海上風(fēng)電循環(huán)荷載作用下砂土動(dòng)力學(xué)特性

任國澄

（中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510663）

1 前言

近年來，海上風(fēng)電建設(shè)處于高速發(fā)展時(shí)期，巖土工程勘察和試驗(yàn)作為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)前期工作的關(guān)鍵一環(huán)，直接關(guān)系到風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性和安全性。不同于陸上工程結(jié)構(gòu)物，受風(fēng)力、波浪和潮流等動(dòng)力循環(huán)荷載作用[1]，海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)承載力逐漸退化[2]，累計(jì)變形增大，不利工況下將直接影響風(fēng)機(jī)正常工作。目前海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以靜力設(shè)計(jì)為主，在循環(huán)荷載對地基土的動(dòng)力響應(yīng)特性研究不多，勘察和試驗(yàn)尚不能滿足風(fēng)電工程特別是浮式基礎(chǔ)的建設(shè)需求[3]。

巖土工程勘察通常需采取原狀樣品，通過開展原狀樣品的室內(nèi)試驗(yàn)，以查明巖土層的抗剪強(qiáng)度、壓縮系數(shù)、滲透系數(shù)、密實(shí)度等巖土參數(shù)，為確定基礎(chǔ)承載力和設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)。砂土由于現(xiàn)場取樣、實(shí)驗(yàn)室制樣等過程中不可避免存在擾動(dòng)，取得原狀試樣是困擾行業(yè)的一大難題。

在此背景下，本文采用廣東粵西某海上風(fēng)電項(xiàng)目擾動(dòng)砂土樣品，通過原位測試獲取砂土的密實(shí)度，并開展砂土相對密度試驗(yàn)，通過制取重塑砂土樣品最大限度模擬原位砂土體狀態(tài)。在原位固結(jié)狀態(tài)下，對重塑砂土樣進(jìn)行了動(dòng)三軸、共振柱和動(dòng)強(qiáng)度等動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)土樣和試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)土樣制備

本次試驗(yàn)砂土樣取自廣東粵西某海上風(fēng)電項(xiàng)目勘探鉆孔，擾動(dòng)樣品取樣深度為38.0-39.0m，通過孔壓靜力觸探試驗(yàn)[4]、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)等原位測試手段綜合分析，重塑砂土樣相對密度Dr 取0.67。結(jié)合相對密度試驗(yàn)，重塑砂土樣制取后，開展動(dòng)三軸、共振柱和動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)按原位圍壓取390kPa，固結(jié)比Kc 取1.0。

砂土相對密度試驗(yàn)按國標(biāo)[5]要求進(jìn)行。試驗(yàn)進(jìn)行兩次平行測定，兩次測定值其最大允許差值≤0.03g/cm3，取兩次測值的平均值為試驗(yàn)結(jié)果。

2.2 動(dòng)三軸試驗(yàn)

本次試驗(yàn)制備成φ39.1×80mm 尺寸的圓柱試樣，對試樣進(jìn)行抽真空飽和及反壓飽和，飽和度不低于98%。在原位壓力和固結(jié)比下，完成試樣固結(jié)，并逐級施加正弦波動(dòng)荷載（圖1），下一級動(dòng)荷載幅值為上一級的2 倍左右，單級動(dòng)荷載下的循環(huán)振次不超過5 次（本次試驗(yàn)取3 次），計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)記錄在每一級振動(dòng)力作用下的應(yīng)力-應(yīng)變滯回圈及數(shù)據(jù)。

2.3 共振柱試驗(yàn)

試樣制備后，試驗(yàn)通過強(qiáng)迫振動(dòng)測出試樣的共振頻率。通過調(diào)整電壓頻率和幅值，尋找試樣對應(yīng)于某一剪應(yīng)變下的共振頻率，并通過安置在驅(qū)動(dòng)盤上的加速度計(jì)，檢測記錄試樣受到激勵(lì)后的響應(yīng)曲線。逐步增加振動(dòng)力，測量試樣扭轉(zhuǎn)方向的固有振動(dòng)頻率以及剪切應(yīng)變和阻尼振動(dòng)線，計(jì)算出動(dòng)剪切模量和阻尼比。

2.4 動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)

按預(yù)定條件制備和安裝試樣，當(dāng)孔隙水壓力系數(shù)B值大于0.95 時(shí)，試樣滿足飽和度要求；按原位壓力進(jìn)行固結(jié)，按設(shè)定壓力和不排水條件，以指定動(dòng)應(yīng)力比值在試樣頂部施加循環(huán)動(dòng)荷載。當(dāng)試樣總變形達(dá)到5%，試驗(yàn)再振動(dòng)3 周停機(jī)，試驗(yàn)所加動(dòng)荷載的頻率為1.0Hz（海上風(fēng)機(jī)主要?jiǎng)恿υ搭l率之一3P）。

本次試驗(yàn)kc=1.0，破壞標(biāo)準(zhǔn)為：以試樣孔壓達(dá)到圍壓或雙幅動(dòng)應(yīng)變（或總應(yīng)變）達(dá)到5%為破壞標(biāo)準(zhǔn)。

2.5 試驗(yàn)設(shè)備

動(dòng)三軸、動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)采用英國GDS 單向激振動(dòng)三軸實(shí)驗(yàn)儀（圖1），共振柱試驗(yàn)采用美國GCTS 共振柱實(shí)驗(yàn)儀（圖2）。其中，GDS 三軸試驗(yàn)設(shè)備由主機(jī)、圍壓控制器、反壓控制器及數(shù)據(jù)采集儀組成。設(shè)備采用電磁激振，通過伺服電機(jī)在試樣底部對試樣施加動(dòng)荷載，試樣受到的動(dòng)荷載大小由頂部的拉壓傳感器測定，軸向變形由壓力室底部的軸向位移傳感器測定。

圖1 GDS 動(dòng)三軸試驗(yàn)儀

圖2 GCTS 共振柱實(shí)驗(yàn)儀

3 砂土在循環(huán)荷載作用下的破壞特征

3.1 動(dòng)三軸試驗(yàn)

不同動(dòng)應(yīng)變時(shí)的動(dòng)彈模量與阻尼比試驗(yàn)成果見表1，不同動(dòng)應(yīng)變時(shí)的動(dòng)彈模量比與阻尼比數(shù)值化成果（不同εd下的Ed/Edmax、λ 計(jì)算值）見表2，不同動(dòng)應(yīng)變時(shí)的動(dòng)剪模量比與阻尼比數(shù)值化成果（不同γd下的Gd/Gdmax、λ 計(jì)算值）見表3，最大動(dòng)彈模量、最大動(dòng)剪模量分別為318.3MPa、106.1MPa。

表1 不同動(dòng)應(yīng)變時(shí)的動(dòng)彈模量與阻尼比試驗(yàn)成果表

表2 不同εd 下的Ed/Edmax、λ 數(shù)值化成果計(jì)算值

表3 不同γd 下的Gd/Gdmax、λ 計(jì)算值

動(dòng)剪模量比Gd/Gdmax、阻尼比λ 與動(dòng)應(yīng)變?chǔ)胐關(guān)系曲線見圖3。由表1～表3、圖3 可以看出，隨著動(dòng)應(yīng)變振幅增大，動(dòng)剪模量降低，阻尼比增大。在動(dòng)應(yīng)變幅值小于1.00E-04 時(shí)，隨著應(yīng)變振幅增大，動(dòng)剪模量降低變化較小，阻尼隨應(yīng)變振幅增加變化不大；當(dāng)動(dòng)應(yīng)變幅值大于1.00E-04 時(shí)，隨著應(yīng)變幅值增大，動(dòng)剪模量明顯變小，阻尼比明顯增大。

圖3 Gd/Gdmax 和λ～γd 關(guān)系曲線

3.2 共振柱試驗(yàn)

共振柱試驗(yàn)最大動(dòng)剪模量Gdmax為125.9 MPa。阻尼比λd與動(dòng)剪應(yīng)變?chǔ)胐關(guān)系曲線見圖4。

圖4 Gd/Gdmax 和λd～γd 關(guān)系曲線

3.3 動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)

典型動(dòng)剪應(yīng)力比情況下的孔壓比、動(dòng)應(yīng)變與振次關(guān)系曲線見圖5。

圖5 典型動(dòng)剪應(yīng)力比情況下的孔壓比、動(dòng)應(yīng)變與振次關(guān)系曲線

動(dòng)剪應(yīng)力比(τd/σ0)與破壞振次lgNf見圖6。從圖5、圖6 可以看出，采用不同的動(dòng)剪應(yīng)力比，對破壞陣次數(shù)值影響顯著。砂土在相同固結(jié)比和原位圍壓下的動(dòng)強(qiáng)度，采用的動(dòng)剪應(yīng)力比越大，破壞陣次越少，孔壓比也越快達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 動(dòng)剪應(yīng)力比(τd/σ0)與破壞振次lgNf 關(guān)系

4 結(jié)論

近年來我國海上風(fēng)電進(jìn)入了高速發(fā)展期，由于海上風(fēng)電的復(fù)雜和特殊性，其在我國發(fā)展歷程較短，特別是循環(huán)荷載作用下地基土響應(yīng)與承載特性的基礎(chǔ)研究仍比較有限。本文采用先進(jìn)的英國GDS 單向激振動(dòng)三軸實(shí)驗(yàn)儀和美國GCTS 共振柱實(shí)驗(yàn)儀，開展砂土動(dòng)三軸、共振柱和動(dòng)強(qiáng)度等動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)，著重研究了砂土在循環(huán)荷載作用下的破壞特征。試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）結(jié)合孔壓靜力觸探等原位測試和室內(nèi)試驗(yàn)制取重塑砂土樣品，可有效解決砂土原狀樣品采取困難的問題，最大限度模擬了原位砂土體狀態(tài)，實(shí)用性強(qiáng)。

（2）動(dòng)三軸和共振柱試驗(yàn)具有一致的應(yīng)力應(yīng)變特征，即隨著剪應(yīng)變振幅增大，砂土動(dòng)剪模量降低，阻尼比增大。當(dāng)動(dòng)應(yīng)變幅值小于臨界值（動(dòng)三軸1.00E-04、共振柱5.00E-05）時(shí)，隨振幅增大，動(dòng)剪模量降低和阻尼比增大的幅度均較?。划?dāng)動(dòng)應(yīng)變幅值大于臨界值（動(dòng)三軸1.00E-04、共振柱5.00E-05）時(shí)，隨振幅增大，動(dòng)剪模量降低顯著，阻尼比也明顯增大。

（3）根據(jù)動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)，在相同固結(jié)比和圍壓下，隨著動(dòng)剪應(yīng)力比的增加，破壞振次越少，孔壓比也越快達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)。

（4）不同荷載幅值和頻率下循環(huán)荷載對砂土作用特征曲線，可為海上風(fēng)電基礎(chǔ)與砂土地基動(dòng)力分析提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累和借鑒，具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值。