøy bestående av reaksjonsfjærer som beskriver monopelresponsen ved hjelp av bjelketeori er testet mot en omfattende parametrisk analyse utført ved elementmetoden. De simulerte jordprofilene inkluderte styrkeprofiler med normal konsolidert til lett over-konsolidert styrke. Lagdelte leirprofiler, der et normal konsolidert leirlag lå over et stivere over-konsolidert lag ble også testet. Fire pel geometrier ble testet, med et lengde-diameter-forhold varierende mellom 3 og 10. Det foreslåtte designverktøyet ga gode resultater for de lengre monopelene (L/D lik 7 og 10). Mens for de kortere pelene (L/D lik 3 og 5) ga design-verktøyet generelt en for stor deformasjonsrespons. Optimaliseringsverktøyet ble benyttet for å undersøke hvilke korreksjoner som trengs. Analysene viste at nøyaktigheten i deformasjonsresponsen økte signifikant ved en enkel konstant skaleringsfaktor for forskyvningsvariablen (y) i p-y fjærene. Skaleringsfaktoren var mer følsom for spenning-tøyningsoppførselen til jorda enn til skjærstyrken eller pel geometrien. For de lagdelte leirprofilene var den eneste pel geometrien som ble merkbart påvirket, pelen med L/D-faktor lik 5, med 60% forankret i det stivere bunnlaget. Analyser utført ved bruk av optimaliseringsverktøyet viste at det svakere øvre leirlaget opplevde en økning i styrke, i motsetning til det sterkere nedre leirlaget, som opplevde en reduksjon i styrkekapasitet.

Hypotesen om at det eksisterer et skaleringsforhold mellom jorddempingen på elementnivå og jord-pel nivå ble testet ved å sammenligne dempningen kalkulert ved elementmetoden for et horisontalt stykke av en pel-modell med den tilsvarende jorddempingen. Åtte forskjellige jordprofiler, med forskjellige over konsoliderings forhold (OCR) og plastisitetsindekser ble testet i en elementmetode modell. Resultatene bekrefter at det finnes et skaleringsforhold mellom jorddempingen på elementnivå og for jord-pel nivå. For likt dempningsforhold kan den normaliserte pelforskyvningen (y/D) bli skalert fra den tilsvarende skjærtøyningen med en faktor på 3.3.

Monopiles are the predominant foundation solution for offshore wind turbines. Due to much smaller length to diameter ratio (L/D) compared to conventional piles used in the offshore oil and gas industry, the soil mechanisms mobilized by a monopile under lateral loading are different from those by a slender pile. This has initiated large scale research projects such as the PISA project, which confirmed that the soil reaction curves used for slender pile design (e.g. API) are unsatisfactory and highlighted the need for the soil reaction curves to be calibrated against finite element analyses (FEA).

To address this need, an optimization tool for calibrating site-specific soil reaction curves has been developed in this study. The optimization tool calibrates the reaction curves by scaling the lateral reaction springs (p-y), to replicate a target (commonly FEA) pile response. The generality and robustness of the tool is validated through various exercises.

In recent years, the offshore wind industry has seen rapid development in Asia, where soft clays and layered clay profiles are commonly encountered. Noting that most of research on monopile design has been focused on stiff over-consolidated clays in the past, this study investigates the soil reaction curves for monopile design in soft clays and layered profiles. The performance of a proposed multi-spring beam-column framework is tested against a comprehensive parametric finite element analysis. The tested soil strength profiles included normally consolidated clay to lightly over-consolidated clays, and layered profile where a normally consolidated clay is underlain by a more competent over-consolidated clay layer. Four pile geometries were tested, with a length over diameter ratio ranging from 3 to 10. The multi-spring model gave a good match when simulating the longer monopiles (L/D of 7 and 10) in all soil profiles. Whereas for the shorter piles (L/D of 3 and 5) the proposed framework predicts generally softer response than predicted by FEA. The optimization tool was utilized to investigate the corrections needed. The analyses showed that the accuracy of the predicted monopile response in the soft clay was significantly increased by a simple scaling factor of the displacement variable (y) in the p-y springs. The scaling factor was found to be more sensitive to the stress-strain behavior of the soil than to the shear strength or monopile geometry. For the layered soil profiles, the only pile geometry noticeably affected by the layering effect was the pile with an L/D-ratio of 5, embedded 60% into a stiffer bottom layer. Analyses of the calculated stiffness corrections showed that the weaker upper soil layer experienced an increase in strength, as opposite to the stronger lower soil layer, which experienced a reduction in strength capacity.

The hypothesis of a scaling relationship between the soil damping at element level and at the soil-pile level was tested by comparing the damping calculated by FEA for a horizontal pile slice with the corresponding soil damping curve. Eight different sets of stiffness reduction (stress-strain) and damping curves covering various over consolidation ratios and plasticity indexes, were examined in FEA. The FEA confirms a scaling relationship between soil damping at element level and the soil-pile interaction level. For the same damping ratio, the normalized pile displacement (y/D) can be scaled from the corresponding shear strain by a factor of 3.3.