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案例分享: 台湾致力于海上土工测试的实验室
发布时间:2022-07-25 浏览次数:13128 来源:欧美大地





考虑到长期的气候风险,全球越来越关注能源转型的步伐,从化石能源生产到风能等可再生能源的转变也在加快。在中国台湾,针对海上风力分配计划设定了一个目标,即到2035年将当地风力发电量提高至20GW。


报告预计,在未来十年,台湾海峡海上风力发电场的实施预计将显著增长, 多个新的风机投将入商业运行。下面的案例分析说明了台湾的情况、他们遇到的问题、引进的仪器和初步成果。




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案例分享




考虑到长期的气候风险,全球越来越关注能源转型的步伐,从化石能源生产到风能等可再生能源的转变也在加快。在中国台湾,针对海上风力分配计划设定了一个目标,即到2035年将当地风力发电量提高至20GW。报告预计,在未来十年,台湾海峡海上风力发电场的实施预计将显著增长, 多个新的风机投将入商业运行。


然而,与其他国家遇到的问题类似,对于选择较佳海上风力发电场开发的地点仍有限制。众所周知,未来的发展与公共开支直接相关,因此人们有投资的意愿。事实上,除去可变横向动载荷的影响,更大的挑战在于高度复杂和动态的海上环境。


台湾海上风电产业的一个主要成本驱动因素是地质的不确定性。一些已确定的风险包括:软土边坡的影响、海床运动、复杂的海洋地层、陡峭的地形、障碍物、地震活动、土体液化和易燃或有毒气体的存在。这些关键变量通常很难设计,而且通常无法获得相关信息。  


为了确保整个海上风电传输系统能够安装在有利的位置,并提供可靠的能源来源,海上基础的物理设计是首要的重点。这需要了解土体的力学行为和动力学特性,包括:不同地点的模量、强度、模量衰减、阻尼比、应力历史和变形。重要的是,准确的测试结果需要及时交付给设计承包商。这促成了台湾致力于离岸土工测试的岩土工程实验室的建立。该项目是由中兴工程顾问股份有限公司和PDE Offshore公司合作完成的。

中兴岩土工程研究中心 (GERC) 以其在众多土木工程和基础设施项目的岩土工程专业服务而闻名。 作为一个先行者,它始终站在台湾岩土工程的前沿。根据台湾认证基金会(TAF)监督下的各种岩土测试认证,50多年来,中兴工程顾问股份有限公司长期参与台湾多个大型工程项目。


PDE 离岸公司由Pan Formosa Engineering(1983年成立)、Dragon Prince hydro survey(2007年成立)和EGS Asia(1974年成立)合资成立,提供专业的陆上和海上钻井服务。PDE成功地增加了海上液压固定平台的数量和多样性,是亚洲重要的供应商之一。它在台湾海上风电市场中扮演着重要的角色。


Sinotech-PDE联合实验室于2021年春天成立,其目标是实现测试数据的质量控制和保证。实验室已全面引进GDS系统,可进行广泛的土力学测试,包括静态和动态三轴测试系统、动单剪测试、恒应变速率固结、自动固结、共振柱系统。这对于提供海上基础设计所需的关键参数具有重要意义。在选择岩土测试系统时,关键的因素是确保测试数据的准确性和一致性,这也是选择GDS的原因所在。到目前为止所购设备情况见下表:



所有系统可以连续或同时运行。可完成如下测试 (但不限于):

  • 不固结不排水(UU)三轴测试

  • 固结不排水(CU)三轴测试

  • 固结排水(CD)三轴测试

  • 固结下的直剪测试

  • 增量加载固结测试

  • 饱和多孔材料渗透系数测试

  • 力控制循环三轴强度 (CUcyc).

  • 通过动三轴测定土体的模量和阻尼比

  • 通过共振柱系统测量模量和阻尼比

  • 通过弯曲元系统测定土样的剪切波速和初始剪切模量

  • 通过环剪仪测定细粒土的残余剪切强度


到目前为止,总体测试结果是有希望和令人满意的。下面是通过荷载控制循环三轴试验研究的一个近海土样的例子。该试验是在一个未受扰动的试样上进行的,该试样属于低塑性细粒粉土。该土样是在海底约8.3米的深度提取的。初始含水量为27.5%,初始干密度为1.61 t/m3。





土样的B值为0.95, 固结应力是100kPa,动应力幅值和应力比(CSR) 分别为40kPa 和 0.2。根据ASTM D5311标准, 我们可以评价该土样的液化势。如图所示,破坏发生在在第15个循环,根据产生的超孔隙压力判别。



里程碑及愿景


在成立的第一年,Sinotech - PDE联合实验室已达成初步目标,为台湾某海上风力工程完成一套全面的土力学测试。超过15名专业技术人员和研究人员已经参与了该项目。大量的测试结果已经从30多个钻孔到100米深的取芯中得到,每一个都被转移考虑。未来,该实验室将成为一个学术与产业合作的平台,不仅在台湾,而且可能在整个东亚地区。


全自动三轴系统GDSTAS(右侧) 和固结仪CRS(左侧)


标准型动三轴系统ELDYN(左侧),共振柱系统和

高级动三轴系统 (右侧)



网站链接:

Sinotech Engineering Consultants, Inc.

www.sinotech.org.tw

T: +886(0)2 8791 9198 ext.158 (David Lu)

E: davidlu@sinotech.org.tw

Pan Formosa Engineering Co., Ltd.

www.pfec.com.tw

PDE Offshore Corporation

www.pde-offshore.com




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案例中涉及的GDS设备


01

自动三轴仪



自动三轴仪GDSTAS


GDS自动三轴试验系统(GDSTAS)是压力架型的三轴试验系统。这套系统由荷载架、三轴压力室、压力体积控制器和软件模块组成,可以配置成一套商业型的性价比高的从土到岩石的设备。如果现有的系统需要升级,那么GDSTAS的组件可以与现有的系统兼容用于系统升级(包括其他厂商生产的设备)。




02

弯曲元系统


弯曲元试验系统(BES)


GDS弯曲元件可以非常容易地在三轴压力室中测量体土体在小应变时的剪切模量。由于荷载和位移测量装置的分辨率和精度不够,因此,在室内非常小的应变条件下测量土体的刚度是非常困难的。在三轴试验中测量小应变刚度通常采用局部应变传感器,但是这种传感器的价格很昂贵,通常用于科学研究。


三轴试验系统中的弯曲元晶片可以很容易地测量剪切模量Gmax,简单而高效。




03

恒应变速率固结仪


恒应变速率固结试验系统(CRS)


不需要像典型的固结仪在固结试验时逐级增加应力,CRS固结系统是以恒定的应变速率对试样施加轴向荷载。施加于试样内的反压(水)是可控的,并通过设备底座来进行排水。这种试验方法的优点就在于可以显著地减少固结试验的时间,提高工作效率。    




04

全自动固结仪


自动固结试验系统 (GDSAOS) (一维固结)


GDS自动固结仪系统(GDSAOS)替代了传统的挂码式固结仪。GDSAOS内含独立的步进电机驱动单元,可通过智能键盘或者USB连接计算机来控制。设备无需压缩空气或手动增加荷重。当使用GDSLAB控制和数据采集软件时,GDSAOS系统除了可以完成传统挂码式固结仪所能完成的试验外,还可以完成一系列完整的试验。



05

标准型动三轴系统


标准型动态三轴试验系统 (ELDYN)


GDS标准型动态三轴试验系统 (ELDYN)是一种基于带电机驱动器的轴向刚性加载架的三轴系统。ELDYN可以满足室内岩土试验领域对动三轴实验系统低成本、功能全的要求,同时仍然满足使用者对GDS的高标准期望。




06

高级研究型动三轴系统


高级动态三轴试验系统 (DYNTTS)


高级动态三轴试验系统 (DYNTTS) 是一套高端的试验设备,它将三轴压力室和动力驱动器合为一体,可以施加10Hz的动态荷载、变形和应力。


动三轴DYNTTS的定制性很好,例如可以升级局部应变传感器、弯曲元试验、非饱和土试验等;从标准的2Hz/10kN升级到5Hz或10Hz的版本;能够升级轴向负载能力从标准的10kN范围到最大60kN;试样尺寸从标准的100mm升级到最大300mm;可以升级温控范围从零下20度到零上85度。





07

伺服电机动单剪系统


伺服电机控制的动态循环单剪试验系统(EMDCSS)


GDS电机控制的动态循环单剪试验系统(EMDCSS)是进行动单剪试验的主要设备,它不仅可以进行小应变(0.005%剪应变幅值)到大应变(10%剪应变幅值)的动态循环试验,还可以进行非常精确的准静态测试。





08

共振柱系统


共振柱试验系统(GDSRCA)


振柱试验系统(GDSRCA)是一款Stokoe型的设备,在小到中等的应变范围内(<1%应变),用来测定剪切模量和阻尼比。通过GDSRCA软件进行控制,该系统也可以用来测试弯曲模量。可选项包括:环境温度控制腔体(- 20°C至40°C),垂直加载作动器,高压压力室,和动态频率小于10Hz的扭转剪切试.



09

环剪仪


环剪试验系统(GDSRSA)


GDSRSA环剪试验系统是一个现代化的,紧凑的、桌面化的环剪系统,允许完全自动化的试验。该GDSRSA允许进行扭转环剪试验。在排水条件下,通过步进电机连续施加旋转剪切作用力直到获得恒定的残余剪切应力。在试验过程中,试样的横截面区域的剪切面不变。GDS的环状剪切仪通过GDS力作动器施加固结应力,通过计算机(用USB连接)来进行控制和数据采集,外置的荷载传感器直接测量施加到样品上的轴向和剪切应力。


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