海上风机筒型基础场地动力响应的试验及模拟研(4)
图9?自由场不同深度孔压比时程曲线Fig.9?Time histories of excess pore-pressure ratio in free field
图10?筒周不同深度孔压比时程曲线Fig.10 Time histories of excess pore-pressure ratio near the bucket
图11?筒下不同深度孔压比时程典线Fig.11 Time histories of excess pore-pressure ratio under the bucket
比较3种模型,发现模型2对提高地基的液化性能高于其他两种模型,说明在不增加风机上部载荷的情况下,增大高径比会降低地基抵抗液化的性能.由于桩侧土体作用和附加应力的影响在筒周也发现类似的规律,但其受影响程度小于筒下,所以超静孔压比变化特征介于自由场和筒下之间.综上所述,在地震载荷作用下,筒形基础能够有效加强土体的抗液化能力,不同高径比的筒基表现出不同的液化规律.增大高径比会减弱土体的抗液化能力,但是总的来说,3种模型相同位置处的超静孔压比时程差别较小,对比刘润等[14]的试验结果发现高径比对土体液化的影响不如自重那么明显.
图12?超静孔压比随深度的变化Fig.12?Variation of excess pore-pressure ratio with depth
4?结?论
(1) 相对单桩基础,筒形基础的埋深较浅,抗倾覆能力较差,其中矮胖型的筒形基础抗倾覆能力最弱,增大高径比可以有效提升筒基的抗倾覆能力.然而,当高径比超过0.8时提升效果不再明显,对于荷载一定的筒形基础存在一个合适的高径比.
(2) 地震荷载作用下,由于土体弱化发生沉降,筒形基础内的孔压累积上升较大,对相同深度的土体来说,模型筒内部的孔压>模型筒外部的孔压,模型筒内部孔压的消散速度较慢,筒形基础限制了筒内孔压的消散.
(3) 基于超静孔压比对土体的液化进行了判别,发现自由场和筒基内上部土体发生液化.对于同一深度的土层,筒下土体超静孔压比<筒周土体超静孔压比<自由场土体超静孔压比;在受附加应力影响的区域内,随着高径比的增大超静孔压比变大.说明桩土界面的摩擦力和筒基底部的附加应力可以提高土体的抗液化能力,高径比的增大会减弱土体的抗液化能力.
(4) 在随深度增加的方向上,自由场土体抗液化能力逐渐增强;筒周土体抗液化能力在前半段有减弱趋势;筒下土体的抗液化能力则在中间阶段出现反弯点.其中反弯点的设计深度可以较大影响筒形基础的抗震性能,这些规律可以为设计施工提供一个思路.
过量碳排放量导致的一切环境问题越来越引起人们的关注,亟待解决,发展海上风电是节能减排和能源转型发展的需求,风电是新能源的主要发展方向,受到国家的大力扶持[1-3],到2020年我国海上风机装机容量将达5000MW以上[4].中国发展海上风电的优势有风电资源丰富、海岸线悠长,同时风机发电量高、运行比较稳定、不占陆地资源.但海上风机的建设成本过高是制约发展的重要因素,筒形基础作为一种新型的风机基础具有满足成本要求的优势[5],如何保证其运行期间不发生0.5%的倾角并具有足够的抵抗液化能力是当前需要解决的问题.筒形基础的安装方式使其不能具有较深的入土深度,与浅基础的承载特性相似.中国地处最活跃的两个地震带之间,在地震荷载作用下提高筒形基础场地土体抵抗液化的能力备受关注.
陈育民等[6]利用FLAC3D二次开发了液化流动本构模型.Yu等[7]进行了重力基础的离心机振动台试验,得出了结构下的超静孔压比与自由场中相比明显降低的结论.Wang等[8-11]通过一些列离心机试验研究了海上风机基础在地震作用下的动力响应.刘国威[12]构建了筒形基础海上风电系统有限元模型,对加速度、位移等动力响应参数进行分析,采用抗液化剪应力方法分析了地基的液化趋势.杨春宝等[13]通过OpenSees开源平台进行了海上风机吸力筒基础的三维动力数值计算,对基础在地震中的沉降变形和倾覆转角进行了描述;刘润等[14]在饱和砂土地基上开展了轻型和重型筒形基础的离心机振动台试验,根据测得的加速度和孔压响应分析出了筒形基础对砂土的孔压比累积存在抑制作用,提出了提升比的判别方法来量化定义筒形基础附加应力对提高砂土抗液化的能力.于通顺等[15]基于Abaqus对宽浅式的筒形基础进行了模拟,结果表明在基础附近海床液化深度与水深、饱和度、渗透系数成正比,与土体的泊松比成反比.De Risi等[16]探究了海上风机在强震作用下的结构性能.Ueda等[17]进行了100g的离心机模型试验并基于数值模型计算对筒形基础作用下的土体有效应力进行了分析,研究了其抗震性能.目前基于离心机振动台国内外学者已经做了大量关于筒型基础在地震荷载作用下抵抗液化的性能试验,但是限于传感器的数量针对不同类型筒形基础的场地动力响应变化规律的研究较少.
文章来源:《世界地震工程》 网址: http://www.sjdzgczz.cn/qikandaodu/2021/0727/513.html