海上风机筒型基础场地动力响应的试验及模拟研(5)
土工离心机利用超重力原理可以使用小尺寸模型实现对原型土工结构的反应参数的模拟,主要的应用领域有土石坝稳定与变形、波浪模拟、爆炸模拟、地震及液化模拟.关于筒型基础作用下砂土抵抗液化的影响规律大多就是基于离心机振动台试验,Wang等[11]使用凯斯西储大学的20g-ton岩土离心机对海上风机基础进行了大量的离心机试验,总结了筒形基础作用下砂土地基关于自由场、筒周、筒下土体的液化规律.基于离心机试验对比验证,本研究利用OpenSees开源平台开展一系列数值模拟计算,分析地震载荷作用时筒形基础对土体抵抗液化能力的影响规律,揭示了地基土体位移、孔压、孔压比随深度和宽度的变化规律,提出了地震作用下不同高径比的筒形基础与砂土地基相互作用的动力响应规律.
1?离心机试验及数值建模
1.1?离心机试验
本研究中开展了一系列离心机模型试验,研究在地震载荷作用下海上风机筒型基础的动力响应及场地液化情况.试验筒型基础模型外径30m,风机塔柱高13m,上部结构简化为一个作用于塔柱顶部的集中质量块,重量为710t,模型具体尺寸如表1所示[18](原型尺寸).离心机试验用土选用Toyoura砂,砂土参数见表2,试验是在饱和状态下开展的,地震载荷在离心加速度达到50g时施加于模型箱底部,输入地震波主频率为2Hz,在模型最底部沿水平方向施加,峰值加速度为3.5m/s2,持续时间约为12.5s,如图1所示[19].试验中记录了加速度、孔隙水压及基础沉降的时程曲线,用于描述地基土体地震响应.具体试验步骤在文献[11]中有详尽描述.
Tab.1?Configuration of the test model方案筒高/m筒径/m高径比H/D 模型
Tab.2?Parameters of test sandCUCC比重D50 D10最大孔隙比最小孔隙比
图1?输入地震加速度Fig.1?Input wave
1.2?有限元模型
OpenSees是分析模拟地震作用下结构和岩土体相互作用的专业软件,通过大量实际工程和振动台试验验证,OpenSees具有较好的非线性数值模拟精度,对于孔隙水压的变化模拟较为准确.本文基于OpenSees有限元开源平台进行了数值模拟分析,利用Four Node Quad u-p模拟土体单元,采用PDMY02模拟土体模型,其中本构模型的参数根据标准试验用砂进行标定,砂土的饱和密度为,初始孔隙比为0.72,渗透系数为.桩土界面采用零长度单元,基于摩尔-库伦理论模拟桩土界面的滑动摩擦机理,当两个接触点相互靠近时,接触力发生在零长度单元的主从节点之间.具体实现方式如图2所示.
图2?桩土界面连接示意Fig.2?Pile-soil interface connection
图2中,零长度单元节点在二维模型中只有2个自由度,而桩节点和土体节点有3个自由度,本文在不同自由度节点间通过equalDOF命令连接起来.桩土间的摩擦系数取0.3.摩擦力计算公式为
(1)
式中:为切向力;为法向力;为摩擦系数;为总黏聚力.
土体底部单元底部边界通过fix命令固定水平和竖直方向位移,左右边界同一高度的节点通过equalDOF命令连接在一起模拟土体在震动过程中的剪切变形,上部边界设置为自由排水.在试验中,在饱和砂土上方有1.5m深的上覆水层,为了在不改变土壤单元有效应力的情况下纳入场地上覆自由水的动态影响,在水体下方网格边界上的每个节点使用质量命令分配一个节点质量.本文中土体表面水平,所以水平质量设置为零,垂直质量设置为节点“支持”水的体积质量.对于每个节点,其体积以节点上的水深、到相邻节点的距离的一半和单元的厚度为界.根据土体划分单元的尺寸,对节点进行水平和垂直质量的分量分配.
模型从单一变量原则考虑设计了3个模型尺寸,本研究主要目的是通过对比不同高径比的筒型基础在地震过程中的土壤液化规律,研究几何尺寸对筒型基础地震响应的影响规律.3个模型保持直径不变,改变筒高,详细信息如表3所示.为减小边界效应的影响,本研究中地基宽度取10倍的筒径,模型安放在地基的中心位置.
Tab.3?Dimensions of simulated bucket foundation方案筒高/m筒径/m高径比H/D 模型22.550.5 模型34.050.8 模型46.551.3
OpenSees数值模拟分析中测点布置如图3所示,方形标块是自由场位置测点;圆形标块是筒形基础周围位置测点;x形标块是筒形基础筒下位置测点.测点从上到下的深度位置在标块右侧给出,下面的分析都是基于这些测点进行的.同时规定了同一标块组成一条路径,从左到右分别命名为路径1、路径2、路径3.
文章来源:《世界地震工程》 网址: http://www.sjdzgczz.cn/qikandaodu/2021/0727/513.html