砂土中循环侧向荷载作用下吸力沉箱基础数值分析

《Ocean Engineering》：Numerical analysis of suction caisson foundations under cyclic lateral loading in sand

　　

研究人员建立了三维有限元(FE)模型以预测砂土中吸力沉箱在循环侧向荷载下的倾斜累积，采用半显式计算框架：以含粒间应变(intergranular strain)的亚塑性(hypoplastic)模型描述单调与早期循环响应，以高周累积(HCA)模型捕捉高周永久应变累积。参数化研究考察了沉箱几何(d/D)、竖向荷载、荷载偏心、循环幅值、荷载对称性与土体相对密度对倾斜累积的影响。结果表明单向与非对称双向加载诱发显著倾斜累积，对称双向加载则累积较小甚至出现回弹；循环作用可提高单调承载力与卸载刚度而非单纯退化。数值结果与已有物理试验趋势一致。研究人员进一步给出累积倾斜角与荷载历史的简化关系，可支撑基于服役极限状态(SLS)的初步设计，泥线转角容限通常取0.5°。该框架为单桩式吸力沉箱在海上风机25年寿命期内数千万次风浪荷载下的长期变形评估提供了服务性能导向的分析工具。

研究背景方面，海上风电是能源转型的关键组成，吸力沉箱因安装噪声低、成本较低且可拆除，被视为单桩(monopod)式海上风机基础的有力替代，但在循环侧向与倾覆力矩耦合作用下，服役极限状态(SLS)控制设计，泥线最大转角常限制为0.5°，而25年寿命期内风浪产生数千万次循环，导致倾斜与沉降累积，可能改变土-基础刚度并引发疲劳。既有研究多聚焦单调承载力，循环永久变形评估缺乏统一框架，物理试验受缩尺效应与周期数限制，因而亟需可预测长期倾斜累积的数值工具。

研究人员以Abaqus/Standard建立半圆柱对称三维有限元模型，沉箱直径D=20 m，d/D在0.5–1.0间变化，采用C3D8R减缩积分单元并在界面处加密网格，沉箱设为刚体。土体采用半显式HCA框架：前两个循环由含粒间应变的亚塑性模型隐式积分获取应变幅值ε^ampl，自第2循环起由HCA模型按式(1)直接累积趋势应变ε^av，其中m及f_ampl、f_N、f_p、f_Y、f_e、f_π为Wichtmann(2005)与Niemunis等(2005)给定函数。该耦合方案在 offshore 砂土高周问题中已被广泛验证。

参数化研究结果显示，在2.1节模型几何边界与网格敏感性分析基础上，d/D增大总体提高抗倾刚度但改变倾斜累积速率；竖向荷载比(V/H)增大抑制单向加载下净倾斜，因增加埋深约束与抗拔分量；荷载偏心距e增大使等效倾覆力矩上升，单向加载倾斜显著大于对称双向；循环幅值H_cyc/H_mon超过约0.5后累积倾斜角非线性增长；非对称双向加载产生净倾斜，对称双向趋于零甚至回弹；相对密度D_r提高显著减小同工况下永久转角，密砂中HCA预测与试验吻合更好。

在模型校验部分，研究人员将数值预测的单调承载力、初期循环滞回与Zhu等(2013,2018a,b,2019)、Luo等(2020,2024)离心机与1g模型试验对比，倾斜-循环次数双对数曲线斜率一致，HCA未低估密砂衰减也未高估松砂累积，证明半显式框架可替代全隐式高成本模拟。

简化关系部分，研究人员基于参数化结果拟合出以H_cyc/H_mon、V/H、e/D、d/D、D_r为自变量的累积泥线转角θ_acc经验式，形式接近θ_acc=θ₀·N^α·g(载荷比)，可在初步设计阶段由荷载时程雨流计数直接估算25年倾斜角，满足SLS的0.5°校核。

讨论与结论部分指出，单桩吸力沉箱在海上风机荷载谱下并非单调退化体系，循环密实与应力历史会重塑刚度；HCA耦合亚塑性可兼顾计算效率与永久变形精度，较记忆增强边界面塑性更适于高周服务性能分析；给出的简化式为概念设计提供物理可解释的倾斜预估，弥补了现行规范对吸力沉箱循环倾斜累积定量关系的空白。该研究发表于《Ocean Engineering》，为砂土中吸力沉箱基于SLS的初步设计与长期变形评估提供了经试验标定的数值范式。