《Ocean Engineering》：Mechanical response and cumulative displacement prediction of suction bucket foundation in soft clay under vertical cyclic loading
編輯推薦：
軟黏土中吸力 bucket 基礎在極端垂直循環荷載下的累積位移與剛度演化規律研究。采用數值模擬與離心機試驗驗證相結合的方法，分析循環荷載幅值、均值、頻率、土體超固結比及桶長等因素對基礎力學響應的影響，揭示孔隙水壓力累積規律及位移演化機制，提出基于疊加理論的簡化預測方法。
Jiale Wang | Bin Yan | Weiyi Wang | Qi Zhang | Miao Fu | Guanlin Ye
上海交通大學海洋與土木工程學院，上海，200240，中國
摘要
吸盤桶基礎由于其低成本、便于安裝和可重復使用性，已成為最廣泛應用的海上基礎類型之一。極端環境荷載以持續時間短和強度高為特點，可能對基礎的穩定性構成重大風險。本研究采用數值方法研究了軟粘土中吸盤桶基礎在垂直循環荷載下的力學響應。數值模擬結果通過與離心試驗進行了驗證。隨后，通過一系列數值研究探討了循環荷載參數、土壤超固結、吸盤桶長度以及加載順序的影響。結果表明，吸盤桶周圍會逐漸積累過量孔隙水壓力。與CLT-1A-1相比，將循環荷載幅值和平均荷載增加到垂直極限承載能力的0.2倍時，累積位移分別增加了93.1%和70%。土壤的超固結增強了桶的承載能力。增加桶的長度有效提高了基礎承載能力和桶-土系統的剛度。基于數值模擬結果和疊加理論模型，開發了一種簡化的累積位移預測方法，為工程應用提供了技術支持。
引言
近年來，由于豐富的資源、環保性和可持續利用的優勢，海上風能作為可再生能源在能源領域迅速發展（Zhu等人，2013；Díaz和Guedes Soares，2020；Gao等人，2021）。海上風力渦輪機（OWTs）的基礎建設被認為相對昂貴（OuYang等人，2025）。由于成本可控、施工效率高且可重復使用，吸盤桶基礎被認為是OWTs的有效選擇（Kourkoulis等人，2014；You等人，2024）。這種基礎類型在全球范圍內的海上風電場中得到了越來越多的應用，特別是在中國，多桶套箱基礎得到了廣泛應用（Wang等人，2019）。OWTs在運行過程中經常受到風和波浪產生的水平環境荷載的影響。對于多桶套箱結構，迎風側和背風側桶之間可能會產生“推拉”機制，將水平環境荷載轉化為單個桶的垂直荷載（Jeong等人，2021；Barari等人，2023）。因此，單個桶所經歷的循環荷載模式更準確地反映了垂直荷載的特性（Bienen等人，2018；Ren，2025）。圖1展示了正常運行條件下四桶套箱基礎上的力傳遞機制。
極端的海上風力和波浪荷載具有高度隨機性和非線性（Agarwal和Manuel，2009；Zhang和Sclavounos，2021）。這些荷載對吸盤桶基礎的主要挑戰包括：瞬時高強度的循環荷載可能導致桶的累積垂直位移，以及相應的基礎剛度變化（Grecu等人，2024）。目前，這兩個問題尚未完全理解。
Jeong等人（2019）和Barari等人（2021）發現，在水平荷載下，多桶基礎的承載行為可以轉化為單個桶迎風側的拉伸能力和背風側的壓縮能力。Jeong等人（2020）進行了一系列離心試驗，研究了垂直循環荷載的影響，結果表明單個桶的循環行為受到荷載方向和水平的顯著影響。Zografou等人（2019）在一系列垂直循環荷載序列下對粘土淺裙基礎進行了離心模型試驗，表明平均垂直應力而非最大垂直應力決定了基礎的垂直位移響應和失效模式。Zhou等人（2021）提出了一個數值模型來分析吸盤沉箱的軸向循環行為，發現低幅度循環拉伸荷載下累積位移可以忽略不計。Huang等人（2025）發現，較低的頻率、較高的峰值荷載和較高的平均荷載會導致更大的位移累積。Tu等人（2026）采用了一個考慮粘土循環退化的修正動力學硬化模型，并通過離心模型試驗進行了驗證，研究了粘土中吸盤錨的循環性能，發現當荷載超過臨界值時，基礎的累積位移顯示出明顯的階梯式變化。已有幾項研究探討了海上結構在循環荷載下的累積變形。Wang等人（2024）研究了吸盤基礎在拉伸和壓縮條件下的垂直承載性能。Cheng等人（2016、2018、2020）提出了一種增量彈塑性有限元方法（FEM）來模擬軟粘土中吸盤基礎在循環荷載下的不排水變形過程。Zhu等人（2018）證明，準確的安裝后離心測量結果可以與單重力模型試驗的結果結合，以預測吸盤桶在側向循環荷載下的長期適用性，并且可以通過簡單的計算方法捕捉桶的累積旋轉。Luo等人（2023）使用小規模實驗室試驗模型分析了傳統和新式吸盤桶的承載特性。Wang等人（2023）采用數值方法揭示了土壤剛度退化的演變路徑和基礎在水平循環荷載下的變形響應，并進一步定量描述了循環荷載引起的累積位移。
海上基礎在其25年的使用壽命內大約會受到10^7至10^8次循環荷載的作用（Bhattacharya，2014）。這些循環作用持續影響基礎并控制其累積變形。這些荷載通常可以分為低頻、低幅度的長期荷載和高頻、高幅度的短期極端荷載。如風暴事件等極端荷載可能導致孔隙壓力迅速累積，從而導致海床暫時軟化�，F有研究表明，極端荷載通常具有很強的破壞性（Ma等人，2021）。因此，研究吸盤桶在短期極端垂直循環荷載下的累積變形和穩定性對于桶基礎的設計具有重要意義。
本研究通過數值模擬研究了吸盤桶在循環荷載下的累積位移和剛度演變。通過離心試驗驗證了數值模型的準確性。研究了循環荷載幅值、循環荷載平均值、荷載頻率、土壤超固結比、裙部長度以及單向循環荷載下的加載順序的影響�；跀抵到Y果，探討了多因素耦合下的累積位移規律，并提出了一種簡化的預測方法，用于估算吸盤桶在極端荷載下的累積位移。
土壤本構模型
土壤的力學行為表現出明顯的非線性特征，這在循環荷載下尤為明顯，因為非彈性變形和損傷效應增強（Zhu等人，2013b）。上海模型（SHM）（Zhang等人，2010、2011；Ye和Ye，2016）考慮了土壤的超固結、結構各向異性和應力誘導的各向異性。該模型能夠統一描述軟土的各種特性，如不同類型的土壤、交替運動、小應變等。
設施和吸盤桶模型
為了驗證數值模型的準確性，首先使用鼓式離心機進行了離心試驗，如圖7所示。該離心機的直徑D = 2.2米，徑向深度L = 0.4米，高度H = 0.7米。離心機可產生最大200g的離心加速度，其中g是重力加速度。鼓式離心機的主要優點是能夠同時固結四個土壤箱，這不僅提高了土壤制備效率。
吸盤桶在垂直循環荷載下的響應
為了研究吸盤桶在不同循環荷載條件下的響應，進行了多次數值模擬。海洋粘土的參數列在表1中。循環荷載程序總結在表4中。圖13顯示了單調荷載的結果。2400 kN的垂直荷載被作為吸盤桶的V_ult，其中L/D = 1，為后續循環荷載參數的設計提供了參考。
循環荷載順序
軟粘土表現出明顯的應力歷史依賴性，這使得循環荷載的順序成為控制吸盤桶基礎累積位移的關鍵因素。圖28展示了不同荷載順序下的標準化荷載和位移響應。在圖28(a)和(b)中，標準化循環荷載平均值為mrowV_m*am* = 0.3，循環荷載幅值范圍為mrowV_pm* = 0.1～0.3。循環荷載分為三個荷載階段。
結論
本研究研究了吸盤桶基礎在軟粘土中短期極端垂直循環荷載下的力學響應。進行了參數分析，以評估選定的荷載特性、土壤性質、桶長度和加載順序的影響。基于疊加理論模型開發了一種簡化預測方法。本研究的主要發現總結如下：
CRediT作者貢獻聲明
Jiale Wang：撰寫——初稿，可視化，方法論。Bin Yan：驗證，軟件。Weiyi Wang：調查，形式分析。Qi Zhang：撰寫——審閱與編輯，監督。Miao Fu：資源，數據管理。Guanlin Ye：撰寫——審閱與編輯，監督。
數據可用性聲明
研究中生成或使用的所有數據、模型和代碼均包含在提交的文章中。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的競爭性財務利益或個人關系可能影響本文報告的工作。
致謝
本工作得到了國家自然科學基金（項目編號：42207186）的支持。
