利用离散元方法研究宽范围预剪切应变和预剪切方向对沙土循环动态特性的影响

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Study on the influence of wide range pre-shear strain and pre-shear direction on the cyclic dynamic characteristics of sand using discrete element method

本研究以全球最大单体式深海漂浮风机OCEAN X为案例，提出深海风电场地质调查优化流程，包括消除冗余测试、改进高精度采样方法、强化原位与实验室数据一致性验证，并探讨地质参数在循环荷载基础设计中的应用。通过系统整合现场调查与实验室测试，为深海漂浮式风电场地质参数获取提供可靠方案。

　　

廖晨聪|唐丽恒|李远西|叶冠霖

上海交通大学土木工程系海洋工程国家重点实验室，中国上海市闵行区东川路800号，200240

摘要

随着海上风电开发向更深的水域延伸，与岩土工程调查相关的挑战日益突出。这主要是由于项目规模的扩大、时间限制的加剧以及对高精度、可靠现场数据需求的增加所驱动的。本文以世界上最大的单体海上浮动风力涡轮机OCEAN X为案例研究，概述了基础设计所需的岩土工程调查和土壤参数测试。该研究探讨了获取海洋沉积物参数的方法，并解决了与深海浮动风力涡轮机现场调查相关的关键问题。首先，提出了一种推荐协议，通过消除冗余测试和数据收集来简化岩土工程调查，从而提高整体效率并适应深水风电场规模的扩大。此外，研究强调了在关键位置采用高精度采样方法的必要性，以减少采样干扰并确保获得可靠、具有代表性的岩土工程数据，特别是对于结构复杂的土壤。最后，讨论了岩土工程参数在循环基础设计中的实际应用，结合了原位数据和实验室数据之间的一致性验证，以确保参数的可靠性，并提出了改进测试方法以更好地反映海洋沉积物行为的建议。这些见解为优化岩土工程调查程序提供了实际基础和宝贵指导，有助于开发更能承受海洋循环载荷的浮动风力涡轮机基础。

引言

海洋已成为全球资源开发和清洁能源转型的关键前沿，具有巨大的空间潜力和可持续能源解决方案[1]。在可再生能源中，风能因其无污染的特性和替代化石燃料的巨大潜力而脱颖而出[2]。为了实现其雄心勃勃的碳峰和中和目标，中国优先发展海上风电，并取得了显著进展。到2025年底，中国的海上风电装机容量达到了45吉瓦，占全球装机容量的一半以上[3]。

对于深水风电场，传统的固定基础往往不切实际且经济上不可行，这为浮动风力涡轮机作为可行的替代方案铺平了道路[4,5]。全球范围内，浮动风电正在迅速发展为商业规模的项目，中期估计到2030年将安装7吉瓦的容量。这些项目将配备10-20兆瓦的浮动涡轮机，每个涡轮机需要3-5个锚，这意味着到2030年全球将部署1000-3500个锚。然而，现有的海上岩土工程调查方法仍然依赖于传统陆上程序的改进版本。这种方法本质上是碎片化的，因为过程通常被划分为孤立的阶段。这种分割导致了工作流程的不连贯性，从而产生了不整合的数据分析和不连续的报告。这些缺点不仅降低了调查效率，也无法满足未来深水海上项目对可扩展性的日益增长的需求[6]。

解决这些挑战的核心是获取准确的岩土工程设计参数，这需要全面表征各种土壤特性[7]。然而，土壤行为的固有复杂性，特别是在单调和循环载荷下的力学响应变化及其对潜在失效面上应力路径的依赖性，使得确定可靠的强度参数变得复杂[8,9]。克服这些问题需要一种综合方法，将详细的原位调查与针对高质量、特定现场样本的先进实验室测试相结合，以确保一致性和全面的解释[10]。这些参数的复杂性要求选择适当的测试设备和建立精确的测试条件，反映了海上工程设计需求的日益精细。此外，随着风电场的不断扩展，岩土工程调查面临着更紧张的时间表和更大的工作量压力。为此，系统地组织现场和实验室活动，并严格验证参数的一致性，对于提高海上现场表征的效率和可靠性至关重要[11]。

在提高岩土工程调查效率的同时，确保参数的准确性同样关键。除了由于不同测试方法导致的岩土工程参数差异外，采样干扰是显著影响这些参数准确性的主要因素。先前的研究表明，采样过程不可避免地会干扰海底土壤，主要是由于释放了围压和采样设备的机械侵入。例如，Lunne等人[12]和Lim等人[13]通过实验比较强调了采样干扰对土壤抗剪强度和岩土工程准确性的关键影响。此外，Donohue和Long[14]、Elbeggo等人[15]、L'Heureux等人[16,17]、Sasithara等人[18]、Nagaraj等人[19]、Ferreira等人[20]和Gu等人[21]等学者提出了评估方法，包括剪切波速度和固结试验，以及校正公式来减轻这些影响。尽管这些努力提高了对采样干扰的理解并提出了校正方法，但不同采样技术的系统比较和衡量干扰效应的定量指标的开发仍然不够充分，仍有进一步改进的空间。

本研究以海上浮动风力涡轮机OCEAN X为案例研究，探讨了在中国南海复杂海洋环境中设计吸力锚所需的岩土工程参数。现场调查重点关注三个关键方面：现场调查、土壤分类和指数测试以及实验室元件测试。根据所呈现的结果，该研究解决了深海浮动风力涡轮机岩土工程评估中的几个关键问题。提出了一种程序框架，以防止冗余测试和重复数据收集，从而提高工作流程效率。然后，我们评估了采样干扰对岩土工程参数准确性的影响。最后，讨论了岩土工程参数在循环基础设计中的实际应用，重点关注原位数据和实验室数据之间的一致性验证。本研究的结果为改进岩土工程调查程序提供了实际指导，并有助于深水风电场的可持续发展。

部分摘录

现场描述

本研究重点关注OCEAN X的现场调查，这是目前世界上最大的单体浮动风力涡轮机平台，装机容量为16.6兆瓦。该项目位于广东省阳江市附近的青洲IV海上风电场，占地73.69平方公里，水深在45至47米之间，距离岸约69公里（如图1所示）。作为中国最远和最深的近海风电项目，它的总装机容量为

结果与讨论

在第2节中，以OCEAN X浮动风力涡轮机为例，介绍了现场条件并概述了海上岩土工程调查所需的关键岩土工程参数。本节进一步探讨了岩土工程调查的组织程序、采样干扰的分析和评估，以及岩土工程参数的一致性验证。讨论了提高可靠性和精确性的关键挑战

结论

随着海上风电场开发从浅水近海区域扩展到更深的海洋环境，现场调查的范围和复杂性显著增加，时间限制也变得更加严格。这一转变突显了在规划和执行岩土工程调查方面需要创新方法的紧迫性。通过以代表性浮动风力涡轮机OCEAN X的岩土工程评估为案例研究，本文概述了关键

作者贡献声明

廖晨聪：撰写 – 审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。唐丽恒：撰写 – 原始草稿、方法论、调查。李远西：资源管理、项目行政。叶冠霖：监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52279106和52579108）和上海市教育委员会创新计划（项目编号：2021-01-07-00-02-E00089）的资助。