蔡瑋良

（上海勘測設(shè)計研究院有限公司，上海 200434）

0 引 言

我國海上風(fēng)資源儲量豐富，東南部沿海，特別是江蘇和廣東沿海，具有非常好的規(guī)模化風(fēng)電開發(fā)條件。根據(jù)中國氣象局風(fēng)能資源詳查初步成果，測得我國5～25 m水深線以內(nèi)近海區(qū)域、海平面以上50 m高度風(fēng)電可裝機(jī)容量約2億千瓦，70 m以上可裝機(jī)容量約5億千瓦[1]。風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)周而復(fù)始，風(fēng)輪以一定的頻率轉(zhuǎn)動，若引起風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)共振，將會造成難以估量的經(jīng)濟(jì)損失。最易引起風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)共振的荷載產(chǎn)生于風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動，其頻率為：（1）轉(zhuǎn)子頻率（1P）；（2）葉片掃掠頻率（NbP，Nb為葉片數(shù)量）。工程設(shè)計中常以風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的自振頻率避開 1P頻率和NbP頻率帶為目標(biāo)，合理的土體動力特性參數(shù)選擇對風(fēng)機(jī)動力響應(yīng)分析結(jié)果起著決定性的作用。除此之外，我國海域及濱海地區(qū)特別是鄰近板塊俯沖帶區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造活動非?；钴S，如渤海、臺灣海峽、南海、黃海、東海歷史上均發(fā)生過地震[2]，因而海洋工程結(jié)構(gòu)的地震安全問題也需要關(guān)注。

最大剪切模量G0、動剪切模量比G/G0和阻尼比λ與剪應(yīng)變幅值γ的關(guān)系曲線是土體動力特性的最基本參數(shù)。國內(nèi)外學(xué)者已廣泛開展了海洋土動剪切模量G與阻尼比λ特性的研究[2-12]。例如，國際上，KOUTSOFTAS 等[3]、KAGAWA[4]、VRETTOS 等[5]、LANZO等[6]曾對不同海域的海洋土進(jìn)行試驗研究，研究了超固結(jié)比OCR、初始有效圍壓σm'、孔隙比e、塑性指數(shù)Ip等因素對海洋土G與λ的影響。國內(nèi)，蘭景巖等[7]通過試驗研究了渤海部分典型海洋土的G和λ特性；孫田等[8-9]研究了瓊州海峽海洋土的G和λ特性；尹松等[10]研究了某海域海洋沉積土的G和λ特性；陳國興等[2]和楊文保等[11-12]研究了金塘海峽、長江口海洋土的G和λ特性。但迄今為止國內(nèi)關(guān)于海洋土的G和λ特性的試驗研究多局限于渤海與南海的局部海域[2]，對于渤海、南海其它海域及黃海海域海洋土的動力特性還相對較少。

江蘇大豐海域正開展大規(guī)模的海上風(fēng)電場建設(shè)，其位于華北地震區(qū)東南部的長江下游——黃海地震帶上，抗震設(shè)防基本烈度為VIII度，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)抗震設(shè)計動力分析中需要海洋土的動力特性參數(shù)。本文結(jié)合江蘇大豐H8大型海上風(fēng)電場的建設(shè)，對場地內(nèi)海洋粉質(zhì)黏土開展了共振柱試驗，分析了剪應(yīng)變γ、埋深H和孔隙比e對其G與λ的影響，提出了不同埋深條件下海洋土的G/G0-γ與λ-γ曲線預(yù)測方程和參數(shù)推薦值。試驗成果為江蘇附近海域海洋工程抗震及動力分析提供關(guān)鍵的土體動力特性參數(shù)，也進(jìn)一步豐富我國海洋土動力特性的研究。

1 試樣與試驗方法

1.1 試樣

本次試驗所用原狀土樣鉆取自江蘇大豐海上風(fēng)電場項目，場地的海洋土主要是第四系全新統(tǒng)海積層、海陸交互相沉積層和晚更新世海陸交互相沉積層組成，跟其他地區(qū)軟土相比，粉粒和砂粒含量較其他地區(qū)軟黏土高。根據(jù)土樣的物理性質(zhì)，將試驗海洋土劃分為粉質(zhì)黏土，其基本物理性質(zhì)見表1。

表1 海洋黏性土的基本物理力學(xué)性質(zhì)和試驗工況Table 1 Basic physical and mechanical properties and experimental conditions of the marine clay

1.2 試驗方法

試驗采用英國 GDS共振柱系統(tǒng)，測定海洋土小應(yīng)變幅值范圍內(nèi)（10-6～10-3）的動剪切模量G、阻尼比λ與γ之間的關(guān)系曲線，并在此基礎(chǔ)上確定最大動剪切模量G0。具體試驗設(shè)備及相關(guān)參數(shù)可參見YANG和GU[13]、顧曉強(qiáng)等[14]。

試樣尺寸為直徑50 mm，高度100 mm的圓柱體試樣。試驗黏土屬于正常固結(jié)黏土，按土樣深度施加圍壓對試樣進(jìn)行固結(jié)，固結(jié)圍壓取各土樣取土深度處的有效自重應(yīng)力（上部土層有效重度取9 kN/m3）。若試樣排水量小于100 mm3/h，則認(rèn)為試樣固結(jié)完成，可開展共振柱試驗。試驗中測定不同激振力（即應(yīng)變）下土樣自振頻率（即動剪切模量），以及自由振動下土樣振幅隨振動次數(shù)的變化（即動阻尼比），最終可得到土樣動剪切模量G和阻尼比λ隨剪應(yīng)變的關(guān)系曲線。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 動剪切模量G與阻尼比λ

圖1給出了試驗海洋土的動剪切模量G與阻尼比λ隨剪應(yīng)變幅值γ的變化。由圖可見，該海洋在小應(yīng)變范圍具有較強(qiáng)的非線性和滯回性，均呈現(xiàn)G隨γ增大而減小、λ隨γ增大而增大的特征。當(dāng)γ＜ 10-5時，G隨γ增大而略有減小，λ隨γ增大而略有增大或基本不變。隨著γ的繼續(xù)增大（γ ＞ 10-5），呈現(xiàn)出G明顯減小、λ明顯增大的特征。隨γ的進(jìn)一步增大（ γ ＞ 10-4），呈現(xiàn)G迅速減小、λ迅速增大的特征。同時，相同剪應(yīng)變幅值下，海洋黏性土均呈現(xiàn)G隨埋深增大而明顯增大、λ隨埋深增大而略有減小的特征。

圖1 試驗海洋黏性土的G與λ隨剪應(yīng)變幅值的變化Fig.1 Variations of G and λ with shear strain amplitude of the experimental marine clay

2.2 最大動剪切模量G0

土的最大動剪切模量G0通常定義為γ≤ 10-6時對應(yīng)的動剪切模量G值。土體G值隨剪應(yīng)變γ（即動荷載水平）的增大而降低，HARDIN等[15]給出了動剪切模量比G/G0與γ的關(guān)系（Hardin-Drnevich雙曲線模型）：

式中：γr為參考剪應(yīng)變，即當(dāng)動剪切模量衰減到最大動剪切模量的一半時所對應(yīng)的剪應(yīng)變。

式（1）經(jīng)過推導(dǎo)可得動剪切模量倒數(shù)與動剪應(yīng)變幅值成直線關(guān)系，表達(dá)式如下：

式中：a、b為擬合參數(shù)，其中G0=1/a，γr=a/b。表2給出了本次試驗中的G0、γr值。

表2 海洋黏性土的G0和γrTable 2 G0 and γrfor marine clay

由表2可見，海洋黏性土的G0值總體上隨埋深的增大而增大，體現(xiàn)了G0的應(yīng)力相關(guān)特性。土體的G0通常與孔隙比和有效圍壓有關(guān)，采用下式對試驗海洋黏性土的G0進(jìn)行擬合[15-16]：

式中：A 為擬合常數(shù)；F(e)為孔隙比e的函數(shù)，反映了e對G0的影響；為有效圍壓；Pa為參考壓力100 kPa；m為應(yīng)力指數(shù)，反映對G0的影響。

圖2給出了試驗海洋土G0隨圍壓和孔隙比的關(guān)系曲線。結(jié)果表明G0主要取決于有效圍壓和孔隙比，擬合結(jié)果為G0=45.2e-0.95(/Pa)0.46，擬合系數(shù)R2=0.99。該公式可用作附近海域根據(jù)海洋黏性土的基本物理特性預(yù)估其最大動剪切模量。需要注意的是，由于取樣擾動等原因，室內(nèi)共振柱試驗測定的G0值可能比現(xiàn)場波速試驗確定的G0值小[17]。

圖2 黏性土G0隨孔隙比和應(yīng)力的變化Fig.2 Variations of G0 of clay with void ratio and stress

2.3 模量衰減與阻尼特性

為探究海洋黏性土的模量衰減（非線性）特性隨埋深的變化特征，將G進(jìn)行歸一化處理，利用G/G0表征其非線性特征。同時，為探究阻尼比隨埋深的變化特征，采用陳國興等[2]提出的經(jīng)驗公式擬合不同埋深海洋黏性土的λ-γ關(guān)系曲線：

式中：λmin為土的基本阻尼比，與土的類型、固結(jié)狀態(tài)與沉積環(huán)境有關(guān)；λ0和n為阻尼比曲線形狀系數(shù)，與土的類型有關(guān)。

圖3給出了試驗海洋黏土的G/G0-γ與λ-γ曲線?？梢钥闯?，海洋黏性土均呈現(xiàn)出較強(qiáng)的非線性與阻尼特性：當(dāng) γ ＜ 10-5時，隨著γ的增大，G/G0略有減小，λ略有增大；當(dāng) γ ＞ 10-5時，隨著γ的增大，G/G0明顯減小，λ明顯增大；當(dāng) γ ＞ 10-4時，G/G0迅速衰減，λ迅速增大；直至γ＞0.1時，G/G0趨于0，λ也趨于穩(wěn)定，達(dá)到最大值。

圖3 試驗海洋黏性土的G/G0-γ與 λ-γ關(guān)系曲線Fig.3 G/G0-γand λ-γcurves for the experimental marine clay

由海洋黏性土的G/G0-γ與λ-γ曲線隨埋深的變化可知，埋深對海洋黏性土G/G0-γ和λ-γ曲線的形狀存在明顯影響。隨著埋深的增加，G/G0-γ曲線移向右上方，G/G0-γ的衰退梯度減小，這意味著土體的非線性特性減弱；相反，λ-γ曲線移向右下方，即γ相同時λ減小。根據(jù)式（1）可得擬合參數(shù)γr，建立γr與圍壓（埋深）的關(guān)系如下：

式中：c、d為擬合參數(shù)；/Pa表征有效圍壓（或埋深）對γr的影響。圖4給出了γr隨埋深的變化曲線，可見γr隨埋深或有效圍壓的增加而增大，擬合結(jié)果為擬合系數(shù)R2=0.96。該公式可以用作不同深度海洋黏性模量衰退曲線的預(yù)測。

圖4 海洋黏性土的γr隨埋深或圍壓的變化Fig.4 Variations ofγrof marine clay with soil depth or confining pressure

為比較各海域土動力特性的差異，分別將本次試驗的江蘇大豐海域、金塘海峽[2]、渤海灣[7]不同深度粉質(zhì)黏土的G/G0-γ和λ-γ曲線進(jìn)行比較，如圖5所示。由圖可見，深度相近時，不同海域海洋土的G/G0-γ和λ-γ曲線有明顯不同，江蘇大豐海域粉質(zhì)黏土的G/G0-γ曲線位于其他海域海洋土的右上側(cè)，表明本次試驗土體非線性特性弱于其它海域海洋土；而λ-γ曲線位于其他海域海洋土的右下側(cè)，表明土體阻尼特性小于其它海域海洋土，符合其非線性較弱的特點。

圖5 不同海域粉質(zhì)黏土與曲線的比較Fig.5 Comparison of G/G0-γand λ-γcurves between silty clay in different sea areas

3 結(jié) 論

本文通過系列室內(nèi)共振柱試驗獲得了江蘇大豐海域原狀海洋黏性土的動剪切模量G與阻尼比λ特性，初步結(jié)論如下：

（1）小應(yīng)變剪切模量G0總體上隨有效圍壓（埋深）的增加和孔隙比的減小而增大，并建立了海洋黏性土的G0隨有效圍壓和孔隙比變化的經(jīng)驗關(guān)系。

（2）海洋黏性土在小應(yīng)變范圍具有較強(qiáng)的非線性和滯回特性，呈現(xiàn)G隨γ增大而減小、λ隨γ增大而增大的特征。同時，與金塘海峽、渤海灣等粉質(zhì)黏土相比，本次試驗江蘇大豐海域粉質(zhì)黏土的非線性較弱，模量隨剪應(yīng)變衰減和阻尼隨剪應(yīng)變增加較慢。

（3）Hardin-Drnevich雙曲線模型及λ-γ經(jīng)驗關(guān)系能較好地描述海洋黏性土G/G0-γ和λ-γ曲線隨埋深的變化規(guī)律，隨著埋深的增加，海洋黏性土的非線性和滯回性特性均呈減弱趨勢，并給出了海洋黏性土的非線性參考應(yīng)變γr隨埋深變化的關(guān)系，可為江蘇附近海域海洋工程動力分析提供重要的土體動力特性參數(shù)取值依據(jù)。