砂土颗粒参数对海上风电吸力基础界面强度的影响

李大勇; 赵梅雪; 张雨坤; 赵继鹏

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2504518

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (11) :4792-4799 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2504518

建筑科学

砂土颗粒参数对海上风电吸力基础界面强度的影响

李大勇 ¹ ,
赵梅雪 ¹ ,
张雨坤 ²^,^* ,
赵继鹏 ¹

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Effect of Sand Particle Parameters on Strength of Suction Caisson Interfaces for Offshore Wind Power

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摘要

吸力基础广泛应用于能源开采领域,内外壁沉贯摩阻力由土体-基础界面的力学特性决定。基于ImageJ分析得到了砂土颗粒单元体的几何参数,构建整体轮廓系数、凹凸度、长径比作为颗粒形状参数。开展界面剪切试验,研究砂土颗粒形状对砂土-吸力基础界面强度的影响。研究表明:在不同法向应力作用下,表面多棱角的砂样D1(0.075~0.25 mm)相较于形状规则的砂样D5(1.43~2.00 mm)剪切应力增长范围为16.98%~72.23%。砂-钢界面峰值摩擦角随着砂粒凹凸度的增大而增大;随着长径比增大,界面峰值摩擦角先减小后增大。较小粒径的砂粒倾向于提高界面的峰值摩擦角,从而提高剪切强度。研究结论可为吸力基础界面强度分析提供依据。

Abstract

Suction caissons are widely used in the field of energy extraction, the internal and external wall penetration resistance is governed by the mechanical behaviour of the strength of suction caisson interface. Grain geometry was extracted from sand images by ImageJ, global outline coefficient, convexity and aspect ratio were adopted as shape descriptors. A series of Interface shear tests were conducted to investigate the effect of sand particle shape on the strength of the sand-suction caisson interface. The test results show that the increase in peak shear stress of the sand sample D1 (0.075~0.25 mm) with angular surface compared to the sand sample D5 (1.43~2.00 mm) with regular shape ranged from 16.98% to 72.23% under different normal stresses. The peak friction angle at the sand-steel interface increased with the increase of sand convexity; the peak friction angle at the interface decreased and then increased with the increase of aspect ratio. Smaller grain size sand tends to increase the peak friction angle of the interface, thus increasing the shear strength. The findings provide a basis for interface strength analysis of suction caissons.

Graphical abstract

关键词

吸力基础沉贯 / 剪切强度 / 砂土颗粒形状 / 法向应力 / 峰值摩擦角

Key words

suction caisson installation / shear strength / sand particle shape / normal stress / peak friction angle

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李大勇, 赵梅雪, 张雨坤, 赵继鹏. 砂土颗粒参数对海上风电吸力基础界面强度的影响[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(11): 4792-4799 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2504518

LI Da-yong, ZHAO Mei-xue, ZHANG Yu-kun, ZHAO Ji-peng. Effect of Sand Particle Parameters on Strength of Suction Caisson Interfaces for Offshore Wind Power[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(11): 4792-4799 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2504518

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吸力基础是一种顶部密闭、底部敞开的桶型结构,凭借适用水深范围广、造价低廉、安装便捷等优势,可作为支撑结构应用于海上风电、海上光伏、海上采油平台等能源开发领域^[1]。在沉贯过程中,吸力基础首先依靠自重沉入海底一定深度,使桶内形成封闭空间;随后通过吸力泵让封闭桶体的内外产生压力差,当该压差足够大时,会形成向下的静压力,若此静压力能够克服沉贯阻力,桶体便会被压入土中,直至达到预定深度^[2-3]。土体与吸力基础桶壁界面的相互作用,是预测沉贯阻力的关键^[4]。沉贯过程中的阻力主要由内外壁摩阻力构成,而吸力基础侧壁的摩阻力则取决于砂土与吸力基础界面的力学特性。

国内外学者围绕土体-结构界面相互作用开展了一系列研究,发现砂土的物理参数与结构面粗糙度均会对界面强度产生影响。Tiwari等^[5]针对干砂、饱和砂与混凝土、木材、钢材等不同结构材料的组合开展界面剪切试验,结果表明:界面抗剪强度与结构表面材料相关,且随表面材料粗糙度的增加而增大。Kou等^[6]通过不同界面粗糙度的钙质砂-钢界面直剪试验指出,在砂土粒径相同的条件下,结构表面粗糙度越高,峰值摩擦角越大。李逸凡等^[7]借助剪切试验探究了砂土颗粒级配对饱和砂-钢界面抗剪强度的影响,结果显示:对于表面光滑或带凸起构造的钢板界面,摩擦角随不均匀系数C_u的增加呈线性增长;而对于带凹槽构造的钢板界面,摩擦角则随C_u的增加而减小。付冬平等^[8]开展了不同界面粗糙度的砂-混凝土直剪试验,发现界面抗剪强度随接触面粗糙度系数的增大而提升。Nardelli等^[9]通过直剪试验研究砂-混凝土界面的抗剪强度,发现界面摩擦角与土体摩擦角的比值随砂土密实程度的降低逐渐增大。

研究表明,砂土颗粒的粒径与形状对土体-结构界面摩擦角存在显著影响。Han等^[10]针对10种不同粒径、形状的砂-钢组合开展直剪试验,发现粒径较小的砂-钢界面摩擦角更大;刘亚琼^[11]对粗粒砂与混凝土结构的接触面进行直剪试验,结果显示粗颗粒含量会影响接触面摩擦角,且颗粒粒径较大的砂土-结构界面摩擦角更大。王志兵等^[12]研究了颗粒形状对砂土抗剪强度的影响,发现内摩擦角随整体形状参数的减小而增大;Hou等^[13]通过直剪试验探究砂土颗粒形状与砂-钢界面抗剪强度的关系,得出摩擦角与粒径呈正相关的结论。王青等^[14]通过直剪试验分析钙质砂内摩擦角与颗粒粒径的关系,研究表明:抗剪强度随粒径增加而增大;刘飞禹等^[15]通过直剪试验研究颗粒粒径对界面峰值摩擦角和残余摩擦角的影响,结果显示随着粗粒土含量增加,界面摩擦角增大。Vangla等^[16]和Su等^[17]通过直剪试验发现,界面强度受砂土平均粒径与粗糙度相对尺寸的控制,只有当砂粒能紧密贴合粗糙表面时,才能获得最大摩阻力。康馨等^[18]考虑砂土颗粒形状的影响,采用数值模拟方法提出一种修正的三维形状,并建立了形状系数与峰值摩擦角的关系式;李铸卿等^[19]考虑砂土颗粒形状参数对砂土地层力学特性及基础稳定性的影响,研究结果表明,探究颗粒形状对砂土力学特性的影响对工程应用具有指导价值。

砂土-吸力基础的界面剪切强度与颗粒粒径、形状及结构面粗糙度等因素相关,是主导吸力基础沉贯阻力的关键因素。砂土颗粒形状会影响颗粒间以及砂土颗粒与吸力基础界面间的接触状态,进而作用于吸力基础在砂质海床中的沉贯阻力。目前,针对颗粒形状和粒径对砂土-吸力基础界面强度影响的研究较为有限,因此有必要开展砂土颗粒形状对该界面剪切强度影响的研究。为此,现通过砂土-吸力基础界面剪切试验,探究颗粒形状对界面强度的影响规律,提出基于图像处理的砂土颗粒多参数量化方法,并建立考虑砂土颗粒形状参数影响的界面峰值摩擦角预测公式。研究成果可用于阐明颗粒形状差异显著的海砂层与吸力基础结构界面的相互作用机制,可为吸力基础设计中砂-钢界面摩擦角的合理选取提供技术参考。

1 砂土-吸力基础界面剪切试验

1.1 试验砂土

试验所用砂土为采自黄岛区域的细砂,其物理参数如表1所示,粒径分布曲线如图1所示。该砂土的不均匀系数C_u<4,属于级配不良砂。试验砂土的参数与东海大部分安装吸力基础的砂质海床参数相吻合^[20]。

试验开始前,将砂土筛分为5种粒径范围,标记为D1~D5共5个粒径组,具体为:0.075~0.25 mm(D1)、0.25~0.50 mm(D2)、0.50~1.00 mm(D3)、1.00~1.43 mm(D4)及1.43~2.00 mm(D5),以此构建砂土颗粒粒径与形状之间的关系。为便于比较,将未筛分的砂土(粒径范围0.075~2.00 mm)定义为粒径组D6,筛分完成后的砂土试样如图2所示。本试验不考虑吸力基础桶壁粗糙度对界面剪切特性的影响,因此试验所用钢板模型采用表面光滑的不锈钢板制作,其直径为61 mm、高度为10 mm,具体如图3所示。根据李逸凡^[7]等基于分形维数提出的粗糙度评价指标,试验所用钢板的表面粗糙度为0,故可忽略其表面粗糙度对试验结果的影响。

1.2 试验过程

采用环刀法制备砂样,制备时将砂样分三层倒入环刀并击实。对于颗粒粒径较大的D4(1.0~1.43 mm)和D5(1.43~2.00 mm)砂样,因其质地松散难以形成整体,试验时先在环刀中制取同等体积的砂样,分三次倒入试验模具击实,确保砂样表面平整。之后,在试样表面依次铺设与砂样湿度一致的滤纸和透水石。

通过在砂试样顶部施加50、100、200、400 kPa的法向应力,模拟不同深度下的土体强度。待土样固结完成后,以0.8 mm/min的剪切速率施加水平剪应力,该过程用于模拟吸力基础在砂质海床中的沉贯。刘飞禹等^[15]的研究表明,直接剪切试验中剪切速率处于0.1~1.0 mm/min范围时,不会对界面抗剪强度性能产生影响。因此,本试验将剪切速率设定为0.8 mm/min,最大剪切位移控制为5 mm,试验工况如表2所示。剪切过程中,钢板界面安装于下剪切盒内,砂土试样安装于上剪切盒内;剪切时上剪切盒保持固定,下剪切盒带动光滑钢界面沿导轨移动,具体装置如图4所示。

2 砂土颗粒形状参数量化分析

使用相机拍摄试验前的砂土颗粒图像,拍摄前需将砂样清洗干净并烘干,避免表面杂质影响图像质量。获取图像后,采用ImageJ软件对砂土颗粒图像进行处理,操作步骤如图5所示。首先,为提高计算速率,将图像转化为灰度图并进行阈值分割;随后,为精准识别颗粒图像,将图像颜色进行黑白反转。在此过程中,针对部分颗粒未被识别的问题,需进行空洞填充以确保面积计算的准确性;此外,对于紧密接触或重叠的颗粒,还需对其进行分割,避免被识别为单个颗粒。最终,通过上述处理可得到颗粒单元体的几何参数,如颗粒数量、面积、周长等。

砂土颗粒的整体轮廓形状及表面起伏特征会影响颗粒的排列方式,以及颗粒间的咬合摩擦与滑动摩擦作用。通过公式对颗粒形状进行量化分析,能够实现对颗粒形状的标准化描述。刘清秉等^[21]、张宇等^[22]构建了整体轮廓系数α、长径比λ_AR、凹凸度r三种形状参数,用于量化砂土颗粒的整体形状、表面不规则性等形状特征(表3)。

由于砂土颗粒尺寸较小,在获取各砂样颗粒几何参数的过程中,难以保证从不同砂样图像中提取的颗粒数量完全一致。为避免颗粒数量差异对颗粒形状参数量化结果产生干扰,在量化分析正式开展前,我们从每个砂样中随机抽取100个颗粒的数据组成分析样本,对5种砂样分别进行统计分析,最终得到凹凸度与长径比的量化分析结果,具体如图6所示。

由图6(a)可知5种砂样的凹凸度分布峰值介于1~1.2,在该区间之外,部分颗粒形状参数值出现缺失。此外,对该区间内数据进行统计,D1试样凹凸度介于1~1.2的颗粒占比34%,D2和D3砂样分别占比58%和76%,D4和D5分别占比95%和92%。上述结果表明,D1砂样颗粒表面起伏较大的颗粒数量占比最多。

由图6(b)可知5种砂样的长径比分布规律,发现颗粒长径比分布相似且集中分布在1~1.5,D1砂样占比70%,D₅砂样占73%。上述形状参数量化统计结果说明D4、D5砂样颗粒形状相似且砂样轮廓接近圆形且表面起伏较小。

如图7所示为以D5砂样为例的整体轮廓系数和凹凸度分布特征参数,发现形状参数呈偏态分布,因此选择中位数作为砂样的形状参数代表值。如图8所示为D1~D5砂土试样的形状参数代表值分布,分析了5种砂样的形状参数指标与标准值1的关系。发现除D1砂样外,其他砂样整体轮廓系数均接近标准值1,说明四种颗粒轮廓与圆形相似。相反,D2试样整体轮廓系数接近0.4,长径比接近1.4,凹凸度介于1.2~1.4,表明砂粒形状较为不规则,具有一定的扁平性,表面略有起伏。另外,D1砂样整体轮廓系数接近1,凹凸度介于1.2~1.4,表明其轮廓接近圆形但表面起伏较大。D4和D5砂样的整体轮廓系数和凹凸度均接近1,表明D4和D5形状相似,轮廓接近圆形且表面光滑。

3 试验结果分析

3.1 砂土颗粒形状与剪应力-位移的关系

如图9所示为不同法向应力作用下砂-钢界面的剪切应力-位移曲线。在各法向应力条件下,当剪切位移处于0.50~1.00 mm范围时,所有级配的砂-钢界面均达到剪切峰值强度。当法向应力小于200 kPa时,粒径范围为D1(0.075~0.25 mm)的砂-钢界面呈现应变软化现象;而当法向应力为400 kPa时,砂土的剪切应力随剪切位移增大逐步上升,达到峰值后增长趋势放缓,表现出应变硬化特征。这一现象的原因在于:小颗粒砂土的表面粗糙度更高,剪切过程中颗粒间孔隙率较小、咬合作用更强,不易发生滑动,因此抗剪强度较大;此外,砂-钢界面处堆积的小颗粒在剪切时可产生更大摩擦力,进一步提升了抗剪强度。

由图9(d)可知,当法向应力达到400 kPa时,所有颗粒间的孔隙已压缩至最小;达到峰值应力后,颗粒不再发生重新排列,曲线趋于稳定。分析表明,D4(1.00~1.43 mm)和D5(1.43~2.00 mm)砂-钢界面的剪切应力更小,这是因为剪切过程中颗粒易发生滑动,颗粒间摩擦力较低,导致剪切过程波动较大;随着法向应力增大,颗粒滑动减弱且发生重新排列,剪切过程的波动也随之减小。与未筛分砂样相比,在法向应力为50、100、200、400 kPa时,D1(0.075~0.25 mm)砂-钢界面的峰值剪切应力分别高出4.24%、4.51%、2.64%和10.27%。未筛分砂土在法向应力达到400 kPa时,抗剪强度达到峰值后曲线出现下降,分析认为这是颗粒相对运动及重新排列所致。张海涛等^[23]的研究发现,砂土颗粒在高法向压力下会发生破碎,使颗粒间摩擦力增大、挤压更紧密,颗粒间咬合作用增强。

如表4所示为不同法向应力作用下,5种砂样的峰值剪切应力。结果显示D1相较于D5峰值剪切应力增长为72.23%、16.98%、20.76%、30.66%。在50 kPa法向应力作用下,颗粒形状对于界面剪切行为的影响最为明显;说明在初始阶段,砂土颗粒初始形状完整,由于颗粒棱角多使得颗粒间咬合作用强,接触面积增多,最终导致颗粒间的摩擦力增大。当法向应力增大到100 kPa时,颗粒粒径和形状对界面峰值剪切应力的影响最小,随着法向应力增大,砂土颗粒形状发生改变,颗粒表面发生变化,颗粒重新排列。在法向应力增长到200 kPa时,峰值剪切应力增长率增大,说明粒径较小的砂土颗粒在高法向应力作用下更容易形成密实的结构,力的传递更加有效。在高法向应力和低法向应力作用下,颗粒粒径和大小对峰值剪切应力影响较大,如图9(b)所示。

3.2 砂土颗粒形状与界面摩擦角的关系

如图10所示为砂-钢界面的峰值应力破坏包络线。结果表明:砂-钢界面峰值摩擦角ϕ在28°~36°,未筛分砂-钢界面峰值摩擦角为33.37°;证实砂土形状对界面摩擦角有影响。进一步分析颗粒形状与摩擦角的关系,发现内摩擦角随着颗粒表面凹凸度的增加而增大;同时发现内摩擦角随颗粒粒径的减小而增大。

砂土颗粒粒径范围在0.075~0.25 mm的砂土试样界面失效包络面最高,这说明其需要更大的剪切位移来触发峰值剪切应力。颗粒粒径在1.43~2.00 mm和1.00~1.43 mm范围的砂-钢界面峰值剪切应力包络线表现出相似的特征,结合形状参数分析可以看出这两种试验砂样的形状参数值接近,说明这两者的抗剪能力相似。对于粒径范围0.50~1.00 mm的砂样,表现出更高的抗剪切能力,说明颗粒较小的砂土更容易稳定的接触,并且不易受到颗粒破碎及重新排列的影响。总的来说,颗粒粒径对摩擦角和砂-钢界面剪切强度有显著影响,砂粒粒径的减小对界面摩擦角具有显著的正向影响,较小的颗粒粒径能够有效提高界面的摩擦角,进而提升界面的剪切强度。

如图11所示为长径比和凹凸度分别与峰值摩擦角的相关系数R²为0.863 1、0.977 9,说明凹凸度和长径比与界面峰值摩擦角有较强的关联。研究结果表明:砂-钢界面的峰值摩擦角与砂粒的表面凹凸度呈正相关,即随着砂粒表面凹凸度的增加,峰值摩擦角显著增大;而与砂粒的长径比关系则表现为非线性特征,即峰值摩擦角随长径比的增大先减小后增大。对图11中摩擦角ϕ与形状参数值进行拟合,得到两者之间的关系为

(1)ϕ=-24.6+49r

(2)ϕ=134 6-212 0λ_AR+853${\lambda }_{\mathrm{A}\mathrm{R}}^{2}$

如图12所示为砂土颗粒在剪切试验过程中的接触示意,形状规则且表面光滑的砂土颗粒,颗粒间的咬合作用较弱,颗粒间的咬合摩擦强度较小。当砂样表面凹凸不平时,颗粒间存在强咬合作用,咬合摩擦强度较大,颗粒表现出更高的剪切强度。此外,颗粒表面凹凸度也会影响颗粒间的接触,砂样表面凹凸不平导致颗粒接触点更多更复杂,颗粒间摩擦力也会随之加强。同时,当长径比增大时,颗粒的形状更加细长。颗粒细长的形状导致砂颗粒之间或砂颗粒与钢界面之间的接触面变小,导致摩擦角变小;当长径比进一步增大时,颗粒变得更加细长,导致砂颗粒之间或砂颗粒与钢界面之间增加了有效接触面积,颗粒之间的“咬合作用”更强。

4 结论

采用ImageJ软件获取颗粒的基本几何参数,并构建了整体轮廓系数、凹凸度、长径比三个砂土颗粒形状参数,研究了砂土颗粒形状及粒径对砂土-吸力基础界面剪切强度的影响,得到如下结论。

(1)当法向应力为50、100、200、400 kPa时,表面多棱角的砂样D1相较于形状规则的砂样D5,峰值剪切应力分别增长72.23%、16.98%、20.76%和30.66%。这表明砂粒的不规则性在低法向应力和高法向应力条件下,均会对砂-钢界面的剪切行为产生影响。

(2)颗粒形状对砂土-吸力基础界面剪切强度的影响结果显示:形状规则的D4、D5砂样峰值摩擦角介于28.8°~29.3°,而形状不规则的D1、D2砂样峰值摩擦角则在32.3°~36°。可见,砂土颗粒的不规则性有助于提高砂-钢界面的峰值摩擦角。

(3)砂土-钢界面峰值摩擦角与砂粒表面凹凸度呈正相关,即随砂粒凹凸度增大而增大;与长径比则呈非线性关系,峰值摩擦角随长径比增大先减小后增大。此外,砂粒粒径减小对界面摩擦角具有显著正向影响,较小的颗粒粒径可有效提高界面摩擦角,进而增强界面剪切强度。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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