據(jù)估計(jì)，未來30年世界能源消耗將增加56％。核電和可再生能源是世界能源增長較快的來源，均以2.5％的年均增長率增長。水電和風(fēng)能是全球可再生能源發(fā)電增長的兩個(gè)最大因素（IEA，2013）。
風(fēng)能是一種潔凈的可再生的一次能源。風(fēng)力發(fā)電是一種建設(shè)周期短、建設(shè)規(guī)模靈活,不污染環(huán)境、具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的新能源項(xiàng)目。隨著國家對(duì)環(huán)境保護(hù)的增強(qiáng)和在政策方面對(duì)風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目的扶持,風(fēng)力發(fā)電在近年在我國得到了迅猛發(fā)展。
據(jù)中國氣象科學(xué)研究院估算中國陸地上離地10米高度的可開發(fā)利用風(fēng)能儲(chǔ)量為2.5億千瓦，海上儲(chǔ)量約為7.5億千瓦海上風(fēng)能資源儲(chǔ)量遠(yuǎn)大于陸地風(fēng)能儲(chǔ)量。因此，發(fā)展海上風(fēng)能技術(shù)是必然選擇。
其中風(fēng)電機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是風(fēng)電場設(shè)計(jì)中的重要組成部分,其造價(jià)與其安全性又關(guān)系著整個(gè)風(fēng)電場的生存。資料顯示，歐洲已建成海上風(fēng)電場中，地基基礎(chǔ)體系的資本比例占到百分之二十,風(fēng)電機(jī)組由于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)因素而導(dǎo)致的破壞占到總破壞量值的百分之十八。因此設(shè)計(jì)出一個(gè)既安全又經(jīng)濟(jì)的風(fēng)電機(jī)基礎(chǔ)對(duì)整個(gè)風(fēng)電場工程是具有重要意義的。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架一般都大于60m,屬高聳結(jié)構(gòu),其基礎(chǔ)主要是用于支承風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的各種荷載,保證風(fēng)電機(jī)機(jī)組安全穩(wěn)定的運(yùn)行,并確保極端荷載工況下風(fēng)電機(jī)機(jī)組不失穩(wěn)。此外海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)兼具高聳結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、海洋結(jié)構(gòu)工程、動(dòng)力設(shè)備基礎(chǔ)以及復(fù)雜軟土地基四種特性。 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)需要承受360°方向重復(fù)荷載以及具有大偏心受力特性,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)同時(shí)承受豎向荷載、水平荷載、傾覆彎矩以及扭矩的共同作用,水平荷載,豎向荷載和力矩共同作用的加載方式稱為復(fù)合加載模式,在此種復(fù)合加載模式下建筑物及其地基的整體穩(wěn)定極限承載力是工程設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題。
此外，碳?xì)浠衔锢^續(xù)在能源市場中發(fā)揮重要作用，平臺(tái)在更深的水域中建造，以便能夠進(jìn)入新的油氣田。由于各種靜態(tài)、循環(huán)和動(dòng)態(tài)載荷，海上能源結(jié)構(gòu)，包括風(fēng)力渦輪機(jī)和石油和天然氣平臺(tái)，在結(jié)構(gòu)、風(fēng)、波浪和土壤之間經(jīng)歷復(fù)雜的相互作用。
GDS開發(fā)了一系列設(shè)備，可以復(fù)制應(yīng)用于海上能源結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)土壤的二維和三維靜態(tài)和動(dòng)態(tài)循環(huán)荷載。這些系統(tǒng)包括三軸和直接簡單剪切系統(tǒng)，可以確定海上土壤的循環(huán)強(qiáng)度，以及固結(jié)特性，使用局部傳感器的小應(yīng)變剛度測量，以及靜態(tài)不排水強(qiáng)度，以便在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行評(píng)估。
GDS動(dòng)單剪系列產(chǎn)品（
EMDCSS、
VDDCSS和
MDDCSS）正是一個(gè)方便用于海上復(fù)雜受力研究的工具。
適用于
規(guī)范ASTM D-6528：通過直接簡單剪切設(shè)備測定土壤的靜態(tài)剪切強(qiáng)度參數(shù)。 該標(biāo)準(zhǔn)也可用作在海上土壤上進(jìn)行循環(huán)簡單剪切試驗(yàn)的指南，以確定用于設(shè)計(jì)的循環(huán)強(qiáng)度。
設(shè)備中圓柱形土樣側(cè)限被涂有特富龍涂層的低摩擦剪切環(huán)約束，實(shí)現(xiàn)橫截面面積不變。施加剪力荷載時(shí)，垂直位移可保持恒定，實(shí)現(xiàn)常體積條件，也就是單剪。它們能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)循環(huán)測試，可測試小應(yīng)變（0.005％剪切應(yīng)變幅度）到大應(yīng)變（10％剪切應(yīng)變幅度），以及準(zhǔn)靜態(tài)測試；試樣制備方便，可模擬海上能源結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)（例如，樁基礎(chǔ)）經(jīng)受主應(yīng)力旋轉(zhuǎn)時(shí)土壤響應(yīng)情況。可以自定義循環(huán)加載曲線，例如風(fēng)暴期間波浪荷載的記錄，應(yīng)用于測試樣本。
VDDCSS可以在兩個(gè)方向上施加直接簡單剪切，允許在水平方向上執(zhí)行單剪測試，近似于海上結(jié)構(gòu)由于風(fēng)和波浪載荷的組合而經(jīng)歷的復(fù)雜加載模式。
MDDCSS在VDDCSS的基礎(chǔ)上還允許對(duì)樣品施加圍壓。樣品架被包裝在丙烯酸壓力室內(nèi)。圍壓的使用用也允許將反壓施加到試樣上。這樣允許樣品進(jìn)行反壓飽和，在單剪試驗(yàn)期間直接記錄超孔隙水壓力。
目前世界上許多研究機(jī)構(gòu)也在使用該系統(tǒng)：
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Name Of Institute/Company
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Country
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EBA Tetra Tech
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Canada
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Klohn Crippen (2 systems)
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Canada
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BGC
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Canada
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Norwegian Geotechnical Insitute (NGI)
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Norway
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Russell Geotechnical Innovations Limited
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UK
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MEG Consulting
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Canada
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Zhejiang University of Science & Technology
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China
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US Bureau of Reclamation
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USA
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Golder Associates
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Australia
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Ocean University of China
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China
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China Oilfield Services (5 systems)
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China
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Fugro Marine UK (8 Systems)
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UK
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Geolabs Ltd
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UK
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Geo Marine Technology Ltd
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China
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Fugro Singapore (2 Systems)
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Singapore
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Ben-Gurion University
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Israel
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Tianjin Research Institute for Water Transport Energy
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China
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University of Bremen
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Germany
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Liebiniz University of Hannover
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Germany
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China Oilfield Services Limited (COSL)
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Hong Kong
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Chu Hai College
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China
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IFSTTAR
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France
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University of Washington
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USA
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Sherbrooke University
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Canada
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Golder Associates Inc
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USA
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Gardline Limited
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UK
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GDS動(dòng)單剪得到了挪威工程巖土研究所（NGI是DSS的原型設(shè)計(jì)單位）的認(rèn)可，購買后與空心圓柱的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。
Fugro公司在過去十年中，一直積極地進(jìn)行初步和詳細(xì)的土壤調(diào)查，用于北海和波羅的海的海上風(fēng)力發(fā)展，最近在美國海域，進(jìn)行了大量的初步和詳細(xì)的巖土工程調(diào)查以及25個(gè)詳細(xì)的根據(jù)德國BSH法規(guī)進(jìn)行調(diào)查。在海上石油和天然氣行業(yè)，F(xiàn)ugro有悠久的土壤調(diào)查測試歷史，該集團(tuán)的專業(yè)知識(shí)在世界上幾乎每個(gè)大陸的海域使用。
Fugro公司一共購買了10套用于相關(guān)研究下圖是Fugro實(shí)驗(yàn)室副主任Roger Brown向客人介紹他們的動(dòng)單剪設(shè)備。
英國GDS離岸測試實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)兩維和三維動(dòng)態(tài)循環(huán)加載：
電機(jī)伺服動(dòng)態(tài)循環(huán)簡單剪切系統(tǒng)是一個(gè)高尖的設(shè)備設(shè)計(jì)用于商業(yè)和研究實(shí)驗(yàn)室的直接剪切實(shí)驗(yàn)，電機(jī)伺服作動(dòng)器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)最大5Hz，與氣動(dòng)方式相比提供高的精度。試樣橫向使用低摩擦保持環(huán)限制試樣，保持橫截面面積不變。
多向循環(huán)單剪試驗(yàn)系統(tǒng) (
VDDCSS), 基于EMDCSS設(shè)計(jì)，能在單剪試驗(yàn)中多向條件下測試土的殘余變形 。是通過在第一個(gè)作動(dòng)器的90度方向處安放第二個(gè)剪切作動(dòng)器來完成的。3D試驗(yàn)的初始設(shè)計(jì)是用于海上風(fēng)電場的基礎(chǔ)試驗(yàn)，該系統(tǒng)能和
EMDCSS一樣完成單剪試驗(yàn)，但是在于可以沿著復(fù)雜的荷載——水平應(yīng)力方向旋轉(zhuǎn)，
VDDCSS-CP的原理和
VDDCSS一樣，但是在試樣周圍配備了額外的腔體，這樣圍壓和反壓可以分別施加。
激活高度控制來實(shí)現(xiàn)剪切時(shí)體積恒定，這時(shí)特制的荷重傳感器消除剪切荷載時(shí)產(chǎn)生的牽引。
實(shí)驗(yàn)控制允許設(shè)定水平荷載、位移及方向的振幅。可以定義剪切方向和0度開始剪切旋轉(zhuǎn)。6軸荷重傳感器，保證荷載都處于高精度內(nèi)部補(bǔ)償測量狀態(tài)。
每個(gè)軸可以進(jìn)行荷載或位移控制。兩個(gè)剪切方向的局部應(yīng)變LVDT，高精度應(yīng)變測量。利用氣壓控制器（GDSPPC）通過對(duì)壓力室內(nèi)的氣/水轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行控制，可以施加最高1Mpa的水壓。高精度測量各階段的孔隙水壓力。
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