東海大橋風(fēng)電場土動(dòng)剪切模量與阻尼比試驗(yàn)研究★

石登登 顏 超 喻孟初

(上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093)

東海大橋風(fēng)電場土動(dòng)剪切模量與阻尼比試驗(yàn)研究★

石登登 顏 超 喻孟初

(上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093)

為了獲得東海大橋海上風(fēng)電場地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和建造的土動(dòng)力參數(shù)，對東海大橋東部海域的9類原狀海洋地基土進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)，研究了剪應(yīng)變幅值在5×10-5～2×10-2范圍內(nèi)海洋原狀土的動(dòng)剪切模量和阻尼比的變化規(guī)律，研究結(jié)果對實(shí)際工程有一定的借鑒作用。

海上風(fēng)電場，地基土，動(dòng)剪切模量，阻尼比

0 引言

海上風(fēng)電作為一種可再生能源，憑借著高風(fēng)速、低風(fēng)切變、低湍流、高產(chǎn)出、開發(fā)效率高、環(huán)境污染小、不占用耕地等優(yōu)點(diǎn)，正在成為新能源領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)。我國擁有漫長的海岸線，近海風(fēng)能資源豐富，用電負(fù)荷中心大多集中于東部沿海地區(qū)，海上風(fēng)電場具有廣闊的發(fā)展前景。東海大橋海上風(fēng)電場是亞洲第一座大型海上風(fēng)電場，位于東海大橋東側(cè)的海域，風(fēng)電場總裝機(jī)容量100 MW，擬置20臺單機(jī)容量5 MW的風(fēng)電機(jī)組[1]。在海上修建風(fēng)電場，海洋水文、氣候條件和海底地質(zhì)條件都非常復(fù)雜，對風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和建造的可靠性要求極高。這就要求對海上風(fēng)電場地基土進(jìn)行動(dòng)模量和阻尼特性研究，并以此作為地震、波浪和機(jī)械等動(dòng)荷載作用下風(fēng)電場地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和建造的基本依據(jù)。目前，我國關(guān)于海洋土的研究資料相對缺乏，主要是針對渤海、東海、黃海等海洋油氣開采密集區(qū)域的海床表層或淺層海洋土開展研究[2-4]，對于深層海洋土的研究成果較少，且有關(guān)東海大橋海上風(fēng)電場地基土的動(dòng)模量和阻尼比的研究尚未見報(bào)道。因此，以東海大橋海上風(fēng)電項(xiàng)目二期工程為背景，對東海大橋海上風(fēng)電場地基土的動(dòng)模量和阻尼比進(jìn)行動(dòng)三軸實(shí)驗(yàn)研究，具有工程應(yīng)用價(jià)值，有利于加深對東海大橋海上風(fēng)電場地基土動(dòng)力學(xué)性能的認(rèn)識，以及促進(jìn)東海大橋海上風(fēng)電場工程的抗震研究。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)樣品

本次實(shí)驗(yàn)的土樣取自于上海市東海大橋東部海域的ZK-56-2鉆孔，為埋深在90 m以內(nèi)的原狀海洋土。鉆孔土樣經(jīng)勘察分析，可將鉆孔區(qū)域的土體按照不同特性劃分為該鉆孔土樣存在9層不同類型的土層，按照SL 237—1999土工試驗(yàn)規(guī)程，將各層原狀土切削成直徑39.1 mm、高80 mm的試樣。表1為各土層物理特性及試驗(yàn)條件。

表1 東海大橋風(fēng)電場各土層物理特性及試驗(yàn)條件

1.2 試驗(yàn)儀器

采用西安力創(chuàng)材料檢測技術(shù)有限責(zé)任公司研制的電液伺服土動(dòng)三軸試驗(yàn)機(jī)，位移傳感器量程為±15 mm，振動(dòng)波采用正弦波。

1.3 試驗(yàn)方法

土樣固結(jié)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)參照SL 237—1999土工試驗(yàn)規(guī)程采用雙面排水固結(jié)。進(jìn)行動(dòng)模量阻尼比試驗(yàn)時(shí)，采用分級加載，每一級軸向負(fù)荷加載5次，持續(xù)加載到軸向負(fù)荷不再增加為止。為確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重現(xiàn)性和規(guī)律性，每層土的試驗(yàn)都重復(fù)2個(gè)～3個(gè)試樣。

2 動(dòng)模量與阻尼比的實(shí)驗(yàn)原理

加載處應(yīng)力—?jiǎng)討?yīng)變滯回圈，如圖1所示。

采用割線模量定義動(dòng)彈性模量Ed為：

(1)

其中，σdmax，σdmin分別為同一次循環(huán)荷載中最大軸向動(dòng)應(yīng)力和最小動(dòng)應(yīng)力；εdmax，εdmin分別為同一次循環(huán)荷載中最大軸向動(dòng)應(yīng)變和最小動(dòng)應(yīng)變。

阻尼比λ定義為：

λ=W/4πWs

(2)

其中，W為滯回圈曲線ABCD所包含的面積即一個(gè)循環(huán)中的能量損耗；Ws為三角形AEF的面積即彈性應(yīng)變能。

根據(jù)試驗(yàn)記錄的動(dòng)應(yīng)力—?jiǎng)虞S向應(yīng)變幅值數(shù)據(jù)，利用式(1)和式(2)計(jì)算動(dòng)彈性模量Ed和阻尼比λ；按式(3)和式(4)將不同動(dòng)軸向應(yīng)變幅值εd對應(yīng)的動(dòng)彈性模量Ed、阻尼比λ轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的動(dòng)剪應(yīng)變幅值γd對應(yīng)的動(dòng)剪切模量Gd、阻尼比λ：

γd=(1+μd)εd

(3)

(4)

其中，μd為動(dòng)泊松比。

文獻(xiàn)[5]的試驗(yàn)結(jié)果表明海洋原狀土的動(dòng)泊松比隨著動(dòng)剪應(yīng)變幅值的增大而增大，并結(jié)合文獻(xiàn)[6]的試驗(yàn)研究中動(dòng)泊松比的取值，海洋原狀土各類土的動(dòng)泊松比取值列于表2。

表2 各類土的動(dòng)泊松比

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 動(dòng)剪切模量

采用雙曲線骨架曲線模型描述東海大橋東部海域90 m以內(nèi)海洋原狀土的動(dòng)剪應(yīng)力—剪應(yīng)變幅值之間的關(guān)系[7]，割線動(dòng)剪切模量Gd與剪應(yīng)變幅值γd之間的關(guān)系可表示為：

(5)

其中，m，n均為擬合參數(shù)。

當(dāng)γd→0時(shí)Gdmax=1/m，據(jù)此可計(jì)算出各試樣的最大動(dòng)剪切模量Gdmax。

3.2 動(dòng)剪切模量比和阻尼比

采用Martin 和Seed提出的動(dòng)剪切模量衰減曲線經(jīng)驗(yàn)公式(6)擬合東海大橋東部海域90 m以內(nèi)海洋原狀土動(dòng)剪切模量比[8]：

(6)

其中，A，B和γ0均為擬合參數(shù)。

通過擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)東海大橋東部海域90 m以內(nèi)海洋原狀土阻尼比與剪應(yīng)變幅值關(guān)系曲線可以用式(7)描述：

(7)

其中，λmax，b，c，d均為擬合參數(shù)。

依土類不同，將各類土的動(dòng)剪切模量比Gd/Gdmax和阻尼比λ隨動(dòng)剪應(yīng)變幅值γd變化的試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)繪于圖2a)～圖2i)。

從圖2可以看出：動(dòng)三軸試驗(yàn)的剪應(yīng)變幅值范圍為5×10-5≤γd≤ 2×10-2。無論是粘土還是砂土，動(dòng)剪切模量Gd隨動(dòng)剪應(yīng)變?chǔ)胐的增加而減少，在剪應(yīng)變幅值γd≤5×10-5，5×10-5≤γd≤1×10-2和γd≥1×10-2三個(gè)區(qū)間內(nèi)，隨著剪應(yīng)變幅值的增大，海洋原狀土動(dòng)剪切模量變化趨勢分別為緩慢減少、快速減少和緩慢減少。而阻尼比λ隨動(dòng)剪應(yīng)變?chǔ)胐的增加而增長，在剪應(yīng)變幅值γd≤5×10-5，5×10-5≤γd≤2×10-2和γd≥1×10-2三個(gè)區(qū)間內(nèi)，隨著剪應(yīng)變幅值的增大，海洋原狀土動(dòng)阻尼比變化趨勢分別為緩慢增長、快速增長和基本保持不變。

根據(jù)式(6)，式(7)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑢M合得到的不同土類動(dòng)剪切模量比衰減曲線和阻尼比增長曲線也分別繪制于圖2，擬合模型參數(shù)列于表3。

表3 Gd/Gdmax—γd和λ—γd曲線擬合參數(shù)

4 結(jié)語

利用西安立創(chuàng)電液伺服動(dòng)三軸試驗(yàn)機(jī)對東海大橋東部海域埋深90 m以內(nèi)的原狀海洋土土樣開展了動(dòng)剪切模量和阻尼比試驗(yàn)研究，得到下列結(jié)論：1)采用雙曲線模型和Martin 和Seed動(dòng)剪切模量衰減曲線經(jīng)驗(yàn)公式對Gd/Gdmax及λ與γd的關(guān)系作數(shù)值擬合取得了較好的效果，給出了全部試驗(yàn)擬合參數(shù)供工程設(shè)計(jì)研究使用。2)隨剪應(yīng)變幅值增大，動(dòng)剪切模量衰減曲線呈現(xiàn)緩慢衰減、快速衰減和衰減減慢的變化趨勢，而阻尼比相應(yīng)地呈現(xiàn)緩慢增長、迅速增長和基本保持不變的變化趨勢。3)近似取γd=1×10-6對應(yīng)的Gd作為Gdmax進(jìn)行工程計(jì)算符合物理意義。4)由于試驗(yàn)儀器傳感器精度偏大以及試驗(yàn)方式的缺陷，動(dòng)剪應(yīng)變?chǔ)胐≤1×10-6時(shí)的動(dòng)剪切模量的試驗(yàn)值無法給出，可結(jié)合共振柱試驗(yàn)進(jìn)行研究。

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Experimental study on dynamic shear modulus and damping ratio of foundation soil in Donghai Bridge Offshore Wind Farm★

Shi Dengdeng Yan Chao Yu Mengchu

(DepartmentofEnvironmentandArchitecture,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology，Shanghai200093,China)

To obtain soil dynamic parameters of the foundation soil in Donghai Bridge Offshore Wind Farm, 9 sorts of undisturbed marine soil located in eastern coast of Donghai Bridge have been explored in detail through cyclic triaxial tests. The change law of the dynamic shear modulus and damping ratio of undisturbed marine soil is researched under the dynamic shear strain ranging from 5×10-5to 2×10-2. The research results may be used as reference for practical projects.

offshore wind farm, foundation soil, dynamic shear modulus, damping ratio

2015-02-08★：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：51008194)

石登登(1988- )，男，在讀碩士； 顏 超(1991- )，男，在讀碩士； 喻孟初(1991- )，男，在讀碩士

1009-6825(2015)13-0057-03

TH133

A