极端侧向载荷下，沙质海床中海上风力涡轮机单桩的侧向响应：实验与数值研究

《Ocean Engineering》：Lateral response of offshore wind turbine monopile in sandy seabeds under extreme lateral loading: Experimental and numerical study

海上风电单柱基础在砂土中侧向响应研究基于hypoplastic模型和三维有限元分析，通过实验校准参数并验证模型准确性，对比发现砂土颗粒级配显著影响单柱刚度与极限承载力，为砂土区单柱设计提供依据。

　　

Akhtyar Gul Shirzoi|Bo Han|Bo-nan Zhang

山东大学土木工程学院，济南，250061，中国

摘要

本研究通过实验和数值方法探讨了单桩在沙质海床中受到极端侧向载荷时的响应特性。利用基础试验和三轴试验的结果，校准了用于单桩1g物理模型试验的砂土本构模型的参数。通过将带有传感器的单桩的侧向响应与使用ABAQUS软件获得的数值结果进行比较，验证了校准后的本构模型在海上风力涡轮机基础模型中的应用效果。此外，还使用文献中的两组参数对单桩的侧向响应进行了有限元（FE）分析，并与校准后的参数进行了对比，以探讨砂土类型对单桩在侧向载荷下的影响。研究结果表明，砂土的颗粒特性是影响单桩侧向响应的重要因素。与山东级配良好的砂土和含砾砂土相比，Toyoura细砂中的单桩响应更为刚性，其极限承载能力也更高。这些发现对于大直径单桩在砂质土壤中的分析和设计具有重要意义。

引言

可再生能源是通过减少温室气体排放、降低对化石燃料的依赖以及促进全球碳中和来实现低碳未来的关键。在此背景下，无论是陆上还是海上风能，都成为最有效和可持续的清洁能源生产方式之一。陆上风电场特别适合那些内陆开阔、沿海地区有限的国家和地区，而海上风电开发则适合拥有广阔沿海地带和强稳定海风的地区（Desalegn等人，2023；Tumse等人，2024）。然而，陆上和海上风能的传统高开发及安装成本对其广泛推广构成了重大挑战，尤其是与传统基于化石燃料的发电方式相比（Whitehouse John等人，2010；Escobar等人，2019）。影响海上风能经济可行性的一个重要因素是开发出在恶劣海洋条件下既结构高效又成本效益高的基础结构。一个设计良好的海上风力涡轮机（OWT）基础在降低总体项目成本方面起着关键作用，因为它直接影响平准化能源成本（LCOE）。仅基础系统就占总项目支出的大约25-34%（Li等人，2020；Hamilton，2014）。其中，单桩基础占据了全球所有安装的OWT基础的约80%（欧洲，2019；Esteban和Leary，2012；Wang和Zhao，2016）。

支撑OWT的单桩基础是根据工业标准和规范设计的（如Dnv，2014；国际电工委员会，2005），以承受风和波浪等环境载荷，满足设计要求，如极限状态（ULS）和适用性状态（SLS）（Jindal等人，2024）。这些设计限值主要针对OWT基础的两种失效模式：土壤失效和结构失效（Sarpkaya等人，1982；Basack等人，2022；Gupta和Basu，2020；Shirzoi等人，2025）。在OWT单桩基础中，土壤失效通常发生在极端侧向载荷条件下或循环载荷过程中应力逐渐累积的情况下。海上风力涡轮机单桩的极端侧向载荷是在罕见环境条件下的最大水平载荷，它由风、波浪和水流载荷的共同作用产生，并决定了单桩在海床层面的极限和适用性设计（Wang和Larsen，2019；Charlton和Rouainia，2022；Shirzoi等人，2024）。

目前用于海上风力涡轮机（OWT）单桩的设计标准和规范主要源自美国石油协会（API）的指南，这些指南最初是为石油和天然气行业中使用的中小直径套管桩制定的。这些指南基于Winkler梁理论，并通过有限的桩基试验进行校准，因此并不完全适用于现代大直径单桩。现代OWT单桩的直径通常在4到6米之间，且正在开发中的单桩直径可达到10米。这些单桩基础的细长比（L/D）一般在4到8之间，与传统API方法的基本假设有显著差异。因此，越来越多地推荐使用先进的数值技术，特别是三维有限元方法（3D FEM），用于研究应用和大直径OWT单桩的精确设计，因为它们能够更真实地模拟土-结构相互作用和非线性土壤行为（Murphy等人，2018；Page等人，2016；Zhu等人，2023；Bapir等人，2025）。

除了上述OWT单桩设计中的挑战外，海上风电场内的海床条件通常是不均匀的，不同位置的土壤性质存在显著差异。因此，每个单桩基础都需要根据当地的地质技术条件进行定制设计（Fazlighiyasabadi等人，2024；Fan和Long，2005）。大多数现有研究主要使用传统的简化土壤本构模型来模拟单桩行为（Lopez-Querol等人，2020；Liang等人，2023；Achmus等人，2009）。相比之下，一些研究采用了更先进的本构模型来分析受侧向载荷的单桩（Zdravkovi?等人，2020；Huang等人，2021；Eleftheriou和Taborda，2024；Zdravkovic等人，2015）。然而，由于这些先进模型需要大量的输入参数进行复杂的校准，实际应用仍然具有挑战性。因此，目前仍缺乏利用3D FEM框架和先进土壤本构模型评估不同类型沙质海床中嵌入的海上风力涡轮机（OWT）单桩侧向响应的研究。该模型不仅应更准确地捕捉砂土的实际行为，还应允许输入参数的实际和简单校准，使其更适用于OWT单桩的地质技术设计和分析。

另一方面，单桩的侧向承载能力是影响基础设计准确性、结构优化以及OWT系统整体成本效益的关键因素（Jindal等人，2024；Demirci，2025）。图1展示了在极端侧向载荷作用下OWT单桩基础的示意图，其中包含了三种代表性的砂土：(b) 来自德国的圆砾砂，(c) 来自中国的级配良好的山东砂，以及(d) 来自日本的均匀Toyoura细砂，用于评估土壤级配和颗粒特性对OWT单桩侧向响应的影响。极端侧向载荷被简化为集中的单调载荷，对风力涡轮机单桩基础施加巨大的静态载荷。

因此，本研究利用ABAQUS有限元软件中的非塑性砂土模型来研究土壤类型对OWT单桩侧向响应的影响。本文的结构如下：第2节介绍了非塑性本构模型的理论背景。第3节描述了模型参数的校准过程。第4节概述了物理模型试验程序及其相应的结果。第5节在ABAQUS中建立了三维FE模型，以验证基础尺度下的非塑性模型。第6节研究了不同砂土类型对单桩侧向响应的影响。最后，第7节总结了研究结果。

部分摘录

先进的砂土本构模型

传统的土壤本构模型通常将总应变分为两部分：弹性和塑性。然而，非塑性模型不采用这种划分方式，而是通过一个依赖于应变率的单一非线性张量关系来表达应力-应变行为，该关系包含线性和非线性项，因为在每个点上应力-应变响应都是非线性的，这代表了实际的土壤状态（Ma?ín，2019）。

非塑性砂土本构模型参数

如前一节所述，非塑性模型有八个参数，需要根据具体地点的砂土来确定这些参数。因此，本部分重点是通过进行相关实验室试验来确定用于单桩1g模型试验的砂土的HP模型输入参数。

物理模型试验的实验设置

在各种砂质土壤条件下测试全尺寸的海上风力涡轮机（OWT）基础既昂贵又耗时。因此，进行室内缩比模型实验对于在受控条件下模拟和分析其行为至关重要。在本研究中，使用了由山东大学土木工程学院独立开发和设计的物理模型试验系统（图3a）。

实验设置包括几个关键组成部分，包括

测试的单桩-土壤系统有限元（FE）模型描述

为了使用有限元（FE）分析和先进的非塑性本构模型评估不同砂土类型在极端侧向载荷作用下的单桩响应，必须将数值模型与物理模型试验获得的数据进行验证。因此，本节概述了FE模型的开发过程，以确保其预测与实验观察结果一致。由于ABAQUS没有内置的

砂土类型对海上风力涡轮机单桩侧向响应的影响

由于FE模型成功再现了物理模型试验中观察到的单桩侧向响应，它可以模拟各种砂质海床的单调和极端条件及其相应的非塑性参数。因此，本节重点研究了三种代表性的砂质海床土壤（表2），以评估砂土类型对海上风力涡轮机（OWT）单桩侧向行为的影响。分析旨在提供更深入的见解

结论

本研究通过三维有限元分析（3D FEA）和先进的土壤本构模型，研究了砂土类型对海上风力涡轮机（OWT）单桩侧向响应的影响。使用基础试验和三轴试验校准并通过1g模型试验验证的先进非塑性土壤本构模型，来捕捉嵌入砂质床层中的单桩的实际行为。模拟了三种不同的砂土类型

CRediT作者贡献声明

Akhtyar Gul Shirzoi：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，软件，方法论。Bo Han：监督，调查，资金获取，概念化。Bo-nan Zhang：可视化，资源，形式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：U23A20663和52171266）和山东省博士后创新项目（项目编号：SCCX-ZG-202502012）的资助。