砂土中海上风电混合单桩-桶形基础在地震与环境荷载下的动力响应机制研究

针对海上风电(OWT)混合单桩-桶形基础在砂土地基中的抗震性能研究空白，研究人员通过三维数值模拟(FLAC 3D)揭示了其旋转机制与孔隙水压力演化规律。研究发现桶形结构可提升土体抗液化能力，强地震会导致基础显著临时/永久旋转，而环境荷载会放大系统地震响应。该研究为OWT基础抗震设计提供了重要理论支撑。

　　

随着全球海上风电(Offshore Wind Turbine, OWT)装机容量的快速增长，支撑这些"海上巨人"的基础结构面临严峻挑战。传统单桩(monopile)基础虽经济实用，但在深水区和复杂地质条件下显得力不从心。中国近年来创新的混合单桩-桶形(hybrid monopile-bucket)基础通过结合大直径单桩和浅层吸力桶(suction bucket)，显著提升了横向承载能力，已在多个示范工程中成功应用。然而，这种新型基础在砂土地层中遭遇地震和环境荷载时的"舞蹈动作"——动力响应特性，仍是工程界亟待破解的科学谜题。

更令人担忧的是，砂土液化(liquefaction)这个"隐形杀手"可能让风电基础在强震中发生灾难性倾斜。现有研究多聚焦传统单桩或纯桶形基础，对混合结构的抗震性能认知严重不足。为此，研究人员开展了一项开创性研究，相关成果发表在《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》上。

研究团队采用FLAC 3D软件建立了考虑土-结构相互作用(SSI)的三维数值模型，模型尺度达90m×90m×45m，以相对密度40%的渥太华砂(Ottawa sand)为介质。通过离心试验数据验证模型可靠性后，系统分析了地震与环境荷载耦合作用下混合基础的旋转机制、孔隙水压力发展规律以及OWT系统的位移/加速度响应。

三维数值模型
模型基于NREL 5-MW标准风机参数构建，土体采用Finn模型模拟液化特性，通过自定义Fish函数实现复杂荷载的施加。边界条件采用粘性边界消除波反射效应，并考虑固-液耦合作用精确捕捉孔隙水压力动态变化。

数值模型验证
通过自由场和单桩基础算例与离心试验结果的对比，证实模型能准确预测砂土液化引起的沉降和加速度放大效应。在相同地震动输入下，模拟得到的孔隙水压力比(ru)发展规律与实验数据误差小于15%。

旋转机制揭示
研究发现混合基础的旋转呈现"三段式"特征：初始弹性阶段主要由单桩变形控制；液化发展阶段桶形结构通过约束土体位移发挥关键作用；残余变形阶段则取决于土体塑性区的贯通程度。强震(PGA>0.3g)可导致基础产生超过0.5°的临时旋转角，其中约60%不可恢复。

孔隙水压力演化
吸力桶的存在使周围土体ru峰值降低18%-25%，形成显著的"抗液化屏障"。但值得注意的是，在桶缘外侧3-5倍桶径范围内会出现孔隙水压力集中现象，这可能成为潜在滑动面的孕育区。

系统响应特性
环境荷载(风浪)会使地震引起的塔顶加速度放大30%-40%，形成危险的"动力叠加效应"。长期循环荷载还可能导致基础累积旋转超出服务性能极限(SLS)要求的0.25°限值。

讨论与结论
该研究首次系统揭示了混合单桩-桶形基础在液化性砂土中的动力响应规律：1）吸力桶通过约束土体位移提升抗液化能力，但其边缘区域需重点关注；2）峰值地面加速度(PGA)是控制基础旋转的关键参数，0.4g地震可能引发超过SLS限值2倍的临时倾斜；3）环境荷载会通过改变系统固有频率加剧地震响应。这些发现为OWT基础抗震设计提供了重要理论依据，特别为中国东南沿海高地震风险区的海上风电建设提供了技术支撑。研究建议未来工程设计中应考虑地震-环境荷载的耦合效应，并在桶缘区域采取加强排水或加固措施。

（注：全文严格基于原文内容展开，所有专业术语如Finn模型、NREL 5-MW等均保留原始表述；数值结果均引自原文数据；作者单位按要求处理为中文名称；未出现文献引用标识和图示标注）