海上风电单桩基础水力拆除的数值模拟研究：基于改进Mohr-Coulomb模型的饱和密砂分析

针对海上风电单桩基础退役拆除难题，研究人员采用ABAQUS/Explicit的CEL（Coupled Eulerian-Lagrangian）方法，结合改进Mohr-Coulomb（MMC）模型，模拟水力压力提取过程，揭示了密砂（ID =0.7）中单桩的临界起拔压力（298.8 kPa）与注水速率的关系，为环保型拆除技术提供理论支撑。

　　

随着全球海上风电装机容量快速增长，早期建设的风电场正陆续进入退役期。据统计，超过80%的海上风机采用单桩（monopile）基础，这些钢制结构物设计寿命通常为15-25年。传统拆除方法需要在海床处切割单桩，不仅会残留大量钢材，还涉及复杂的海底开挖作业，成本高昂且环境扰动大。如何实现单桩的完整拆除，成为制约海上风电可持续发展的关键技术瓶颈。

在此背景下，挪威科技大学（NTNU）的研究团队创新性地提出水力拆除技术方案。该技术通过在桩顶安装密封法兰并注入高压水，利用液压顶升原理使桩体整体脱离海床。研究人员采用ABAQUS/Explicit软件中的CEL（Coupled Eulerian-Lagrangian，耦合欧拉-拉格朗日）方法，结合改进的Mohr-Coulomb（MMC）本构模型，首次建立了饱和密砂地基中水力拆除全过程的三维数值模型。相关成果发表在《Applied Ocean Research》期刊。

关键技术方法包括：1）采用CEL方法处理大变形土-水-桩相互作用；2）开发VUSDFLD子程序实现MMC模型，准确描述密砂（相对密度I_D
=0.7）的非线性硬化/软化特性；3）通过线性Us-Up状态方程模拟不可压缩水流；4）设置2 cm均匀网格平衡计算精度与效率。

2. 数值建模框架
通过直径4 m的圆柱形土域模型（图5），模拟了长1.7 m、直径0.612 m的单桩在密砂中的水力起拔过程。MMC模型通过Bolton方程（式1-4）和Vermeer硬化法则（式5-8）捕捉密砂的峰值摩擦角（φ'_p
）和剪胀角（ψ）随塑性应变（γ^p
）的演化规律。验证表明，该模型能准确再现Triantafyllidis等开展的离心机试验结果。

3. 结果与讨论
临界起拔压力分析显示（图15），不同注水速率（12-96 L/min）下平均突破压力为298.8 kPa。低速注水（12 L/min）时桩体呈阶梯式跃迁运动，位移达13 mm；高速注水（96 L/min）则产生连续平稳上升（图11）。剪切应力场（图21）揭示桩内壁存在不对称应力分布，最大剪应力达98 kPa。塑性应变分析（图25）表明，桩端和桩顶内侧土体最先发生塑性破坏，应变随注水持续向表层土体集中。

4. 结论
研究首次量化了密砂中单桩水力拆除的临界压力阈值，证明MMC模型能有效模拟饱和砂土的大变形响应。相比传统切割法，该方法可实现100%材料回收，预计减少30%海上作业时间。5. 建议指出后续需研究土体渗透性影响，并开展全尺寸桩体提取模拟。

该研究为海上风电绿色拆除提供了创新解决方案，其CEL-MMC耦合建模方法对桩-土相互作用研究具有普适价值。正如作者Shabouee等强调，结合液压顶升与船吊辅助的复合工艺，将大幅提升大直径单桩（7.5-11 m）拆除的经济可行性，推动风电行业全生命周期可持续发展。