郝斌，趙玉成，劉珍巖，李占嶺，盧二巖

（1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院；道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊050043；2.河北電力勘測設(shè)計(jì)研究院，石家莊050031）

波浪循環(huán)荷載作用下濱海軟土水平向動力特性試驗(yàn)研究

郝斌1，趙玉成1，劉珍巖2，李占嶺2，盧二巖2

（1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院；道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊050043；2.河北電力勘測設(shè)計(jì)研究院，石家莊050031）

為研究海上風(fēng)電樁基在波浪荷載作用下，產(chǎn)生水平向循環(huán)荷載對樁基周圍土體動力特性的影響，以唐山地區(qū)濱海軟土為研究對象，通過室內(nèi)動三軸試驗(yàn)，研究不同圍壓、動應(yīng)力幅值和振動次數(shù)條件下對軟土水平向動力特性的影響。結(jié)果表明：軟土水平向動強(qiáng)度隨圍壓增加而增加，隨振動次數(shù)增加而減??；動應(yīng)力幅值增大，破壞振次減??；水平向動應(yīng)變εd隨振動次數(shù)增加變大，且動應(yīng)力幅值越大，增速越明顯，變化規(guī)律遵循Monismith模型；動應(yīng)力幅值改變時，軟土水平向動模量變化明顯，當(dāng)圍壓減小，動彈性模量減?。徊苠檐浲了较蜷g具有明顯的結(jié)構(gòu)性，不同圍壓條件下，隨動應(yīng)力幅值增加動阻尼比均表現(xiàn)增大趨勢。

濱海軟土；循環(huán)荷載；水平向動力特性；動三軸試驗(yàn)

風(fēng)電產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，受陸地條件制約，地廣人稀的海岸灘涂和海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)得到重視，海上風(fēng)電場建設(shè)步入發(fā)展的快車道，但沿海地區(qū)廣泛分布著工程性質(zhì)較差的軟土。風(fēng)電設(shè)施建成后樁基周圍土體受到常見的動力循環(huán)荷載——波浪荷載［1］長期作用，在波浪荷載作用下土體產(chǎn)生的累積變形、強(qiáng)度及穩(wěn)定性問題成為眾多學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)［2］。波浪荷載作為一種作用時間長、振動較為規(guī)則的循環(huán)荷載，需考慮循環(huán)效應(yīng)對樁基周圍土體動力特性的影響。應(yīng)用GDS室內(nèi)動三軸試驗(yàn)系統(tǒng)研究波浪荷載作用下軟土水平向的動力特性。

對于海上風(fēng)電建設(shè)的研究，最為核心的是樁基及周圍土體在波浪長期循環(huán)荷載作用下分析土體動力特性變化規(guī)律和運(yùn)用P-Y曲線［3］研究樁基側(cè)向位移。近年來，關(guān)于循環(huán)動荷載樁的研究受到關(guān)注，Basack［4］通過建立波浪產(chǎn)生的水平向循環(huán)荷載對于土體強(qiáng)度和剛度的衰減函數(shù)模型，應(yīng)用于樁基承載力分析，提出基于該地區(qū)波浪循環(huán)荷載作用下軟土動力特性的樁基設(shè)計(jì)參考；Basak［5］在軟土地基上進(jìn)行了一系列室內(nèi)試驗(yàn)，研究海洋中波浪荷載作用下軟土地基中樁基周圍水平向循環(huán)荷載對樁基承載力影響，以樁的變形為研究重點(diǎn)，缺少波浪產(chǎn)生的水平向循環(huán)荷載次數(shù)、動應(yīng)力幅值及頻率變化對土體動力特性深入的分析；Banerjee等［6］通過室內(nèi)動三軸試驗(yàn)獲得波浪水平向循環(huán)荷載作用下軟土剛度衰減模型，應(yīng)用ABAQUS有效模擬復(fù)雜樁土系統(tǒng)進(jìn)一步了解樁基周圍土體動力特性對樁的影響。中國眾多學(xué)者對飽和軟土在交通循環(huán)荷載及地震循環(huán)荷載作用下產(chǎn)生的動力特性進(jìn)行了大量試驗(yàn)與學(xué)術(shù)研究，形成了相對完備的理論［7-10］，而對于土體在波浪循環(huán)荷載長期作用下水平向動力特性的研究較少涉及。曾向軍等［7］以洞庭湖區(qū)沉積軟土為研究對象，應(yīng)用動三軸試驗(yàn)，研究不同動應(yīng)力幅值、振動頻率和圍壓下湖湘軟土在豎向荷載作用時動力特性，表明軸向累積應(yīng)變受動應(yīng)力幅值、圍壓及振動頻率影響呈穩(wěn)定型增長，動孔隙水壓受動應(yīng)力幅值影響；張向東等［8］以營口軟土為研究對象，通過動三軸試驗(yàn)研究豎向荷載作用下動力特性變化及由此導(dǎo)致的地基承載力不足等問題，試驗(yàn)結(jié)果表明營口地區(qū)軟土具有明顯的結(jié)構(gòu)性，其動應(yīng)變振次曲線和動骨干曲線存在轉(zhuǎn)折點(diǎn)；曹勇等［9］對海積結(jié)構(gòu)軟土動力特性與變形特征進(jìn)行分析，在3種波形循環(huán)荷載作用下考慮振動次數(shù)、幅值及頻率的影響，并類比不同循環(huán)荷載波形下軟土剛度軟化過程，得出軟化指數(shù)隨振動次數(shù)變化規(guī)律；曹洋等［10］以杭州某工地基坑結(jié)構(gòu)性軟粘土為研究對象，應(yīng)用空心圓柱扭剪儀，進(jìn)行不同循環(huán)應(yīng)力比和不同頻率下的主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)循環(huán)剪切試驗(yàn)，模擬波浪荷載作用下原狀軟粘土孔隙水壓累積、模量衰減等動力特性，確立土體應(yīng)變破壞標(biāo)準(zhǔn)及土體強(qiáng)度變化規(guī)律；郭玉樹等［11］應(yīng)用循環(huán)三軸試驗(yàn)分析海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)單樁基礎(chǔ)側(cè)向位移，針對砂性土壤進(jìn)行室內(nèi)循環(huán)三軸試驗(yàn)，得到塑性應(yīng)變增量推求土壤割線衰減剛度，導(dǎo)入三維有限元數(shù)值模型計(jì)算可得樁身在循環(huán)側(cè)向力下的位移；蔡袁強(qiáng)等［12］以蕭山正常固結(jié)飽和軟粘土為研究對象，進(jìn)行豎向應(yīng)力控制的循環(huán)三軸試驗(yàn)，表明初始偏應(yīng)力對動彈模量及阻尼比有較大影響，在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立了蕭山地區(qū)飽和軟粘土剛度軟化規(guī)律經(jīng)驗(yàn)擬合公式。

筆者針對波浪循環(huán)荷載作用下樁基周圍土體，以唐山地區(qū)曹妃甸周邊軟粘土為研究對象進(jìn)行水平向動三軸試驗(yàn)，研究不同圍壓、密度和動應(yīng)力幅值條件下軟土的水平向動強(qiáng)度和動模量變化，分析圍壓、動應(yīng)力幅值和振動次數(shù)對軟土動強(qiáng)度、動變形、動模量和動阻尼比特性的影響，將試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)有的研究成果進(jìn)行對比分析，總結(jié)唐山地區(qū)濱海軟土在波浪荷載作用下引起的軟土水平向累積應(yīng)變規(guī)律和動力特性，獲得唐山地區(qū)濱海軟土工程性質(zhì)。

1 唐山濱海地區(qū)軟土水平向動三軸試驗(yàn)

1.1 動三軸試驗(yàn)系統(tǒng)與土樣制備

試驗(yàn)應(yīng)用GDS-DYNTTS電機(jī)控制的動三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，可對直徑39.1 mm，高度80 mm的三軸試樣進(jìn)行試驗(yàn)。

試樣取自唐山地區(qū)曹妃甸周邊的軟粘土，對原狀土樣進(jìn)行常規(guī)室內(nèi)土工試驗(yàn)，得到軟土的基本物理力學(xué)指標(biāo)，見表1。

表1 唐山濱海地區(qū)軟土基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of Tangshan coastal soft soil

1.2 動三軸試驗(yàn)方案

對原狀土樣水平向取樣，制備12個原狀試驗(yàn)土樣，采用GDS動三軸系統(tǒng)，進(jìn)行軟土水平向動力特性研究。試驗(yàn)方案見表2，不同圍壓反映不同埋深。試驗(yàn)前充分飽和試樣，應(yīng)用GDS動三軸系統(tǒng)中BCheck模塊對土樣進(jìn)行檢測，飽和度均達(dá)到97%以上。試驗(yàn)固結(jié)比取Kc＝1.0，振動頻率為f＝1 Hz（每組循環(huán)采集10個點(diǎn)），采用全幅應(yīng)變＝5%作為原狀土樣破壞標(biāo)準(zhǔn)。

表2 動三軸試驗(yàn)方案Table 2 Dynamic triaxial test scheme

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與數(shù)據(jù)處理

2.1 軟土水平向動強(qiáng)度特性分析

根據(jù)εd達(dá)到5%時作為土樣破壞標(biāo)準(zhǔn)，繪制出軟土水平向抗剪強(qiáng)度τd和破壞振次Nf的關(guān)系曲線，即τdlg N曲線，研究長期循環(huán)荷載作用下軟土水平向抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律。

圖1所示為相同固結(jié)比、振動頻率時不同圍壓和動應(yīng)力幅值條件下唐山濱海地區(qū)軟土水平向的動剪強(qiáng)度曲線。表明曹妃甸軟土水平向動剪應(yīng)力隨振動次數(shù)增加而減小，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，二者關(guān)系可用負(fù)冪次函數(shù)表示

即曹妃甸軟土水平向動強(qiáng)度特性與張向東等［8］得到的營口軟土動強(qiáng)度特性中動剪應(yīng)力振動次數(shù)函數(shù)關(guān)系一致。式（1）中τd為水平向動剪應(yīng)力；N為振動次數(shù)；a和b為試驗(yàn)條件下相關(guān)參數(shù)。

圖1 水平向動剪應(yīng)力振動次數(shù)曲線Fig.1 Horizontal dynamic shear stress-vibration times curve

由圖1可知，軟土水平向動抗剪強(qiáng)度隨圍壓增加而增大，原因在于軟土顆粒之間孔隙隨圍壓增大而被擠密。此外，圍壓大小影響土顆粒之間相互作用，隨圍壓減小，土顆粒間相互作用減弱，動荷載對土體破壞增強(qiáng)，土體抗剪強(qiáng)度降低。

進(jìn)行擬合分析得表3，擬合度均達(dá)0.99以上。隨a值降低，動剪應(yīng)力降低；隨b值增大，動剪應(yīng)力減小。為合理評價(jià)循環(huán)荷載對軟土水平向動強(qiáng)度影響，需進(jìn)一步考慮不同固結(jié)比、振動頻率及初始偏應(yīng)力條件下對水平向動剪應(yīng)力的影響。

表3 動強(qiáng)度曲線擬合參數(shù)Table 3 Fitting parameters of dynamic strength curve

2.2 軟土水平向累積動應(yīng)變特性分析

圖2為不同圍壓條件下濱海地區(qū)的軟土水平向累積動應(yīng)變與振動次數(shù)關(guān)系曲線。

圖2 水平向動應(yīng)變與振動次數(shù)關(guān)系曲線Fig.2 Horizontal dynamic strain andvibration times relation curve

當(dāng)動應(yīng)力較小時，對于應(yīng)變模型的研究，許多學(xué)者結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的關(guān)系曲線，提出了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式，如Lentz［13］的對數(shù)關(guān)系式、Monismith等［14］的指數(shù)關(guān)系式等。模型中應(yīng)用最為廣泛的為Monismith指數(shù)模型，即

式中：εa為軸向應(yīng)變；N為循環(huán)振動次數(shù)；a為相關(guān)試驗(yàn)條件下土體變形參數(shù)；b為土的性質(zhì)參數(shù)；對數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，擬合參數(shù)值見表4。

表4 水平向累積應(yīng)變模型擬合參數(shù)Table 4 Fitting parameters of horizontal accumulated strain model

分析圖2表明：隨著N的增大，呈增大趨勢，與式（2）的表達(dá)式一致，通過對比魏星等［15］在交通荷載作用下公路軟土地基長期沉降計(jì)算建立的殘余變形模型，得出曹妃甸軟土水平向動應(yīng)變模型與Monismith指數(shù)模型一致。

2.3 軟土水平向動模量特性分析

圖3為不同圍壓、動應(yīng)力幅值條件下曹妃甸軟土動彈模量與動應(yīng)變關(guān)系曲線。

圖3 動彈性模量水平向動應(yīng)變曲線Fig.3 Dynamic modulus and horizontal strain curve

由于土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系具有明顯的非線性特征，在周期荷載作用下應(yīng)變幅值與應(yīng)力的關(guān)系可近似作為雙曲線，即

對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，式中σd為動應(yīng)力；εd為動應(yīng)變；擬合參數(shù)a、b數(shù)值，見表5。

表5 動模量曲線擬合參數(shù)Table 5 Fitting parameters of dynamic modulus curves

圖3表明曹妃甸軟土水平向動彈性模量受動應(yīng)變及圍壓影響顯著。動應(yīng)變增加，水平向動彈性模量減?。粐鷫簻p小，水平向動彈性模量隨之減小。不同圍壓條件下，隨動應(yīng)力幅值增加，動應(yīng)變增大，動彈性模量整體趨勢減小，在于動應(yīng)力幅值的增加對土體結(jié)構(gòu)破壞加強(qiáng)，使土體水平向動應(yīng)變增大。

2.4 軟土水平向動阻尼比特性分析

圖4為不同試驗(yàn)條件下曹妃甸軟土動阻尼比試驗(yàn)曲線。動三軸試驗(yàn)測定的動阻尼比λd表征為每振動一周中土體能量的耗散，定義為實(shí)際阻尼系數(shù)C與臨界阻尼系數(shù)Ccr之比

式中：ΔW為一個周期內(nèi)損耗的能量；W作用的總能量。

圖4 動阻尼比動應(yīng)變曲線Fig.4 Dynamic damping ratio and dynamic strain curve

圖4（a）、（b）、（c）表明當(dāng)圍壓取值范圍在50～150 kPa時，曹妃甸軟土水平向動阻尼比介于0.2～0.6之間，隨動應(yīng)力幅值增大而減小。由圖4（d）可知，圍壓450 kPa時，阻尼比介于0.3～0.8之間，可知隨圍壓大幅度增加阻尼比數(shù)值增大，動阻尼比增大即荷載作用過程中軟土能量的損耗增加。圍壓增大時，軟土顆粒之間的聯(lián)結(jié)作用加強(qiáng)，對波浪循環(huán)荷載振動形式形成更大干擾，其振幅隨作用時間的增長而衰減，且衰減越快，阻尼越大。不同圍壓條件下，動應(yīng)力幅值的增加，動阻尼比均表現(xiàn)為增大趨勢。

2.5 波浪荷載大小的變化分析

綜合研究表征波浪荷載的動荷因素：動荷波形、動荷頻率、動荷幅值，可獲得動彈性模量隨波浪循環(huán)荷載變化規(guī)律。如圖5所示。

圖5 波浪荷載大小對動彈模量影響Fig.5 Effect of wave load on dynamic modulus

圖5表明隨波浪荷載大小的改變對不同圍壓、密度條件下軟土的動彈性模量影響顯著。分析由表5得到的最大彈性模量Edmax和最大剪切彈性模量Gdmax表明，隨波浪荷載改變，不同圍壓條件下，隨波浪荷載振幅增大，Edmax呈增大趨勢。

3 結(jié) 論

1）曹妃甸軟土水平向動強(qiáng)度隨圍壓的增加而增大，隨振動次數(shù)增加而減小。當(dāng)動應(yīng)力幅值減小，破壞振次增加。波浪循環(huán)動荷載長期作用下，動荷載頻率成為影響軟土動強(qiáng)度的主要因素，為更合理評價(jià)軟土水平動力特性，需進(jìn)一步考慮不同固結(jié)比、振動頻率等因素的影響。

2）曹妃甸軟土的水平向動應(yīng)變隨振動次數(shù)增加而增大。初始階段，動應(yīng)變增速較小隨后逐漸增大，直至土體發(fā)生破壞；受動應(yīng)力幅值影響，幅值越大增速越明顯。對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合分析，該地區(qū)軟土水平向累積變形規(guī)律適用于Monismith指數(shù)模型。

3）曹妃甸軟土水平向動彈模量受動應(yīng)力幅值的影響。隨動應(yīng)力幅值增大，水平向動應(yīng)變增大，動彈模量減??；隨圍壓減小，動彈性模量隨之減小。對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合分析，水平向動彈模量變化可近似表示為雙曲線模型。

4）阻尼比λd與動應(yīng)變關(guān)系曲線表明曹妃甸軟土水平向具有顯著的結(jié)構(gòu)性，圍壓較大時（450 k Pa）隨土顆粒擠密孔隙減小，土顆粒間聯(lián)結(jié)作用增強(qiáng)，能量消耗增加，阻尼比較大。隨圍壓減小，軟土水平向間作用力減小，阻尼比降低。不同圍壓條件下，隨動應(yīng)力幅值的增加，阻尼比均表現(xiàn)增大的趨勢。

5）綜合分析不同波浪荷載形式作用下，土體Edmax和Gdmax受波浪荷載的變化影響顯著，隨波浪荷載增大，Edmax和Gdmax呈增大趨勢。

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（編輯 胡英奎）

Experimental analysis on horizontal dynamic characteristics of coastal soft soil under wave-induced cyclic loading

Hao Bin1，Zhao Yucheng1，Liu Zhenyan2，Li Zhanling2，Lu Eryan2

（1.School of Civil Engineering；Key Laboratory of Roads and Railway Engineering Safty Control，Ministry of Education，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，P.R.China；2.Hebei Electric Power Design＆Research Institute，Shijiazhuang 050031，P.R.China）

A series of dynamic triaxle test on soft soil in Tangshan Binhai area was carried out to understand the horizontal dynamic characteristics of the soil around the offshore wind power pile foundation under wave load.The influence of confining pressure，dynamic stress amplitude and vibration frequency on horizontal dynamic characteristics of soft soil were studied.The results show that the horizontal dynamic strength of soft soil increases with the increase of confining pressure increases，and decreases with the increase of vibration.When the dynamic stress amplitude increases，the vibration times decreases.The horizontal dynamic strainεdincreases with the increase of vibration frequency，and the larger the dynamic stress amplitude is，the more significant the growth is.The change agrees well with that of the Monismith model.The change of the horizontal dynamic modulus of soft soil is significantly influenced by the dynamic stress amplitude.When confining pressure decreases，dynamic modulus decreases.The Caofeidian soft soilhas distinct structural horizontal dynamic characteristics.Under different confining pressures，the damping ratio shows an increasing trend when dynamic stress amplitude increases.

coastal soft soil；cyclic loading；horizontal dynamic characteristics；dynamic triaxial test

2015-10-30

National Natural Science Foundation of China（No.50878134）；Hebei Provincial Natural Science

TU411.8

A

1674-4764（2016）01-0116-06

10.11835／j.issn.1674-4764.2016.01.016

2015-10-30

國家自然科學(xué)基金（50878134）；河北省自然科學(xué)基金（E20090000904）

郝斌（1990-），男，主要從事土動力學(xué)研究，（E-mail）lan_zhi_meng＠163.com。

Foundation（No.E20090000904）

Author brief：Hao Bin（1990-），main research interest：soil dynamics，（E-mail）lan_zhi_meng＠163.com.