考慮到長(zhǎng)期的氣候風(fēng)險(xiǎn)，全球越來越關(guān)注能源轉(zhuǎn)型的步伐，從化石能源生產(chǎn)到風(fēng)能等可再生能源的轉(zhuǎn)變也在加快。在中國臺(tái)灣，針對(duì)海上風(fēng)力分配計(jì)劃設(shè)定了一個(gè)目標(biāo)，即到2035年將當(dāng)?shù)仫L(fēng)力發(fā)電量提高至20GW。
報(bào)告預(yù)計(jì)，在未來十年，臺(tái)灣海峽海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的實(shí)施預(yù)計(jì)將顯著增長(zhǎng)， 多個(gè)新的風(fēng)機(jī)投將入商業(yè)運(yùn)行。下面的案例分析說明了臺(tái)灣的情況、他們遇到的問題、引進(jìn)的儀器和初步成果。
考慮到長(zhǎng)期的氣候風(fēng)險(xiǎn)，全球越來越關(guān)注能源轉(zhuǎn)型的步伐，從化石能源生產(chǎn)到風(fēng)能等可再生能源的轉(zhuǎn)變也在加快。在中國臺(tái)灣，針對(duì)海上風(fēng)力分配計(jì)劃設(shè)定了一個(gè)目標(biāo)，即到2035年將當(dāng)?shù)仫L(fēng)力發(fā)電量提高至20GW。報(bào)告預(yù)計(jì)，在未來十年，臺(tái)灣海峽海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的實(shí)施預(yù)計(jì)將顯著增長(zhǎng)， 多個(gè)新的風(fēng)機(jī)投將入商業(yè)運(yùn)行。
然而，與其他國家遇到的問題類似，對(duì)于選擇較佳海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)開發(fā)的地點(diǎn)仍有限制。眾所周知，未來的發(fā)展與公共開支直接相關(guān)，因此人們有投資的意愿。事實(shí)上，除去可變橫向動(dòng)載荷的影響，更大的挑戰(zhàn)在于高度復(fù)雜和動(dòng)態(tài)的海上環(huán)境。
臺(tái)灣海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的一個(gè)主要成本驅(qū)動(dòng)因素是地質(zhì)的不確定性。一些已確定的風(fēng)險(xiǎn)包括:軟土邊坡的影響、海床運(yùn)動(dòng)、復(fù)雜的海洋地層、陡峭的地形、障礙物、地震活動(dòng)、土體液化和易燃或有毒氣體的存在。這些關(guān)鍵變量通常很難設(shè)計(jì)，而且通常無法獲得相關(guān)信息。
為了確保整個(gè)海上風(fēng)電傳輸系統(tǒng)能夠安裝在有利的位置，并提供可靠的能源來源，海上基礎(chǔ)的物理設(shè)計(jì)是首要的重點(diǎn)。這需要了解土體的力學(xué)行為和動(dòng)力學(xué)特性，包括:不同地點(diǎn)的模量、強(qiáng)度、模量衰減、阻尼比、應(yīng)力歷史和變形。重要的是，準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果需要及時(shí)交付給設(shè)計(jì)承包商。這促成了臺(tái)灣致力于離岸土工測(cè)試的巖土工程實(shí)驗(yàn)室的建立。該項(xiàng)目是由中興工程顧問股份有限公司和PDE Offshore公司合作完成的。
中興巖土工程研究中心 (GERC) 以其在眾多土木工程和基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目的巖土工程專業(yè)服務(wù)而聞名。 作為一個(gè)先行者，它始終站在臺(tái)灣巖土工程的前沿。根據(jù)臺(tái)灣認(rèn)證基金會(huì)(TAF)監(jiān)督下的各種巖土測(cè)試認(rèn)證，50多年來，中興工程顧問股份有限公司長(zhǎng)期參與臺(tái)灣多個(gè)大型工程項(xiàng)目。
PDE 離岸公司由Pan Formosa Engineering(1983年成立)、Dragon Prince hydro survey(2007年成立)和EGS Asia(1974年成立)合資成立，提供專業(yè)的陸上和海上鉆井服務(wù)。PDE成功地增加了海上液壓固定平臺(tái)的數(shù)量和多樣性，是亞洲重要的供應(yīng)商之一。它在臺(tái)灣海上風(fēng)電市場(chǎng)中扮演著重要的角色。
Sinotech-PDE聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室于2021年春天成立，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制和保證。實(shí)驗(yàn)室已全面引進(jìn)GDS系統(tǒng)，可進(jìn)行廣泛的土力學(xué)測(cè)試，包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)三軸測(cè)試系統(tǒng)、動(dòng)單剪測(cè)試、恒應(yīng)變速率固結(jié)、自動(dòng)固結(jié)、共振柱系統(tǒng)。這對(duì)于提供海上基礎(chǔ)設(shè)計(jì)所需的關(guān)鍵參數(shù)具有重要意義。在選擇巖土測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，關(guān)鍵的因素是確保測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性，這也是選擇GDS的原因所在。到目前為止所購設(shè)備情況見下表:
所有系統(tǒng)可以連續(xù)或同時(shí)運(yùn)行?？赏瓿扇缦聹y(cè)試 (但不限于):
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不固結(jié)不排水(UU)三軸測(cè)試
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固結(jié)不排水(CU)三軸測(cè)試
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固結(jié)排水(CD)三軸測(cè)試
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固結(jié)下的直剪測(cè)試
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增量加載固結(jié)測(cè)試
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飽和多孔材料滲透系數(shù)測(cè)試
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力控制循環(huán)三軸強(qiáng)度 (CUcyc).
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通過動(dòng)三軸測(cè)定土體的模量和阻尼比
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通過共振柱系統(tǒng)測(cè)量模量和阻尼比
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通過彎曲元系統(tǒng)測(cè)定土樣的剪切波速和初始剪切模量
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通過環(huán)剪儀測(cè)定細(xì)粒土的殘余剪切強(qiáng)度
到目前為止，總體測(cè)試結(jié)果是有希望和令人滿意的。下面是通過荷載控制循環(huán)三軸試驗(yàn)研究的一個(gè)近海土樣的例子。該試驗(yàn)是在一個(gè)未受擾動(dòng)的試樣上進(jìn)行的，該試樣屬于低塑性細(xì)粒粉土。該土樣是在海底約8.3米的深度提取的。初始含水量為27.5%，初始干密度為1.61 t/m3。
土樣的B值為0.95, 固結(jié)應(yīng)力是100kPa，動(dòng)應(yīng)力幅值和應(yīng)力比(CSR) 分別為40kPa 和 0.2。根據(jù)ASTM D5311標(biāo)準(zhǔn), 我們可以評(píng)價(jià)該土樣的液化勢(shì)。如圖所示，破壞發(fā)生在在第15個(gè)循環(huán)，根據(jù)產(chǎn)生的超孔隙壓力判別。
在成立的第一年，Sinotech - PDE聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室已達(dá)成初步目標(biāo)，為臺(tái)灣某海上風(fēng)力工程完成一套全面的土力學(xué)測(cè)試。超過15名專業(yè)技術(shù)人員和研究人員已經(jīng)參與了該項(xiàng)目。大量的測(cè)試結(jié)果已經(jīng)從30多個(gè)鉆孔到100米深的取芯中得到，每一個(gè)都被轉(zhuǎn)移考慮。未來，該實(shí)驗(yàn)室將成為一個(gè)學(xué)術(shù)與產(chǎn)業(yè)合作的平臺(tái)，不僅在臺(tái)灣，而且可能在整個(gè)東亞地區(qū)。
全自動(dòng)三軸系統(tǒng)GDSTAS(右側(cè)) 和固結(jié)儀CRS(左側(cè))
標(biāo)準(zhǔn)型動(dòng)三軸系統(tǒng)ELDYN(左側(cè)),共振柱系統(tǒng)和
高級(jí)動(dòng)三軸系統(tǒng) (右側(cè))
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
GDS自動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)（GDSTAS）是壓力架型的三軸試驗(yàn)系統(tǒng)。這套系統(tǒng)由荷載架、三軸壓力室、壓力體積控制器和軟件模塊組成，可以配置成一套商業(yè)型的性價(jià)比高的從土到巖石的設(shè)備。如果現(xiàn)有的系統(tǒng)需要升級(jí)，那么GDSTAS的組件可以與現(xiàn)有的系統(tǒng)兼容用于系統(tǒng)升級(jí)（包括其他廠商生產(chǎn)的設(shè)備）。
GDS彎曲元件可以非常容易地在三軸壓力室中測(cè)量體土體在小應(yīng)變時(shí)的剪切模量。由于荷載和位移測(cè)量裝置的分辨率和精度不夠，因此，在室內(nèi)非常小的應(yīng)變條件下測(cè)量土體的剛度是非常困難的。在三軸試驗(yàn)中測(cè)量小應(yīng)變剛度通常采用局部應(yīng)變傳感器，但是這種傳感器的價(jià)格很昂貴，通常用于科學(xué)研究。
三軸試驗(yàn)系統(tǒng)中的彎曲元晶片可以很容易地測(cè)量剪切模量Gmax，簡(jiǎn)單而高效。
恒應(yīng)變速率固結(jié)試驗(yàn)系統(tǒng)(CRS)
不需要像典型的固結(jié)儀在固結(jié)試驗(yàn)時(shí)逐級(jí)增加應(yīng)力，CRS固結(jié)系統(tǒng)是以恒定的應(yīng)變速率對(duì)試樣施加軸向荷載。施加于試樣內(nèi)的反壓（水）是可控的，并通過設(shè)備底座來進(jìn)行排水。這種試驗(yàn)方法的優(yōu)點(diǎn)就在于可以顯著地減少固結(jié)試驗(yàn)的時(shí)間，提高工作效率。
自動(dòng)固結(jié)試驗(yàn)系統(tǒng) (GDSAOS) (一維固結(jié))
GDS自動(dòng)固結(jié)儀系統(tǒng)（GDSAOS）替代了傳統(tǒng)的掛碼式固結(jié)儀。GDSAOS內(nèi)含獨(dú)立的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元，可通過智能鍵盤或者USB連接計(jì)算機(jī)來控制。設(shè)備無需壓縮空氣或手動(dòng)增加荷重。當(dāng)使用GDSLAB控制和數(shù)據(jù)采集軟件時(shí)，GDSAOS系統(tǒng)除了可以完成傳統(tǒng)掛碼式固結(jié)儀所能完成的試驗(yàn)外，還可以完成一系列完整的試驗(yàn)。
標(biāo)準(zhǔn)型動(dòng)三軸系統(tǒng)
標(biāo)準(zhǔn)型動(dòng)態(tài)三軸試驗(yàn)系統(tǒng) (ELDYN)
GDS標(biāo)準(zhǔn)型動(dòng)態(tài)三軸試驗(yàn)系統(tǒng) (ELDYN)是一種基于帶電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的軸向剛性加載架的三軸系統(tǒng)。ELDYN可以滿足室內(nèi)巖土試驗(yàn)領(lǐng)域?qū)?dòng)三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)低成本、功能全的要求，同時(shí)仍然滿足使用者對(duì)GDS的高標(biāo)準(zhǔn)期望。
高級(jí)研究型動(dòng)三軸系統(tǒng)
高級(jí)動(dòng)態(tài)三軸試驗(yàn)系統(tǒng) (DYNTTS)
高級(jí)動(dòng)態(tài)三軸試驗(yàn)系統(tǒng) (DYNTTS) 是一套高端的試驗(yàn)設(shè)備，它將三軸壓力室和動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器合為一體，可以施加10Hz的動(dòng)態(tài)荷載、變形和應(yīng)力。
動(dòng)三軸DYNTTS的定制性很好，例如可以升級(jí)局部應(yīng)變傳感器、彎曲元試驗(yàn)、非飽和土試驗(yàn)等；從標(biāo)準(zhǔn)的2Hz/10kN升級(jí)到5Hz或10Hz的版本；能夠升級(jí)軸向負(fù)載能力從標(biāo)準(zhǔn)的10kN范圍到最大60kN；試樣尺寸從標(biāo)準(zhǔn)的100mm升級(jí)到最大300mm；可以升級(jí)溫控范圍從零下20度到零上85度。
伺服電機(jī)動(dòng)單剪系統(tǒng)
伺服電機(jī)控制的動(dòng)態(tài)循環(huán)單剪試驗(yàn)系統(tǒng)(EMDCSS)
GDS電機(jī)控制的動(dòng)態(tài)循環(huán)單剪試驗(yàn)系統(tǒng)(EMDCSS)是進(jìn)行動(dòng)單剪試驗(yàn)的主要設(shè)備，它不僅可以進(jìn)行小應(yīng)變（0.005%剪應(yīng)變幅值）到大應(yīng)變（10%剪應(yīng)變幅值）的動(dòng)態(tài)循環(huán)試驗(yàn)，還可以進(jìn)行非常精確的準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)試。
共振柱試驗(yàn)系統(tǒng)(GDSRCA)
振柱試驗(yàn)系統(tǒng)（GDSRCA）是一款Stokoe型的設(shè)備，在小到中等的應(yīng)變范圍內(nèi)（<1%應(yīng)變），用來測(cè)定剪切模量和阻尼比。通過GDSRCA軟件進(jìn)行控制，該系統(tǒng)也可以用來測(cè)試彎曲模量?？蛇x項(xiàng)包括：環(huán)境溫度控制腔體（- 20°C至40°C），垂直加載作動(dòng)器，高壓壓力室，和動(dòng)態(tài)頻率小于10Hz的扭轉(zhuǎn)剪切試.
環(huán)剪試驗(yàn)系統(tǒng)(GDSRSA)
GDSRSA環(huán)剪試驗(yàn)系統(tǒng)是一個(gè)現(xiàn)代化的，緊湊的、桌面化的環(huán)剪系統(tǒng)，允許完全自動(dòng)化的試驗(yàn)。該GDSRSA允許進(jìn)行扭轉(zhuǎn)環(huán)剪試驗(yàn)。在排水條件下，通過步進(jìn)電機(jī)連續(xù)施加旋轉(zhuǎn)剪切作用力直到獲得恒定的殘余剪切應(yīng)力。在試驗(yàn)過程中，試樣的橫截面區(qū)域的剪切面不變。GDS的環(huán)狀剪切儀通過GDS力作動(dòng)器施加固結(jié)應(yīng)力，通過計(jì)算機(jī)（用USB連接）來進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)采集，外置的荷載傳感器直接測(cè)量施加到樣品上的軸向和剪切應(yīng)力。
