任國澄

（中國能源建設(shè)集團廣東省電力設(shè)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(shè)處于高速發(fā)展時期，巖土工程勘察和試驗作為基礎(chǔ)設(shè)計前期工作的關(guān)鍵一環(huán)，直接關(guān)系到風機基礎(chǔ)設(shè)計的經(jīng)濟性和安全性。不同于陸上工程結(jié)構(gòu)物，受風力、波浪和潮流等動力循環(huán)荷載作用[1]，海上風機基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)設(shè)計以靜力設(shè)計為主，在循環(huán)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(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，以查明巖土層的抗剪強度、壓縮系數(shù)、滲透系數(shù)、密實度等巖土參數(shù)，為確定基礎(chǔ)承載力和設(shè)計提供可靠的依據(jù)。砂土由于現(xiàn)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(yè)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(tài)。在原位固結(jié)狀態(tài)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(jié)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(jié)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(jié)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(jié)比下，完成試樣固結(jié)，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(huán)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(shù)據(jù)。

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(diào)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(qū)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(zhuǎn)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(shù)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(jié)，按設(shè)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(huán)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(shè)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(shè)備由主機、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(huán)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(shù)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(shù)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(shù)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(guān)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(guān)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(guān)系曲線見圖4。

圖4 Gd/Gdmax 和λd～γd 關(guān)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(guān)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(guān)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(shù)值影響顯著。砂土在相同固結(jié)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(guān)系

4 結(jié)論

近年來我國海上風電進入了高速發(fā)展期，由于海上風電的復雜和特殊性，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與承載特性的基礎(chǔ)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(huán)荷載作用下的破壞特征。試驗結(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?。划攧討兎荡笥谂R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(jù)動強度試驗，在相同固結(jié)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(huán)荷載對砂土作用特征曲線，可為海上風電基礎(chǔ)與砂土地基動力分析提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累和借鑒，具有較強的工程應用價值。