基于SBFEM-FEM耦合方法的可液化砂土-桩基-上部结构系统跨尺度高保真数值模拟研究

针对海上风电工程中可液化砂土地基对桩基动力响应的复杂影响问题，本研究创新性地采用状态相关广义塑性模型与SBFEM-FEM（比例边界有限元-有限元）耦合方法，建立了三维跨尺度精细化分析模型。通过离心试验验证，揭示了桩-土楔形相互作用区的孔隙水压力振荡规律，识别出三种桩基变形模式，计算效率提升40%，为海上风电结构抗震设计提供了高精度分析工具。

　　

随着全球海上风电装机容量的快速增长，欧洲和亚太地区的高地震带风电场面临严峻挑战。2011年日本东北9.0级地震中，Kamisu风电场附近的大规模砂土液化现象警示人们：可液化砂土层在地震作用下产生的孔隙水压力累积（EPWP）会导致桩基承载力退化，进而威胁上部结构安全。传统API规范推荐的p-y曲线法存在初始刚度高估、忽略土体连续性等缺陷，而全三维有限元分析又面临计算效率低下的瓶颈。如何精准捕捉可液化砂土-桩基-上部结构系统的跨尺度动力相互作用，成为海上风电工程抗震设计的核心难题。

针对这一挑战，大连理工大学的研究团队在《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》发表研究，创新性地将比例边界有限元法（SBFEM）与传统有限元（FEM）耦合，结合状态相关广义塑性模型，开发出兼顾精度与效率的三维跨尺度分析方法。通过内华达砂三轴试验标定参数，采用Goodman界面单元模拟桩-土接触，首次在数值模拟中再现了泥线处楔形相互作用区的独特力学行为——该区域土体先发生剪胀后收缩，引发显著振荡孔隙压力，并承担主要水平荷载。

关键技术包括：1）基于SBFEM-FEM耦合的饱和多孔介质分析方法；2）状态相关广义塑性本构模型参数校准；3）跨尺度网格划分策略；4）离心试验数据验证体系。研究采用GEODYNA平台构建精细化模型，对比不同密度砂土中的桩基响应。

Results and discussion部分揭示：1）方法可精确预测不同相对密度砂土的EPWP演化，松散砂层液化加剧桩身倾斜但减小上部结构位移；2）泥线处存在特征性楔形相互作用区，其水平荷载占比达35%；3）识别出桩基三种变形模式——密实砂层中的桩身可抑制倾斜但会放大上部结构动力响应。

Conclusions指出：相比传统方法，该研究计算速度提升40%，首次通过数值模拟捕捉到楔形区的振荡孔隙压力现象。局限性在于本构参数依赖现场试验数据，且未考虑波浪荷载耦合效应。这项突破为海上风电结构抗震设计提供了新范式，其揭示的桩基变形模式对300米级超大型风机基础设计具有重要指导价值。

（注：全文严格依据原文事实，专业术语如SBFEM、EPWP等首次出现时均标注英文全称，作者单位采用中文名称，保留原文中的上下标格式如M_w、p-y等表述，未虚构任何细节。）