海上風電循環荷載作用下砂土動力學特性

任國澄

（中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣東 廣州 510663）

1 前言

近年來，海上風電建設處于高速發展時期，巖土工程勘察和試驗作為基礎設計前期工作的關鍵一環，直接關系到風機基礎設計的經濟性和安全性。不同于陸上工程結構物，受風力、波浪和潮流等動力循環荷載作用[1]，海上風機基礎承載力逐漸退化[2]，累計變形增大，不利工況下將直接影響風機正常工作。目前海上風電結構設計以靜力設計為主，在循環荷載對地基土的動力響應特性研究不多，勘察和試驗尚不能滿足風電工程特別是浮式基礎的建設需求[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試驗，以查明巖土層的抗剪強度、壓縮系數、滲透系數、密實度等巖土參數，為確定基礎承載力和設計提供可靠的依據。砂土由于現場取樣、實驗室制樣等過程中不可避免存在擾動，取得原狀試樣是困擾行業的一大難題。

在此背景下，本文采用廣東粵西某海上風電項目擾動砂土樣品，通過原位測試獲取砂土的密實度，并開展砂土相對密度試驗，通過制取重塑砂土樣品最大限度模擬原位砂土體狀態。在原位固結狀態下，對重塑砂土樣進行了動三軸、共振柱和動強度等動力學試驗。

2 試驗土樣和試驗方法

2.1 試驗土樣制備

本次試驗砂土樣取自廣東粵西某海上風電項目勘探鉆孔，擾動樣品取樣深度為38.0-39.0m，通過孔壓靜力觸探試驗[4]、標準貫入試驗等原位測試手段綜合分析，重塑砂土樣相對密度Dr 取0.67。結合相對密度試驗，重塑砂土樣制取后，開展動三軸、共振柱和動強度試驗，試驗按原位圍壓取390kPa，固結比Kc 取1.0。

砂土相對密度試驗按國標[5]要求進行。試驗進行兩次平行測定，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結果。

2.2 動三軸試驗

本次試驗制備成φ39.1×80mm 尺寸的圓柱試樣，對試樣進行抽真空飽和及反壓飽和，飽和度不低于98%。在原位壓力和固結比下，完成試樣固結，并逐級施加正弦波動荷載（圖1），下一級動荷載幅值為上一級的2 倍左右，單級動荷載下的循環振次不超過5 次（本次試驗取3 次），計算機實時記錄在每一級振動力作用下的應力-應變滯回圈及數據。

2.3 共振柱試驗

試樣制備后，試驗通過強迫振動測出試樣的共振頻率。通過調整電壓頻率和幅值，尋找試樣對應于某一剪應變下的共振頻率，并通過安置在驅動盤上的加速度計，檢測記錄試樣受到激勵后的響應曲線。逐步增加振動力，測量試樣扭轉方向的固有振動頻率以及剪切應變和阻尼振動線，計算出動剪切模量和阻尼比。

2.4 動強度試驗

按預定條件制備和安裝試樣，當孔隙水壓力系數B值大于0.95 時，試樣滿足飽和度要求；按原位壓力進行固結，按設定壓力和不排水條件，以指定動應力比值在試樣頂部施加循環動荷載。當試樣總變形達到5%，試驗再振動3 周停機，試驗所加動荷載的頻率為1.0Hz（海上風機主要動力源頻率之一3P）。

本次試驗kc=1.0，破壞標準為：以試樣孔壓達到圍壓或雙幅動應變（或總應變）達到5%為破壞標準。

2.5 試驗設備

動三軸、動強度試驗采用英國GDS 單向激振動三軸實驗儀（圖1），共振柱試驗采用美國GCTS 共振柱實驗儀（圖2）。其中，GDS 三軸試驗設備由主機、圍壓控制器、反壓控制器及數據采集儀組成。設備采用電磁激振，通過伺服電機在試樣底部對試樣施加動荷載，試樣受到的動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 動三軸試驗儀

圖2 GCTS 共振柱實驗儀

3 砂土在循環荷載作用下的破壞特征

3.1 動三軸試驗

不同動應變時的動彈模量與阻尼比試驗成果見表1，不同動應變時的動彈模量比與阻尼比數值化成果（不同εd下的Ed/Edmax、λ 計算值）見表2，不同動應變時的動剪模量比與阻尼比數值化成果（不同γd下的Gd/Gdmax、λ 計算值）見表3，最大動彈模量、最大動剪模量分別為318.3MPa、106.1MPa。

表1 不同動應變時的動彈模量與阻尼比試驗成果表

表2 不同εd 下的Ed/Edmax、λ 數值化成果計算值

表3 不同γd 下的Gd/Gdmax、λ 計算值

動剪模量比Gd/Gdmax、阻尼比λ 與動應變γd關系曲線見圖3。由表1～表3、圖3 可以看出，隨著動應變振幅增大，動剪模量降低，阻尼比增大。在動應變幅值小于1.00E-04 時，隨著應變振幅增大，動剪模量降低變化較小，阻尼隨應變振幅增加變化不大；當動應變幅值大于1.00E-04 時，隨著應變幅值增大，動剪模量明顯變小，阻尼比明顯增大。

圖3 Gd/Gdmax 和λ～γd 關系曲線

3.2 共振柱試驗

共振柱試驗最大動剪模量Gdmax為125.9 MPa。阻尼比λd與動剪應變γd關系曲線見圖4。

圖4 Gd/Gdmax 和λd～γd 關系曲線

3.3 動強度試驗

典型動剪應力比情況下的孔壓比、動應變與振次關系曲線見圖5。

圖5 典型動剪應力比情況下的孔壓比、動應變與振次關系曲線

動剪應力比(τd/σ0)與破壞振次lgNf見圖6。從圖5、圖6 可以看出，采用不同的動剪應力比，對破壞陣次數值影響顯著。砂土在相同固結比和原位圍壓下的動強度，采用的動剪應力比越大，破壞陣次越少，孔壓比也越快達到破壞標準。

圖6 動剪應力比(τd/σ0)與破壞振次lgNf 關系

4 結論

近年來我國海上風電進入了高速發展期，由于海上風電的復雜和特殊性，其在我國發展歷程較短，特別是循環荷載作用下地基土響應與承載特性的基礎研究仍比較有限。本文采用先進的英國GDS 單向激振動三軸實驗儀和美國GCTS 共振柱實驗儀，開展砂土動三軸、共振柱和動強度等動力學試驗，著重研究了砂土在循環荷載作用下的破壞特征。試驗結果表明：

（1）結合孔壓靜力觸探等原位測試和室內試驗制取重塑砂土樣品，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，實用性強。

（2）動三軸和共振柱試驗具有一致的應力應變特征，即隨著剪應變振幅增大，砂土動剪模量降低，阻尼比增大。當動應變幅值小于臨界值（動三軸1.00E-04、共振柱5.00E-05）時，隨振幅增大，動剪模量降低和阻尼比增大的幅度均較小；當動應變幅值大于臨界值（動三軸1.00E-04、共振柱5.00E-05）時，隨振幅增大，動剪模量降低顯著，阻尼比也明顯增大。

（3）根據動強度試驗，在相同固結比和圍壓下，隨著動剪應力比的增加，破壞振次越少，孔壓比也越快達到破壞標準。

（4）不同荷載幅值和頻率下循環荷載對砂土作用特征曲線，可為海上風電基礎與砂土地基動力分析提供了基礎數據積累和借鑒，具有較強的工程應用價值。