潮间带淤泥质黏土多尺度结构演化机制及基于孔结构分形的SCC-P模型在海上光伏桩基中的应用

《Journal of Ocean Engineering and Science》：Multi-scale analysis of structural evolution mechanisms in intertidal mucky clay and its application to offshore photovoltaic pile foundations

　　

摘要翻译：针对全球低碳发展背景下海上光伏（PV）向潮间带拓展时淤泥质黏土结构性强、触变性显著和高压缩性所引发的桩基变形与失稳问题，研究人员围绕潮间带淤泥质黏土的结构演化及其在海上光伏桩基中的应用开展多尺度研究。微观结构分析揭示了深层潮间带淤泥质黏土的敏感性机制；研究人员建立了基于分形的结构性剑桥黏土模型（SCC-P）；现场全尺寸水平静载试验与数值模拟表明，SCC-P将桩顶水平位移和桩身弯矩的最大相对误差分别降低约23%和15%；参数敏感性分析揭示了SCC-P参数对桩-土相互作用的影响。该研究为海上光伏桩基优化设计和海岸复杂地质风险缓解提供了理论基础。

研究背景与问题：在全球低碳发展推动下，光伏（PV）电站建设逐步由内陆向沿海潮间带转移。潮间带淤泥质黏土形成于复杂潮汐沉积环境，具有强结构性、显著触变性和高压缩性，与陆域软黏土存在明显差异。工程中，高扰动敏感性和压缩性可导致桩基差异沉降、过大侧向位移、桩身倾斜及桩-土相互作用重分布，进而增大桩身弯矩，严重时造成桩体损伤或断裂，影响光伏支撑体系适用性和结构稳定性。已有多尺度研究多将微观孔隙特征作为定性描述，较少将其转化为控制结构退化的本构参数，尚缺乏从可测孔隙特征到宏观结构破坏行为的定量路径。因此，需要建立具有物理基础的预测框架，阐明潮间带淤泥质黏土结构演化与桩基变形承载行为。

研究开展与意义：Baicong Yao等通过微观测试、宏观单元试验和数值模拟，系统揭示潮间带淤泥质黏土随深度变化的结构演化机制，建立孔分形维数（D_m）与宏观结构损伤率（b）的定量联系，提出基于分形的结构性剑桥黏土模型（SCC-P），并通过ABAQUS用户自定义材料（UMAT）子程序实现。现场全尺寸水平静载试验表明，SCC-P较修正剑桥模型（MCC）显著降低桩顶水平位移和桩身弯矩预测误差。该研究为海上光伏桩基优化设计和复杂海岸地质风险缓解提供理论依据。

关键技术方法（不超过250字）：样本取自浙江台州潮间带光伏电站场地，钻孔取样至10 m，垂直间距2 m，包含表层扰动土（SR）及SP-1、SP-2、SH等不同深度原状土。采用固结试验、固结不排水（CU）三轴压缩试验、无侧限抗压强度（UCS）试验、扫描电子显微镜（SEM，观察微观形貌）、压汞法（MIP，测定孔隙结构）和低场核磁共振（LF-NMR，表征孔隙水分布），并结合X射线衍射（XRD）和X射线荧光（XRF）分析矿物与化学成分。基于MIP数据计算D_m，校准SCC-P参数并在ABAQUS中通过UMAT实现；以14 m预应力高强混凝土管桩（PHC）现场水平静载试验进行工程尺度评估，并开展结构参数敏感性分析。

研究结果：
3.1 淤泥质黏土的力学特性：3.1.1 固结不排水三轴压缩试验表明，试样先呈弹性线性响应，后转为非线性凹向下塑性响应；围压增大提高弹性模量和强度，塑性特征更显著，SH强度高于SR。3.1.2 固结试验表明，SP-1、SP-2、SH压缩曲线呈初始弹性段和结构屈服后塑性段并趋近固有压缩线；随深度增加，初始结构屈服应力升高、塑性段斜率变陡、初始孔隙比降低，说明结构性增强，并据此确定λ^*、k^*、p'_yi、Δe_i、b和ω等参数。
3.2 淤泥质黏土的微观结构特征：3.2.1 MIP结果显示孔径分布呈单峰，原状土峰较重塑土左移下移，最可几孔径由451.8 nm降至318.7、272.8和252.4 nm；累计进汞体积由0.2035降至0.1847、0.1796和0.1686 mL/g；总孔隙率由34%降至29%，但>50 nm大孔相对比例增加。3.2.2 LF-NMR显示强结合水比例稳定在9.74%—10.4%，弱结合水由47.7%降至38.1%，自由水由42.6%升至51.5%，与MIP揭示的孔径重分布物理一致。3.2.3 SEM显示SR为松散絮凝蜂窝状结构，SP-1和SP-2呈平行层片“书舍”结构及狭缝孔，SH呈局部鳞片阶梯堆叠和紧密接触；随深度增加由松散蜂窝向致密层状转变，主导孔径由小变大，与MIP一致。
3.3 深度相关结构演化与敏感性机制：综合MIP、LF-NMR和SEM，深层土在上覆压力下致密化并形成更有序集合体-孔隙框架，但保留较高比例大集合体间结构孔；大孔为亚稳组分，扰动超过结构屈服阈值后接触网络失稳、局部损伤扩展、颗粒重排进入大孔，引起体积收缩和强度快速退化，从而解释深层淤泥质黏土高敏感性和应变软化；浅层土受潮汐反复扰动，结构更松散均匀、残余结构效应较弱。原文同时指出，SEM、MIP和LF-NMR未直接识别胶结物质组成和强度，大孔持续性主要按集合体-孔隙结构解释。
3.4 分形特征与SCC-P模型构建：基于MIP数据计算D_m，SR、SP-1、SP-2和SH分别为2.931、2.865、2.837和2.763；0—10 m范围内106组D_m-b数据呈幂律关系，b=1.202×10⁸D_m^?18.647（R²=0.971）；将该关系代入SCC结构退化律形成SCC-P，使b由宏观曲线拟合参数转为可由初始孔结构特征确定的物理状态变量。
3.5 SCC-P模型的有限元实现：推导SCC-P弹塑性刚度矩阵，采用Fortran编写UMAT并嵌入ABAQUS，采用子步方案和高阶Runge-Kutta法进行应力积分，实现模型数值调用。
3.6 参数校准与工程尺度评估：3.6.1 采用固结、UCS、CU三轴和MIP试验校准参数，并与MCC及Suebsuk等模型比较，SCC-P对压缩、剪切、软化及孔压响应吻合最好。3.6.2 台州潮间带光伏场地14 m PHC管桩（嵌固8 m、外径500 mm、壁厚100 mm）水平静载试验与三维有限元模拟表明，SCC-P较MCC将泥面水平位移和桩身弯矩最大相对误差分别降低约23%和15%；原文指出实验室试样与现场桩试来自同一场地，尚非完全独立跨场地验证。
3.7 SCC-P模型结构参数敏感性分析：3.7.1 初始结构屈服应力p'_yi控制峰值强度和压缩曲线屈服应力，是桩侧向承载力和桩头位移最敏感参数；p'_yi增大使弹性域扩大、屈服延迟、侧向抗力提高、桩头位移减小、桩身最大弯矩增大。3.7.2 参数ω主要影响塑性屈服阶段强度动员速率，对峰值强度影响不显著、对残余强度几乎无影响，对桩侧向响应敏感性最低。3.7.3 孔结构影响参数D_m主要影响峰后软化速率和塑性固结段斜率，敏感性中等；D_m增大使结构退化减慢、抗变形增强、桩位移略减、最大弯矩相应增加。总体敏感性为p'_yi最高、D_m次之、ω最低；残余强度独立于结构参数，因最终剪切阶段结构完全破坏并重塑。
3.8 模型适用范围与局限：SCC-P基于台州单一站点结构性潮间带淤泥质黏土校准，D_m-b关系具场地特定性；未独立量化矿物学变化和固结历史影响，未考察固结压力对D_m及D_m-b关系的影响；模型主要针对短期单调加载，未显式考虑时间相关黏塑性、长期蠕变或循环累积塑性应变与结构退化，不能直接外推长期沉降或潮汐、波浪循环荷载。

讨论与结论翻译：讨论表明，深层淤泥质黏土在总孔隙率下降的同时保留较高比例大孔，形成亚稳集合体-孔隙结构；D_m越低，孔结构越有序，屈服后应力重分布能力越弱，结构退化越快；SCC-P将b由宏观曲线拟合参数转化为可由D_m确定的物理状态变量。现场验证和参数分析显示p'_yi最敏感、D_m次之、ω影响最小；模型适用于台州潮间带单一站点、0—10 m、短时单调加载条件，尚需在独立场地及长期或循环试验中再校准验证。研究结论翻译如下：(1) 浅层土受潮汐循环荷载长期扰动，保持松散“蜂窝状”结构，微孔（<50 nm）相对稳定；深层土在上覆压力下固结成致密“层状堆叠”结构。关键工程特征是，尽管深层土总孔隙率降低（34%→29%），大直径“有害孔”（>50 nm）比例显著增加（可达86%）。这种亚稳大孔结构使深层土对扰动极敏感，尽管其初始结构屈服应力较高；一旦结构完整性在荷载下受损，土体易发生结构坍塌和软化，可能构成光伏桩基过大变形和潜在失稳的重要机制。(2) 基于分形理论，通过建立孔分形维数（D_m）与宏观结构损伤率（b）的幂律关系，实现由微观孔特征预测宏观结构退化；利用该微-宏观映射关系提出修正的结构性剑桥黏土模型（SCC-P），并通过基于高精度Runge-Kutta算法的UMAT子程序在ABAQUS中实现；该模型克服传统MCC模型无法描述结构性土应变软化的局限，准确捕捉淤泥质黏土非线性力学响应。(3) 单桩全尺寸水平静载试验数值模拟表明，SCC-P模型有效捕捉淤泥质黏土地基中单桩侧向力学响应和变形特征；与MCC模型相比，SCC-P将桩顶水平位移和桩身弯矩最大相对误差分别降低约23%和15%；参数敏感性分析识别出初始结构屈服应力（p'_yi）是控制光伏桩侧向承载力和变形的最敏感参数，其次是反映孔结构影响的参数（D_m）；研究结果为复杂海岸地质环境中光伏桩基优化设计提供可靠理论依据。