黏土中海上风电桩基多向侧向行为的数值模拟研究及其设计优化启示

为解决海上风电桩基(OWT)在黏土中多向荷载下的位移累积问题，研究人员通过建立考虑土体软化行为的有限元模型，系统研究了弧线形、十字形及偶发偏载三种典型荷载路径对桩-土相互作用的影响。首次揭示45°-60°偏载角度对位移累积的显著恶化效应，提出需在设计中引入多向荷载系数，为复杂荷载条件下的桩基设计提供了理论依据。

　　

随着全球海上风电装机容量快速增长，桩基础因其技术成熟度成为主流支撑形式。然而复杂海洋环境中，风浪流多向循环荷载引发的桩基累积位移问题日益凸显。传统单向荷载研究范式与真实多向受力场景的差异，导致现有设计方法存在潜在非保守风险。尤其在中国、越南等以黏土质海床为主的区域，土体软化特性与多向应力路径的耦合效应更增加了设计挑战。

针对这一难题，中国某高校团队在《Ocean Engineering》发表研究，通过数值模拟与离心试验相结合的手段，首次系统量化了黏土中海上风电桩基的多向力学响应规律。研究采用Einav-Randolph土体本构模型，引入应变软化因子δ_rem和速率敏感系数μ，构建了能反映多向荷载下土体强度退化的三维有限元模型。通过校准离心试验数据验证模型可靠性后，重点分析了弧线形、十字形及偶发偏载三种典型工况。

土壤模型
基于应变软化理论建立修正不排水抗剪强度公式，其中s_u= (s_um+kz)[1+μlog₁₀(γ?_max/γ?_ref)][δ_rem+(1-δ_rem)e^-bξ_p] 完整描述了深度效应、速率依赖性和累积塑性应变的影响。

数值模拟程序
设计三类荷载路径：弧线形模拟连续风向变化，十字形代表正交波浪力，偶发偏载则反映极端事件。通过对比单向荷载基准，发现多向荷载使位移累积量增加2-3倍，且荷载-位移呈现显著非共轴性（峰值荷载与位移方向偏差达15°-25°）。

结论
研究首次明确45°-60°偏载角度为最不利工况，单次偶发事件即可造成相当于数百次循环的位移累积。这种现象源于多向荷载加速了土体软化区贯通，而传统单向p-y模型低估了这种效应达40%。提出的多向荷载因子修正框架，为《风电桩基设计规范》的修订提供了理论支撑。

该研究突破传统单向分析局限，建立的数值方法较PISA项目采用的边界表面理论更易工程化应用。成果对东海、南海等软黏土海域的风电场建设具有直接指导价值，尤其为台风多发区的桩基安全评估提供了关键参数。后续研究可进一步结合现场监测数据，完善多层土质条件下的多向耦合响应模型。