长期循环荷载下海相黏土的应变累积机制：实验研究与模型构建

针对海上风电基础长期受循环荷载导致的黏土累积变形难题，研究人员通过系列不排水循环三轴试验(CTTs)，系统分析了循环偏应力比(CSR)、初始静剪应力(qs)和初始平均有效应力(p0)的影响，发现剪切应变幅值(Δγ)与永久应变速率呈正相关，进而建立融合塑性指数(Ip)的预测模型，为海上结构物长期稳定性评估提供新方法。

　　

海上风电作为绿色能源的重要支柱，其基础结构在服役期间需承受高达10⁸次的风浪循环荷载。这种长期动态作用会导致海相黏土产生不可逆的"棘轮效应"——即每次荷载循环中微小的永久应变累积，最终可能引发基础倾斜、结构频率偏移等工程灾害。尤其对于高压缩性、低强度的海相黏土，传统模型因忽略剪切应变幅值(Δγ)和土体塑性指数(I_p)等关键参数，难以准确预测长期变形行为。

针对这一挑战，香港大学（Research Grants Council of Hong Kong资助）联合国内团队开展创新研究。通过系统的不排水循环三轴试验(CTTs)，首次揭示了Δγ与永久轴向应变(ε_N^p)的定量关系，并建立融合参考剪切应变参数的新型预测模型。该成果发表于《Soil Biology and Biochemistry》，为海上风电基础设计提供了理论突破。

研究采用三大关键技术：1) 取自广东阳江风电场的原状海相黏土试样（8-14m深度层）；2) 控制循环偏应力比(CSR)、初始静剪应力(q_s)和平均有效应力(p₀)的CTTs实验；3) 基于Qian等模型的改进算法，引入Δγ和I_p参数构建预测方程。

【材料特性】

试样物理性质测试显示黏土含量12.3%、粉土61.9%，塑性指数31.2。单调剪切试验呈现典型应变硬化特征，峰值偏应力出现在轴向应变6-8%区间（图6a），高p₀条件下出现轻微软化。

【应变累积规律】

CTTs数据表明：ε_N^p随CSR、q_s和p₀增加而显著增长。当CSR超过临界值0.23时，应变累积速率骤增；Δγ与ε_N^p呈现强线性相关（R²>0.9），验证了Dobry等提出的阈值应变理论。

【模型构建】

改进的应变幅值模型：

ε_N^p=(α₁Δγ+α₂)+(α₃Δγ+α₄)ln(N/100)

创新性引入γ_ref参数反映I_p影响，经文献数据验证，预测误差<15%。

该研究首次量化了Δγ对黏土长期变形的主导作用，建立的"应变幅值-塑性指数"双参数模型突破了传统应力比模型的局限。成果可直接应用于海上风电基础设计，通过控制Δγ阈值（如<0.1%）有效抑制累积变形。未来研究可拓展至不同OCR和频率荷载工况，进一步完善海洋土动力学理论体系。