海上风机筒型基础场地动力响应的试验及模拟研(3)
图6?转角时程曲线Fig.6?Time histories of rotation angle
3.2?场地孔压
地震过程中,地基中孔隙水压力的上升导致地基出现液化,进而导致基础发生较大的竖向沉降威胁风机的正常运行.孔隙水压的分布对不同尺寸基础的抗震性能也有较大的影响.图7显示了各阶段的孔压分布云图,其中图7(a)为地震前的静水压力分布情况,图7(b)为地震过程中孔隙水压力上升阶段(12.22s)的孔压分布,图7(c)为地震结束时孔隙水压消散过程中的孔压分布.地震中随着孔压的上升,土体的有效应力变小,导致筒内产生较大的水头压力,水力梯度变大,出现筒内的孔隙水压大于筒外水压的现象,地震结束后,孔压开始消散,筒内水压消散较慢.由于筒内场地孔压的变化规律相似,为了节约篇幅取模型2为例.
2.5m、1.5m、1.0m深度的相同位置处各3个测点位置的孔压时程如图8所示.发现3个位置的孔压消散速度不同,由于筒内排水路径比较长,所以孔压的消散速度最慢而且深度越浅消散速度越慢,其次筒周受其影响孔压消散速度也要慢于自由场.Wang等[11]的离心机模拟实验中的发现也是一致的规律,再次从孔压消散速度方面验证了模拟的可靠性.同时也可以发现,由于液化使得筒内压强水头增加,导致同一深度筒内的孔压往往高于筒外.
图7?地震各阶段孔压分布Fig.7?Pore-pressure distribution during an earthquake
图8?孔压时程Fig.8?Time histories of pore-water pressure
3.3?液化判别及超静孔压比
本研究采用的液化准则为循环流动性准则,从液化的应力状态出发,当饱和土体中的超静孔压首次等于上覆土体的有效竖向应力时,即发生初始液化.在随后的振动荷载作用下液化现象周期性出现.超静孔压与土体有效竖向应力的比值,即超静孔压比为评价土体液化的指标.其中,超静孔压的大小与渗流路径和深度有关,有效竖向应力与基底附加应力的大小和深度有关,二者的变化规律决定了超静孔压比的变化规律,进而影响了土体抵抗液化的能力.超静孔压比n的计算公式为
(2)
式中:为超静孔压;为有效竖向应力(有上部荷载时为自重应力+附加应力).
图9~11中显示了不同深度孔压比的时程曲线,图9为3种模型在自由场不同深度处的超静孔压比时程曲线,3种模型的时程曲线近似重合.通过对比可知,在深度5.0m范围超静孔压比接近1,砂土地基已经达到液化状态,超静孔压比随深度的增加而减小.图10为3种模型在筒周不同深度处的超静孔压比时程曲线,通过与图8对比发现在液化深度影响范围内3种模型均未达到完全液化状态,这是因为桩土之间的摩擦力和基底的附加应力提高了土体的竖向应力,提高了桩侧土体抵抗液化的性能.但同时3种模型的抗震性能在路径2(见图12)上发生了差异,随着高径比的增加,桩侧土体的抗震性能变差而且这种差异会随着深度的增加而消失;图11为3种模型在筒下不同深度处的超静孔压比时程曲线,通过对比发现其与桩侧土体的变化规律类似,在筒内随着桩径比的增大,相同深度的土体的液化趋势更明显,加大筒高不会提高筒内土体的抵抗液化的性能反而会使之降低;对比可知,筒基底部附近的土体抵抗液化的能力会提升,通过对比显示模型4土体超静孔压比>模型3土体超静孔压比>模型2土体超静孔压比.对比图9~11可发现,3种模型在深度12.5m处的超静孔压比一直没有出现过大差异,说明相同上部重量的筒形基础改变桩径比不会对较深处土体的抗液化性能有显著影响.
为了解超静孔压比随深度的变化趋势,将各模型孔压比峰值在沿不同深度路径的变化趋势列于图12.在路径1上超静孔压比先维持一个稳定数值1,表明地基发生了液化,之后随着深度的增加数值变小;路径2上超静孔压比随深度的增加呈现先增大后减小的变化,在深度8m时达到峰值;在路径3上超静孔压比的变化趋势比较复杂,将其分为3个阶段. 阶段1,在筒内超静孔压比随深度的增加而减小,出现了与较深处自由场变化规律相同的现象,这是因为筒内排水路径较长、附加应力较大并且没有扩散,这与自由场土体较深处的受力情况类似;阶段2,在离开筒之后超静孔压比在一段深度内随深度的增加而增大的现象,与自由场土体超静孔压比变化规律相反,这与刘润等[14]通过离心机振动台试验发现的模型筒下土体的超静孔压比随埋深的增加而增大的规律是一致的;阶段3,随着埋深的继续增加,超静孔压比随深度的增加而减小.高径比的增加使得阶段2的持续深度越来越小.这是因为大的高径比筒基底部土体应力较大,附加应力产生的影响相对较小.
文章来源:《世界地震工程》 网址: http://www.sjdzgczz.cn/qikandaodu/2021/0727/513.html