一种结合温度类比法的多桶基础贯入调平CEL模拟方法

《Scientific Reports》：A CEL simulation approach for penetration-leveling of the multi-bucket foundation incorporating the temperature analogy method

　　

多桶基础广泛应用于海洋工程，其安装过程中的倾斜需要进行调平以确保其承载能力。尽管数值模拟为验证调平策略提供了一种高效、快速的途径，但基础调平过程中产生的显著大变形使得传统方法无法直接模拟，更不用说可靠地捕捉相关的渗流分布特征。本研究提出了一种结合温度类比法的耦合欧拉-拉格朗日方法（CEL）模拟方法来解决这一空白。通过与四桶基础调平物理模型实验结果的对比分析，发现该方法能够准确反映基础的位移。此外，基于温度类比法，使用CEL分析了在实验中难以观察到的调平过程渗流分布模式。这些发现可以有效指导多桶基础贯入调平过程中调平策略的评估，并为调平过程中的渗流特性分析提供了工具。

### 论文主体内容解读

**研究背景与问题**
多桶基础作为风力涡轮机、钻井平台等海洋结构的基础被广泛采用。在深海环境中，相较于传统桩基础，其具有施工快、可重复使用且对海洋环境影响小等优点。在多桶基础安装过程中，不均匀的海底条件或土体性质的空间变化可能导致不可取的倾斜。过大的倾斜角不仅会增加贯入阻力，还会显著降低安装后多桶基础的承载能力和抗倾覆能力。目前，相关研究主要聚焦于贯入阻力和承载力，而针对多桶基础贯入调平问题的研究较为稀缺，且多基于1g物理模型实验。这些实验虽然提供了系列重要见解，但存在耗时、经济成本高以及难以全面监测土体与桶体相互作用等局限性。数值模拟技术具有成本低、可重复性高等优势，能够捕捉实验中难以获得的数据，但将其应用于多桶基础调平过程面临处理大变形、精确模拟渗流效应以及保持计算效率等技术挑战。因此，开发一种可靠的数值模拟方法对于高效、低成本地评估各种工况下的调平策略、指导工程实践具有重要意义。

**研究内容与结论**
针对上述问题，研究人员提出了一种结合ABAQUS/CEL与温度类比法的解耦数值模拟方法。该方法利用CEL算法处理调平过程中的大变形问题，并通过建立热传导方程与渗流控制方程之间的数学类比，间接模拟调平过程中由负压引起的孔隙水压力分布和渗流行为。通过与Zhang⁴³的四桶基础调平物理模型实验进行对比验证，该研究得出以下结论：该模拟方法能够准确再现基础的自重贯入深度、贯入反力以及调平位移效果；在调平过程中，超孔隙水压力主要集中在施加负压的高位置桶周围，且其在桶底（竖直方向）的分布范围显著大于桶身两侧（水平方向）；渗流速度在桶尖处达到最大，并随着贯入深度的增加而降低；渗流速度在桶内壁附近较高，中部区域则显著降低。这些发现揭示了调平过程中的渗流场分布规律，为理解多桶基础调平机理和优化调平策略提供了理论依据。本论文发表于《Scientific Reports》。

**主要技术方法**
本研究采用的核心技术方法包括：1）使用ABAQUS/CEL（耦合欧拉-拉格朗日方法）有限元软件作为计算平台，以应对调平过程中的大变形问题；2）利用温度场模拟渗流场的温度类比法，通过将温度变量映射为水头、热导率映射为渗透系数等，解决了CEL平台无法直接模拟孔隙水压力的限制；3）采用变形与渗流解耦的模拟策略，即先模拟基础位移，待其稳定后再进行稳态渗流计算；4）土体本构模型采用Mohr-Coulomb模型，其参数通过物理模型实验数据进行反分析校准；5）通过局部网格细化和选择性质量缩放技术，在保证精度的前提下提升计算效率。验证案例基于Zhang⁴³开展的四桶基础调平实验。

**研究结果**
* **方法验证**：研究人员首先对所提方法进行了验证。通过模拟计算地应力分布、自重贯入深度、负压贯入反力以及调平位移，并与物理模型实验结果进行对比。结果表明，模拟的初始竖向地应力分布合理；自重贯入深度（64.03 mm）与实验值（60 mm 和 65 mm）吻合良好；当贯入深度达到100 mm时，模拟反力（约803 N）与实验在92 mm深度测得的反力（838 N）相当；对高位置桶施加5 kPa负压后，模拟的基础调平过程与实验现象一致。这些对比证实了所采用的CEL模拟方法及参数设置的可靠性。
* **渗流分析**：基于验证后的模型，研究人员利用温度类比法对调平过程中的渗流场进行了深入分析。分析聚焦于调平过程中四个代表性时刻。结果显示：超孔隙水压力的影响范围集中在施加负压的高位置桶周围，其在桶底的竖向分布范围大于桶身两侧的水平分布范围；在桶贯入深度范围内，超孔隙水压力随深度增加快速衰减，超出该深度后衰减变缓；最大渗流速度始终出现在桶尖，并随桶体贯入深度的增加而减小，这意味着更深的贯入深度可降低渗流速度，从而允许施加更大的调平负压；渗流速度在靠近桶内壁处较高，桶内中部区域则显著降低，表明渗流破坏更易发生在桶内壁附近。定量分析表明，在桶壁方向，超孔隙水压力从桶外向桶内近似线性增加；在桶内水平方向，靠近土表的测点超孔隙水压力更高，且靠近桶壁处的渗流速度高于中部。

**讨论与结论总结**
本研究提出的方法主要受限于其采用的解耦策略（先模拟变形，再模拟渗流）以及温度类比法本身的物理局限性（适用于饱和土中的稳定达西渗流）。然而，对于调平这一通常进行缓慢的过程，该近似是合理的，并且与模型试验结果的对比验证了其适用性。该方法为快速评估多桶基础在不同工况下的调平策略提供了一个高效、实用的工程工具，填补了当前实践中的空白。
研究的主要结论如下：
1. 通过理论推导和经典渗流算例（达西实验、隔水墙渗流）验证了温度场与渗流场类比方法的可行性，确认在ABAQUS/CEL中可用热传导模拟渗流。
2. 将所提方法应用于四桶基础调平实验的模拟，模拟结果在自重贯入深度、贯入反力和调平效果方面与实验数据吻合良好，证明了方法在捕捉多桶基础贯入与调平行为方面的准确性。
3. 揭示了调平过程中超孔隙水压力的分布特征：集中于高位置桶周围，竖向分布范围大于水平方向；在桶内靠近土表处压力更高；沿桶壁从外向内压力近似线性增加。
4. 阐明了渗流速度的特征：最大速度出现在桶尖，且随贯入深度增加而减小；桶内壁附近渗流速度显著高于中部，指示了潜在的渗流破坏高风险区。