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为探究分层土中改良吸力式沉箱（MSC）的侧向承载特性，研究人员通过模型试验和数值模拟展开研究。结果表明 MSC 在砂上黏土层的承载能力更强，且旋转点位置会下移。该研究为海上风电基础设计提供了理论依据。
在当今能源领域，海上风电发展迅猛。2024 年 7 月，一台 16.6 MW 的大型海上风力发电机成功安装，这标志着海上风电迈入了大容量时代。吸力式沉箱凭借其成本低、运输方便、安装回收便捷以及对海洋环境影响小等优势，成为深海大容量海上风力发电机的首选基础。
然而，海上风力发电机的吸力式沉箱面临着诸多挑战。风、浪和洋流会对其产生侧向荷载和弯矩，这些是主要的控制荷载。大量岩土勘察数据显示，海上风电场的土壤大多呈分层状态。但此前的研究主要集中在砂、黏土或粉砂中的吸力式沉箱侧向承载能力，对于分层土中吸力式沉箱侧向承载特性的研究较少，尤其是旋转点变化和承载能力解析解方面。因此，开展对分层土中改良吸力式沉箱（MSC）侧向承载特性的研究至关重要。
为了解决这些问题，研究人员进行了一系列研究。通过模型试验和数值模拟，探究 MSC 在分层土中的侧向承载特性。研究人员使用不锈钢制作了吸力式沉箱模型，包括 MSC 和传统吸力式沉箱（TSC），模型尺寸参照实际项目按 1:100 缩放。土壤采用取自青岛海域的砂和马来西亚高岭土黏土，设置了砂、黏土、砂上黏土层和黏上砂土层 4 种土壤类型。
在研究过程中，运用了多种关键技术方法。模型试验方面，通过施加吸力安装沉箱，用电液伺服系统施加侧向荷载，使用线性可变差动变压器（LDVT）测量沉箱的穿透深度和侧向位移，利用倾斜仪监测沉箱垂直度。数值模拟则借助 ABAQUS 软件，建立有限元模型，模拟沉箱与土壤的相互作用。
研究结果如下：
- 吸力辅助穿透特性：在吸力辅助穿透过程中，MSC 和 TSC 的吸力值随穿透深度增加而增加，但在不同土壤类型中变化趋势不同。在砂中，由于渗流效应，穿透阻力减小，所需吸力降低。当沉箱尖端接触到不同土层界面时，吸力值会发生突变。例如，在砂上黏土层中，沉箱尖端到达黏土界面时，吸力值突然增加；在黏上砂土层中，沉箱尖端到达砂层界面时，吸力值突然减小。而且，MSC 在相同穿透深度下的吸力值高于 TSC。
- 侧向承载能力：MSC 在砂、黏土、砂上黏土层和黏上砂土层中的侧向承载能力分别比 TSC 提高了约 33.3%、28.6%、25.0% 和 40.0%。在不同土壤类型中，MSC 和 TSC 的最大和最小侧向承载能力分别出现在砂和黏土中。同时，加载偏心距会影响 MSC 的侧向承载能力，偏心距增大，承载能力降低。在砂上黏土层和黏上砂土层中，偏心距为 1.0 时的承载能力分别比偏心距为 2.0 时提高了约 66.7% 和 75.0%。此外，在侧向加载过程中，MSC 和 TSC 的旋转点先下移，最终在极限状态下达到稳定位置。不同土壤类型中，旋转点稳定位置的深度不同，黏土 - 砂层最深，砂次之，砂 - 黏土层再次之，黏土最浅。
- 土壤变形特性：侧向加载时，沉箱周围会形成土壤变形区。通过水平气泡法观察发现，沉箱前方的土壤隆起变形区随加载步骤增加而增大，且隆起区可拟合为椭圆函数。在极限状态下，不同土壤类型中 MSC 和 TSC 的表面变形范围不同，MSC 能调动更多土壤抵抗侧向荷载。在黏土和黏上砂土层中，土壤变形区比在砂和砂上黏土层中更大，加载偏心距对极限状态下的土壤变形区影响较小。
- 数值模拟结果：通过 ABAQUS 软件建立有限元模型，模拟结果与模型试验结果对比，承载能力误差小于 10%，验证了数值模型的有效性。研究发现，土层分布系数对 MSC 侧向承载能力影响显著。在砂上黏土层中，侧向承载能力随土层分布系数增大而增加；在黏上砂土层中，趋势则相反。通过数值模拟还得到了三维土壤变形区的特征，变形区边界可拟合为椭圆函数，且变形区在加载方向前方比后方大。
- 侧向承载能力的计算方法：基于极限平衡法和土压力理论，提出了计算分层土中 MSC 侧向承载能力的方法。通过建立坐标系，假设土壤变形区形状，推导了相关计算公式。经模型试验验证，该方法计算结果与试验结果的相对误差在合理范围内，能较好地预测 MSC 和 TSC 在砂、黏土和分层土中的侧向承载能力。
研究结论和讨论部分指出，MSC 在砂上黏土层的侧向承载能力大于黏上砂土层，且承载能力随砂层厚度增加而增大。同时，明确了 MSC 旋转点的移动规律和最终稳定位置在不同土壤类型中的差异。此外，获得了土壤变形区的特征和计算侧向承载能力的有效方法。这些研究成果对于指导海上风电吸力式沉箱基础的设计和工程应用具有重要意义，为提高海上风电设施的稳定性和安全性提供了理论支持，有助于推动海上风电产业的发展。该研究成果发表在《Applied Ocean Research》上，为相关领域的研究提供了有价值的参考。
