Page 51 - 《振动工程学报》2025年第11期

第 11 期 王天鹏，等：考虑冲刷的海上风电单桩-海床-结构地震响应分析 2509

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项目中的实测地震记录 ，通过振动台施加于刚性 震响应具有重要影响，该作用受海床与单桩基础之
模型箱底部。表 1 给出了试验所采用的丰浦砂物性 间接触面的相对滑移、嵌入及张开等力学行为控
参数。 制。采用衬砌单元的单桩基础可定义接触面模型，
用 来 模 拟 桩-土 相 互 作 用 。 接 触 面 切 向 行 为 采 用
表 1 丰浦砂物性参数 建议的库仑摩擦模型 [20] 模拟，接触面法向
FLAC3D
Tab. 1 Soil properties of Toyoura sand 能够抵抗侵入但允许脱开。接触面模型的刚度参

参数 描述 数值 数，即法向和切向弹簧刚度，均取相邻单元最大刚度
最大孔隙比 的 倍。在接触面强度参数方面，参考文献 [21]，黏
e max 0.98 10
最小孔隙比 聚力设为 0，摩擦角取丰浦砂内摩擦角的 2/3。
e min 0.60

比重
G s 2.65
1.2 土体本构模型
平均粒径
D 50 0.17 mm
相对密度 68% 离心模型振动台试验中的海上风机安装于可液
D r
e 孔隙比 0.72 化的丰浦砂海床中，可液化砂土存在超静孔压的累
饱和密度 1.96 g/cm 3 积与消散、滞回特性、剪胀与收缩、组构演化以及液
ρ sat
渗透系数 1.5×10 cm/s 化后大变形等复杂机理 [23-26] 。为此，在数值模型的实
−2
k p

体单元中采用了一种适用于模拟液化后大变形的砂
本文基于该离心模型试验建立数值模型，对比
土动力弹塑性本构模型，即 CycLiq 模型 [27] ，以反映丰
数值模拟与试验结果，验证数值模型的有效性。如
浦砂的复杂动力特性。由于采用的 CycLiq 模型本身
图 1(b) 所示，采用 FLAC3D 平台 [20] 构建了离心模型
包含滞回阻尼，根据 ITASCA [20] 的建议，在海床土体
试验的数值模型，数值模型各尺寸与试验模型原型
中仅引入 0.5% 阻尼比的 Rayleigh 阻尼。
保持一致。由于实际工程中单桩和塔架均为空心圆
CycLiq 本 构 模 型 已 成 功 在 FLAC3D 平 台 实 现 ，
柱，本数值模型利用空心圆柱等效试验采用的实心
并被广泛应用于涉及土动力学的各类岩土工程问题
单桩和塔架。为更准确地计算结构动力响应，采用
中 [28-31] 。该模型包含 14 个无量纲的模型参数，这些
FLAC3D [20] 提供的结构单元模拟各结构部件，其中，
参数的详细标定过程可参见文献 [27-28]。如图 2 所
风机与塔架均采用壳单元建模，单桩则采用衬砌单
示，ZHANG [32] 开展了相对密度为 60% 的丰浦砂不排
元建模，壳单元与衬砌单元均为空心圆柱。各结构
水循环扭剪试验，剪应力幅值为 25 kPa，得到了丰浦
单元杨氏模量取 210 GPa、泊松比取 0.3，基于抗弯刚
砂典型剪应力-剪应变关系与应力路径。本文参考
度等效原则，数值模型将试验中采用的实心圆柱等
WANG 等 [27] 的 CycLiq 本 构 模 型 参 数 标 定 成 果 ， 采
效为空心圆柱。根据质量相等原则，原本风机由集
用丰浦砂标准模型参数，参数取值如表 2 所示。基
中 质 量 的 实 心 方 块 模 拟， 现 等 效 为 空 心 圆 柱 。 风
于 CycLiq 模 型 模 拟 了 该 丰 浦 砂 不 排 水 循 环 扭 剪
机、塔架和单桩基础的密度根据其实际质量和体积
结果，对比表明，CycLiq 模型能够合理再现丰浦砂
之比来计算，各结构部件采用线弹性模型反映其力
的 不 排 水 循 环 动 力 特 性， 尤 其 涉 及 砂 土 液 化 现 象
学特性。
模拟。
海床土体采用考虑流固耦合的实体单元构建。

考虑到试验中采用无气水饱和砂土，在离心模型试 40 40
验中砂土渗透系数需随离心加速度倍率放大，因此 20 试验 20 模拟
在数值模型验证中将渗透系数放大 50 倍。为模拟 剪应力 / kPa 0 0
刚性模型箱对土体的约束条件，将地震动时程输入 −20 −20
−40 −40
模型底部边界和侧向边界的节点，使各边界上的节 −0.10 −0.05 0 0.05 0.10 −0.10 −0.05 0 0.05 0.10
剪应变 剪应变
点保持相同运动。根据已有研究 [21-22] ，模型边界长度 40 试验 40 模拟
通常取为单桩直径的 10 倍以上，以消除边界效应。 20 0 20 0
本文所建数值模型的边界长度为 26.65 m，而桩径为 剪应力 / kPa −20 −20
0.9 m，可认为边界效应影响较小。底部边界约束竖 −40 −40
0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100
向位移，允许沿地震方向的水平位移。海床表面设 平均有效应力 / kPa 平均有效应力 / kPa

置自由排水条件，而 4 个侧向边界及底部边界设置 图 2 丰浦砂不排水循环扭剪试验与模拟对比
为不排水条件。 Fig. 2 Test and simulation results for an undrained cyclic
桩-土相互作用对单桩支承海上风机整体结构地 torsional test of Toyoura sand