海上风机筒型基础场地动力响应的试验及模拟研(6)
图3?测点位置Fig.3?Position of the measuring point
2?数值模型验证
图4为离心机振动台试验(图4(a))和OpenSees数值模拟计算(图4(b))得到的超静孔压比的时程曲线,选用高径比为1.3的筒型基础,分析了2.5m埋深处筒下、筒周以及自由场的超静孔压在地震载荷施加前后的变化趋势.对比结果表明,离心机试验及数值模拟分析揭示的地基土体液化性能一致:自由场处的超静孔压比大于1.0发生初始液化,而筒周和自由场处超静孔压比均未达到1.0未发生液化,筒周桩土摩擦和筒下附加应力提高了初始竖向应力,加强了地基土的抗液化性能.数值模拟计算中得到的3个采样点的超静孔压比峰值均与试验较吻合,有效揭示了在筒型基础作用下地基土体的抗液化性能,数值模型得到验证.通过进一步对比可知,试验得出的孔隙水压较数值计算消散速度更快,在地震载荷结束后即发生明显下降.在离心机试验中采用蒸馏水作为饱和液体介质,根据离心机相似比,离心机试验中孔压的消散速率与时间成二次方的关系,导致试验中孔压消散较快.
图4?超静孔压比对比Fig.4?Comparison of excess pore-pressure ratios
3?模拟结果反应分析
3.1?侧向位移
3种模型在地震期间筒前表层土体的侧向位移时程曲线如图5所示,数值分析中共选取了距离筒中心为1倍、2倍、6倍半径处的3个点进行对比.结果表明,在地震荷载作用下,筒模型前方表层土体均发生水平位移,位移在3个测点以不同的增长速率进行累积最终趋于稳定达到峰值,在距离筒形基础中心距离较近时,土体发生较大的侧向位移,距离较远处土体侧向位移数值较小,这个现象在较大外部载荷作用下更加明显,如图5(d)所示.对比不同高径比的筒型基础模型可知,在固定筒型的条件下,地基侧向位移趋于随埋深的增加而减小,高径比较大的筒型基础能够较好地抵抗侧向位移,拥有较高的水平稳定性.
图5?侧向位移时程曲线Fig.5?Time histories of the lateral displacement
图6显示了3种模型地震过程中的转角时程曲线,荷载作用下因为土体承载能力的弱化,筒基发生转角并在震中不断累加,地震后期累计变形有减缓的趋势,最终导致转角大于规范规定的要求.在朱斌?等[20]的论文中提到中国FD003—2007试行规范规定高度大于100m的风电机组基础转角不大于0.17°;英国在Thornton Bank海上风电场中规定重力式基础的转角不大于0.25°;德国规定海上风机的基础转角不大于0.5°.其中模型2的转角最大,达到了0.632°,说明在地震载荷作用下高径比较小的“矮胖型”筒基抵抗倾覆的能力较差.模型3、模型4的转角相差不大,但模型3产生的转角相对较小,说明增大高径比可以提高筒基的侧向承载力,但是高径比过大高瘦型筒基对动态荷载作用下侧向承载能力的提升不再那么明显,在3个模型中以模型3表现最佳.
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
文章来源:《世界地震工程》 网址: http://www.sjdzgczz.cn/qikandaodu/2021/0727/513.html