《Journal of Marine Science and Engineering》：Unloading Response of Decomposed Granite and Its Implications for Borehole Stability During Offshore Monopile Installation
编辑推荐：
风化花岗岩海床中的钻孔不稳定性（borehole instability）使嵌岩式海上单桩（rock-socketed offshore monopiles）的安装趋于复杂。尽管已有研究考察了施工相关的不稳定性与花岗岩崩解问题，但风化花岗岩海床中开挖卸荷后钻孔
风化花岗岩海床中的钻孔不稳定性（borehole instability）使嵌岩式海上单桩（rock-socketed offshore monopiles）的安装趋于复杂。尽管已有研究考察了施工相关的不稳定性与花岗岩崩解问题，但风化花岗岩海床中开挖卸荷后钻孔不稳定性及其演化机制仍未得到充分揭示。研究人员结合室内试验、本构模拟（constitutive modelling）与耦合有限元分析（coupled finite element analysis）研究卸荷诱发的钻孔不稳定性。研究采用统一弹塑性模型（unified elastoplastic model），该模型综合考虑土体结构（soil structure）与超固结（overconsolidation），基于固结仪试验（oedometer tests）与排水三轴试验（drained triaxial tests）分别对全风化花岗岩（completely decomposed granite, CDG）与高风化花岗岩（highly decomposed granite, HDG）进行参数标定。标定参数表明，CDG的结构退化（structural degradation）较HDG缓慢，而超固结损失（loss of overconsolidation）较HDG迅速。模型捕捉了HDG的主要排水卸荷响应趋势，包括有效围压（effective confinement）趋近于零时出现的显著轴向应变累积（axial strain accumulation）。耦合分析预测卸荷后7天孔壁最大向内位移（inward wall displacement）为12.43 mm，且变形集中于无支护HDG段。将无支护长度（unsupported length）由4.17 m增至8.37 m，使预测最大位移由10.30 mm增至13.72 mm。上述发现将测得的卸荷敏感性（sensitivity to confinement loss）与钻孔变形直接关联，并指出在单桩安装过程中应通过限制无支护长度维持孔壁稳定。
**研究背景与问题**
海上单桩（offshore monopiles）广泛应用于海上风电开发，其安装条件受海床地质条件的强烈控制。中国东南沿海分布着不同程度风化的花岗岩地层，给嵌岩式单桩（rock-socketed monopiles）施工带来特殊挑战。当较强地层阻碍桩体贯入时，施工采用"打桩—钻孔—再打桩"工艺。然而，桩趾以下钻孔会在后续打桩恢复贯入之前形成一段无支护孔段，设备转换与海上作业条件可能延长暴露时间，从而引起孔壁劣化乃至坍塌，阻碍后续安装。因此，该施工阶段的钻孔稳定性（borehole stability）直接关系到安装的安全性与效率。
风化花岗岩的工程行为反映了矿物成分、颗粒特征、粒间胶结与继承组构（inherited fabric）随风化程度的变化。已有研究将矿物蚀变与微缺陷发育同刚度及力学响应的变化相联系，天然试样与重塑试样的对比揭示了继承组构的重要性，多阶段加卸载试验则证明了应力历史对应变动员与强度发挥的影响。水相关劣化进一步增加了复杂性：干湿循环可改变孔隙结构并降低抗剪强度，浸水崩解（disintegration）的程度随风化程度而异。然而，围压降低所引入的力学扰动无法仅由浸水试验推断；对于海上钻孔而言，开挖引起的孔压变化与后续重分布会改变土骨架所承担的有效应力。既往海上施工观测与数值研究虽已识别出花岗岩崩解、无支护几何与施工延误的影响，但实验室观测到的卸荷行为与海上钻孔周周变形及有效应力的时空演化之间的关联仍认识不足。
**研究开展与意义**
研究人员以福建平海湾海上风电场（Pinghai Bay offshore wind farm，水深约10–20 m）为工程依托，针对覆盖全风化花岗岩（completely decomposed granite, CDG）、高风化花岗岩（highly decomposed granite, HDG）与中风化花岗岩（moderately decomposed granite, MDG）的风化花岗岩海床，开展了"室内试验—本构建模—耦合数值分析"的系统研究，将材料尺度的卸荷响应与海上单桩安装相关的钻孔变形机制直接关联，为风化花岗岩海床钻孔稳定性评估提供了可操作的本构模拟工具与施工参数依据。
**关键技术方法**
研究采用三项相互衔接的技术方法。其一为室内试验程序，包括一维固结仪试验（oedometer tests）与常规固结排水三轴试验（consolidated drained triaxial tests）以标定CDG与HDG参数，针对HDG开展恒速卸围压排水试验以模拟开挖卸荷路径，并辅以MDG单轴压缩试验；试样取自平海湾海上风电场海上平台钻孔的双管回转取样（double-tube rotary sampler）。其二为统一弹塑性本构模型（unified elastoplastic model），融合主加载面（superloading-surface）、次加载面（subloading-surface）概念与应力诱导各向异性（stress-induced anisotropy），以状态变量R*与R刻画结构性与超固结演化，MDG则采用广义Hoek–Brown准则（Hoek–Brown criterion），模型通过UMAT子程序嵌入Abaqus/Standard。其三为二维轴对称流固耦合有限元分析（coupled finite element analysis），采用四节点轴对称孔压—位移耦合单元CAX4P，经网格敏感性分析确定0.1 m局部尺寸，依次开展地应力平衡、开挖单元移除、3600 s耦合卸荷及604 800 s（7天）耦合演化分析，并对无支护长度进行参数对比。
**研究结果**
3.1 一维压缩响应
一维固结试验表明，CDG较HDG具有更高的孔隙比与更陡的加载段，即测试应力范围内CDG压缩性更强；卸荷阶段两者回弹有限，卸载曲线均位于加载曲线之下。统一模型总体复现了两种材料的压缩趋势与卸荷体积恢复特征，并区分了二者压缩性差异。基于主加载—次加载框架的解释指出，HDG表现为m=0.3、a=0.5，CDG为m=1.0、a=0.4，即风化程度加深使结构退化更慢、超固结损失更快，呈现由砂性向黏性过渡的趋势。
3.2 排水三轴剪切响应
排水三轴压缩试验显示，CDG与HDG均呈非线性应变硬化，偏应力随轴向应变以递减速率增长，且有效围压越高、动员的剪阻力越大；低围压下剪缩后转剪胀（dilation），高围压下以剪缩为主，HDG在260 kPa下仍持续硬化。数值模拟以各组单一参数合理复现了应力—应变曲线与体应变响应的主要特征，包括低围压下的剪缩—剪胀转换。
3.3 HDG对围压卸荷的响应
围压卸荷试验将HDG初始有效围压150 kPa降至接近零。模拟捕捉到轴向应变约1%时由微小变形向显著应变累积的转折，实测与模拟最大偏应力分别约82 kPa与83 kPa，随后轻微软化并趋于近恒定应力水平，明显区别于常规三轴试验的硬化响应。该结果表明，即使在较低偏应力水平下，应力释放也可引发显著变形，凸显了在HDG力学响应评估中考虑卸荷路径的必要性。
3.4 模拟结果
耦合分析表明，变形集中于桩趾以下无支护HDG段，最大位移约1.29 cm出现在海底以下36.4 m处、近暴露段中部，向径向递减且在下方MDG中较小。位移时程显示开挖即产生约1.1 cm位移，第1天增至约1.22 cm，第7天达1.2886 cm，约95%的位移在头一天内累积，与卸荷试验中应变的突变式累积定性一致。修正排水序列下卸荷期出现负超孔隙水压力（excess pore water pressure），距壁0.10 m监测点最低约?39.75 kPa，随后随有效应力重分布而消散。等效总剪切应变（equivalent total shear strain）集中分布于支护终止处与开挖底面附近，与孔壁收敛共同刻画变形模式。无支护长度H由4.168 m增至8.373 m时，7天最大向内位移由10.30 mm增至13.72 mm，相对基准构型分别约降低17%与约升高10%，为限制无支护长度提供了直接数值依据。
**讨论与结论**
讨论部分指出，CDG与HDG可视为依赖围压、继承结构与加载历史的类土风化材料，统一模型提供了压缩与剪切行为的共同本构描述，其演化内变量允许硬化与软化，不假定剪切抗力在变形过程中恒定；与既往针对水致崩解的研究不同，本研究单独分离出围压释放的力学响应，化学蚀变与侵蚀未纳入力学结构退化律。无支护长度比较将实验室观测的卸荷敏感性与可控施工参数直接关联；位移与应变场区分了暴露段内的孔壁收敛与端部的局部变形集中。需要指出，应变图宜作描述性连续介质场而非定量破坏边界解读；现场回淤堆积证实了工程问题的相关性，但未直接验证径向孔壁位移，因物质脱离与运移未纳入模拟；水力传导度敏感性分析显示其影响在考察范围内较小，空间非均质性未予考虑；桩体理想约束、结合界面与静水初始状态界定了分析适用范围，前序打桩与钻井液过程未模拟。后续宜开展快速卸荷试验、钻孔几何现场监测与显式桩土相互作用研究。
研究结论如下：1）CDG一维压缩性高于HDG，卸荷回弹有限；排水三轴剪切以应变硬化为主，低围压下先剪缩后剪胀、高围压下以剪缩为主；由HDG至CDG，结构退化参数a由0.5降至0.4，超固结演化参数m由0.3升至1.0，表明风化加深伴随更慢的结构退化与更快的塑性变形期超固结损失，符合由砂性向黏性的过渡。2）HDG对围压丧失终段高度敏感：自150 kPa卸荷时，轴向应变在大部分路径保持小变形，随围压趋零由约1%增至10%，偏应力在轴向应变小于5%时峰值约80 kPa后轻微软化；常规试验标定的参数可在模拟应变范围内复现主要卸荷趋势。3）在所考察几何与修正加排水序列下，7天最大向内径向位移为12.43 mm并集中于无支护HDG，高剪切应变出现于支护终止处与开挖底面；应变场不界定物质脱离边界。4）无支护长度由4.17 m增至8.37 m使最大位移由10.30 mm增至13.72 mm，支持在工程技术要求允许时限制无支护长度；分析未确立通用安全暴露时长，其他场地应用须以当地表征的材料与施工条件为前提。
