循环荷载顺序对超固结黏土中海上单桩短期性能的影响机制研究

本研究针对海上风电单桩(OWTs)在超固结黏土中受不规则循环荷载作用时累积变形预测的难题，通过三维有限元分析结合高级土体本构模型(RMW)，系统探究了升序、降序及混合排序荷载序列对单桩性能的影响。研究发现荷载顺序显著影响孔隙水压力累积、土体刚度退化和阻尼比演化，挑战了现行设计规范中Miner准则的适用性，为优化单桩设计提供了重要理论依据。

　　

随着全球脱碳进程加速，海上风电作为清洁能源的重要组成快速发展。然而支撑80%欧洲海上风机的单桩基础(Monopile)在复杂海洋环境中面临严峻挑战——风浪作用产生的变幅、变频、变向循环荷载会导致黏土地基累积变形，而当前设计方法基于Miner准则假设荷载顺序不影响最终变形，这一假设在砂土排水条件下成立，但在黏土不排水条件下的有效性尚不明确。更棘手的是，随着单桩直径增至10米级，基础成本占风电场总成本30%，传统设计方法可能低估荷载顺序对黏土中孔隙水压力累积、土体刚度退化的影响，进而影响风机整体稳定性。

为破解这一难题，国外研究团队通过先进的三维有限元分析，首次系统研究了超固结黏土中单桩在不同荷载序列下的响应机制。研究采用Rouainia-Muir Wood(RMW)高级本构模型，该模型通过运动硬化气泡和外部结构面精准捕捉结构化黏土的循环软化特性。团队首先校准模型参数匹配伦敦黏土和马来西亚高岭土的实验数据，随后建立直径10米、长径比4.5的单桩模型，施加升序、降序和混合排序三种荷载序列(ζ_b=20%-30%)，监测150次循环中土体应力-应变演化、孔隙水压力累积等局部响应，以及单桩旋转刚度、阻尼比等整体性能。

关键技术包括：(1)采用RMW多表面本构模型描述黏土结构退化；(2)三维有限元建模结合黏性边界模拟不排水条件；(3)通过离心机试验数据验证模型可靠性；(4)量化分析循环刚度退化和阻尼比演化规律。研究特别关注荷载顺序对土体有效应力路径、结构退化程度的影响机制。

5.1 单幅循环荷载响应
在ζ_b=25%-45%的单幅荷载下，单桩呈现典型棘轮效应，累积转角随荷载幅值增大而显著增加。刚度退化呈现两阶段特征：前2次循环急剧下降60%，后续缓慢衰减至100次循环时累计降低80%。阻尼比最高达18%，与孔隙水压力累积导致的土体软化直接相关。

5.2 多级荷载序列的土体响应
应力-应变曲线揭示降序荷载在初期即产生9.3%剪切应变，远超升序序列的6.5%。孔隙水压力监测显示：降序序列在首50次循环就达到升序序列150次的压力水平，2m深处初期负孔压表明黏土 dilatancy(剪胀)特性。有效应力路径显示降序荷载使土体更快逼近临界状态。

5.3 单桩整体性能
降序荷载使单桩在初期即完成80%转角累积，而升序荷载的转角随荷载增大持续发展。刚度分析显示降序序列初始刚度衰减更快，但最终升序序列刚度多降低15%。阻尼比演化表明能量耗散主要发生在高幅值循环阶段。

5.4 长期响应预测
扩展至400次循环的模拟显示，降序序列的应力软化区比升序序列扩大40%，证实高幅值荷载早期作用会加速土体破坏。这种差异直接挑战Miner准则的等损伤累积假设。

这项研究从根本上改变了对黏土中单桩循环性能的认知：荷载顺序不仅影响变形发展路径，更会改变最终破坏模式。对于工程实践，研究建议设计时应考虑降序荷载序列的保守性，特别是在评估风暴极端荷载时。发现的结构化黏土"记忆效应"(前期荷载历史影响后期响应)为建立新的循环本构模型提供了方向。未来研究需扩展至不同OCR(超固结比)黏土和排水条件的耦合效应，以全面指导下一代XXL单桩(直径>15米)的设计优化。论文成果发表在《Applied Ocean Research》，为海上风电基础设计规范更新提供了关键理论支撑。