石登登 颜 超 喻孟初

(上海理工大学环境与建筑学院，上海 200093)

东海大桥风电场土动剪切模量与阻尼比试验研究★

石登登 颜 超 喻孟初

(上海理工大学环境与建筑学院，上海 200093)

为了获得东海大桥海上风电场地基基础设计和建造的土动力参数，对东海大桥东部海域的9类原状海洋地基土进行动三轴试验，研究了剪应变幅值在5×10-5～2×10-2范围内海洋原状土的动剪切模量和阻尼比的变化规律，研究结果对实际工程有一定的借鉴作用。

海上风电场，地基土，动剪切模量，阻尼比

0 引言

海上风电作为一种可再生能源，凭借着高风速、低风切变、低湍流、高产出、开发效率高、环境污染小、不占用耕地等优点，正在成为新能源领域发展的重点。我国拥有漫长的海岸线，近海风能资源丰富，用电负荷中心大多集中于东部沿海地区，海上风电场具有广阔的发展前景。东海大桥海上风电场是亚洲第一座大型海上风电场，位于东海大桥东侧的海域，风电场总装机容量100 MW，拟置20台单机容量5 MW的风电机组[1]。在海上修建风电场，海洋水文、气候条件和海底地质条件都非常复杂，对风电机组地基基础设计和建造的可靠性要求极高。这就要求对海上风电场地基土进行动模量和阻尼特性研究，并以此作为地震、波浪和机械等动荷载作用下风电场地基基础设计和建造的基本依据。目前，我国关于海洋土的研究资料相对缺乏，主要是针对渤海、东海、黄海等海洋油气开采密集区域的海床表层或浅层海洋土开展研究[2-4]，对于深层海洋土的研究成果较少，且有关东海大桥海上风电场地基土的动模量和阻尼比的研究尚未见报道。因此，以东海大桥海上风电项目二期工程为背景，对东海大桥海上风电场地基土的动模量和阻尼比进行动三轴实验研究，具有工程应用价值，有利于加深对东海大桥海上风电场地基土动力学性能的认识，以及促进东海大桥海上风电场工程的抗震研究。

1 试验概况

1.1 试验样品

本次实验的土样取自于上海市东海大桥东部海域的ZK-56-2钻孔，为埋深在90 m以内的原状海洋土。钻孔土样经勘察分析，可将钻孔区域的土体按照不同特性划分为该钻孔土样存在9层不同类型的土层，按照SL 237—1999土工试验规程，将各层原状土切削成直径39.1 mm、高80 mm的试样。表1为各土层物理特性及试验条件。

表1 东海大桥风电场各土层物理特性及试验条件

1.2 试验仪器

采用西安力创材料检测技术有限责任公司研制的电液伺服土动三轴试验机，位移传感器量程为±15 mm，振动波采用正弦波。

1.3 试验方法

土样固结稳定标准参照SL 237—1999土工试验规程采用双面排水固结。进行动模量阻尼比试验时，采用分级加载，每一级轴向负荷加载5次，持续加载到轴向负荷不再增加为止。为确保实验结果的重现性和规律性，每层土的试验都重复2个～3个试样。

2 动模量与阻尼比的实验原理

加载处应力—动应变滞回圈，如图1所示。

采用割线模量定义动弹性模量Ed为：

(1)

其中，σdmax，σdmin分别为同一次循环荷载中最大轴向动应力和最小动应力；εdmax，εdmin分别为同一次循环荷载中最大轴向动应变和最小动应变。

阻尼比λ定义为：

λ=W/4πWs

(2)

其中，W为滞回圈曲线ABCD所包含的面积即一个循环中的能量损耗；Ws为三角形AEF的面积即弹性应变能。

根据试验记录的动应力—动轴向应变幅值数据，利用式(1)和式(2)计算动弹性模量Ed和阻尼比λ；按式(3)和式(4)将不同动轴向应变幅值εd对应的动弹性模量Ed、阻尼比λ转换为相应的动剪应变幅值γd对应的动剪切模量Gd、阻尼比λ：

γd=(1+μd)εd

(3)

(4)

其中，μd为动泊松比。

文献[5]的试验结果表明海洋原状土的动泊松比随着动剪应变幅值的增大而增大，并结合文献[6]的试验研究中动泊松比的取值，海洋原状土各类土的动泊松比取值列于表2。

表2 各类土的动泊松比

3 实验结果与分析

3.1 动剪切模量

采用双曲线骨架曲线模型描述东海大桥东部海域90 m以内海洋原状土的动剪应力—剪应变幅值之间的关系[7]，割线动剪切模量Gd与剪应变幅值γd之间的关系可表示为：

(5)

其中，m，n均为拟合参数。

当γd→0时Gdmax=1/m，据此可计算出各试样的最大动剪切模量Gdmax。

3.2 动剪切模量比和阻尼比

采用Martin 和Seed提出的动剪切模量衰减曲线经验公式(6)拟合东海大桥东部海域90 m以内海洋原状土动剪切模量比[8]：

(6)

其中，A，B和γ0均为拟合参数。

通过拟合试验数据，发现东海大桥东部海域90 m以内海洋原状土阻尼比与剪应变幅值关系曲线可以用式(7)描述：

(7)

其中，λmax，b，c，d均为拟合参数。

依土类不同，将各类土的动剪切模量比Gd/Gdmax和阻尼比λ随动剪应变幅值γd变化的试验数据点绘于图2a)～图2i)。

从图2可以看出：动三轴试验的剪应变幅值范围为5×10-5≤γd≤ 2×10-2。无论是粘土还是砂土，动剪切模量Gd随动剪应变γd的增加而减少，在剪应变幅值γd≤5×10-5，5×10-5≤γd≤1×10-2和γd≥1×10-2三个区间内，随着剪应变幅值的增大，海洋原状土动剪切模量变化趋势分别为缓慢减少、快速减少和缓慢减少。而阻尼比λ随动剪应变γd的增加而增长，在剪应变幅值γd≤5×10-5，5×10-5≤γd≤2×10-2和γd≥1×10-2三个区间内，随着剪应变幅值的增大，海洋原状土动阻尼比变化趋势分别为缓慢增长、快速增长和基本保持不变。

根据式(6)，式(7)经验模型，将拟合得到的不同土类动剪切模量比衰减曲线和阻尼比增长曲线也分别绘制于图2，拟合模型参数列于表3。

表3 Gd/Gdmax—γd和λ—γd曲线拟合参数

4 结语

利用西安立创电液伺服动三轴试验机对东海大桥东部海域埋深90 m以内的原状海洋土土样开展了动剪切模量和阻尼比试验研究，得到下列结论：1)采用双曲线模型和Martin 和Seed动剪切模量衰减曲线经验公式对Gd/Gdmax及λ与γd的关系作数值拟合取得了较好的效果，给出了全部试验拟合参数供工程设计研究使用。2)随剪应变幅值增大，动剪切模量衰减曲线呈现缓慢衰减、快速衰减和衰减减慢的变化趋势，而阻尼比相应地呈现缓慢增长、迅速增长和基本保持不变的变化趋势。3)近似取γd=1×10-6对应的Gd作为Gdmax进行工程计算符合物理意义。4)由于试验仪器传感器精度偏大以及试验方式的缺陷，动剪应变γd≤1×10-6时的动剪切模量的试验值无法给出，可结合共振柱试验进行研究。

[1] 刘 颖，高 辉，施鹏飞.近海风电场发展的现状、技术、问题和展望[J].中国风能,2006(3):41-46.

[2] 牛作民.渤海湾海相淤泥土工程物理性质的初步研究[J].海洋地质与第四纪地质,1986，6(3):35-42.

[3] 吕悦军，唐荣余，沙海军.渤海海底土类动剪切模量比和阻尼比试验研究[J].防灾减灾工程学报,2003，23(2):35-42.

[4] 肖智旺，闫澍旺，刘 润.海洋地基土的随机场特性[J].海洋技术,2005，24(4):73-79.

[5] 潘 华，陈国兴，孙 田.原状海洋土动泊松比的试验研究[J].岩土力学,2011，32(S1):346-350.

[6] 孙 田，陈国兴，周恩全，等.琼州海峡100 m以浅海洋土动剪切模量比和阻尼比试验研究[J].岩土工程学报,2013，35(S2):375-382.

[7] Hartin B O,Drnevich V P.Shear modulus and damping of soils.Design Equation and Curves[J].Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division.ASCE,1972,98(SM7):667-692.

[8] Martin P P,Seed H B.One-dimensional Dynamic Ground Response Analses.ASCE,1982,108(GT7):935-954.

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★：国家自然科学基金资助项目(项目编号：51008194)

石登登(1988- )，男，在读硕士； 颜 超(1991- )，男，在读硕士； 喻孟初(1991- )，男，在读硕士

1009-6825(2015)13-0057-03

TH133

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