地下水位深度对循环荷载下桩-土力学性质和分形特征的影响

摘要整理

海上风电基础中的桩在长期侧向荷载（风荷载）作用下的土壤和地基行为分析是保证上部结构平稳运行的重要问题。桩-土系统的强度受土壤含水量变化的影响。目前缺乏以地下水位为变量的侧向受荷桩材料及土壤力学变形行为的系统研究。本文基于海岛附近海上风电机组地基，通过一系列1-g模型试验，探究单向循环荷载作用下土壤和单桩的侧向行为。分析了地下水位和循环荷载大小对桩-土系统性能的影响。采用粒子图像测速（PIV）技术记录各循环荷载条件下的土壤位移场，以可视化土壤颗粒运动过程。绘制了桩顶位移与循环步数的关系曲线，以及循环刚度与循环步数的关系曲线。结合分形理论计算各曲线的分形维数，评估桩-土相互作用系统的敏感性。结果表明：循环荷载条件和地下水深度是影响桩-土相互作用的主要因素。随着加载进行，所有试验组土壤循环刚度均增加；但循环荷载幅值增大会降低初始刚度和循环刚度。干土的初始刚度和循环刚度高于饱和土，但低于非饱和土。随着地下水位深度增加，非饱和土限制桩侧向位移的能力下降。桩顶位移波动越大，对应关系曲线的分形维数越大，变化范围约为1.24~1.38。循环加载各步长间累积桩顶位移增量平均值与分形维数呈正相关。PIV结果表明，桩-土系统变化主要集中在试验早期阶段，侧向循环荷载的短期效应大于长期效应。本研究仅限于单一土层条件，后续将深入研究分层土壤条件下的桩-土相互作用，为复杂地质条件应用提供基础。

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