利用一种新的无量纲速度方法评估抬升过程中的排水条件

《Ocean Engineering》：Evaluation of drainage conditions during uplift using a new dimensionless velocity

浅基础在黏土中的上举阻力受排水条件影响显著，传统无量纲速度Vc适用于压缩加载但无法准确表征上举工况的孔隙水压力生成与消散机制。本文通过验证数值模型，系统研究流体动力黏度、基础尺寸、土渗透性等参数对上举阻力的影响，提出新型无量纲上举速度Vu=νD/κv，并建立统一的上举承载能力曲线，为工程中排水条件量化提供新方法。

　　

梅森|彭茂柱|陈浩|李玉洁

南洋理工大学土木与环境工程学院，新加坡南洋大道50号，639798，新加坡

摘要

从黏土海床中提升物体需要远大于其自重的力，因为在提升过程中物体下方会产生负的超额孔隙压力（即吸力）。这种额外阻力的大小在很大程度上取决于排水条件。在非排水条件下，负的超额孔隙压力会在没有足够时间消散的情况下形成，从而激活一种“反向”的非排水承载机制。在完全排水条件下，任何可能产生的超额孔隙压力都有时间消散，此时提升阻力仅来源于物体与土壤界面处产生的摩擦力，这种摩擦力可能比非排水状态下的承载能力低一个数量级。部分排水条件下的情况介于这两种极端之间，但目前仍缺乏描述排水条件的定量方法。广泛使用的无量纲速度公式 V_c = vD/c_v 最初是为压缩加载提出的。由于提升加载过程中超额孔隙压力的产生和消散机制不同，因此在无量纲速度公式中应考虑更多变量。本研究通过使用经过验证的数值模型进行了系统的参数研究，以确定控制提升阻力的关键因素。基于这些结果，提出了一种新的无量纲速度公式来表征提升过程中的排水条件，并建立了一个统一的曲线来描述提升能力与所提出的无量纲速度之间的关系。

引言

在海洋工程中，浅基础被广泛用于支撑固定平台、深水管道、歧管和现场调查设备（Bye等人，1995年；Bouwmeester等人，2009年；Randolph和Gourvenec，2010年）。这些基础在临时安装和长期运行期间通常作为泥垫或重力基础使用。在其使用寿命结束后，为了满足环境和监管要求，往往需要拆除这些基础（Chandler等人，2017年；Gourvenec，2018年）。实际上，提升阻力往往决定了拆除操作的可行性和成本，因为提升力可能远远超过基础在水下的自重——尤其是在细粒土壤上。这种额外的阻力来源于提升过程中基础下方产生的负超额孔隙压力（即吸力）。低估提升阻力可能导致提升能力不足和操作不安全，而高估则可能导致选择过于保守的船舶并增加项目成本。因此，准确预测提升阻力对于海洋工程的设计、操作规划和风险缓解至关重要。

先前关于浅基础提升的实验研究（Chen等人，2012年；Li等人，2014年；Peng等人，2024年；Mei等人，2025a）表明，提升阻力与提升速率密切相关。在快速提升过程中，会形成非排水条件：基础下方迅速产生吸力且没有足够的时间消散，从而激活“反向”的非排水承载机制，其提升能力与非排水压缩能力相当。在非常缓慢的提升过程中，会达到排水条件，吸力消散，提升阻力仅来源于沿基础边缘的摩擦力——这通常比非排水状态下的承载能力低一个数量级。在中等提升速率下，会出现部分排水现象。然而，目前仍缺乏对提升过程中排水条件的可靠定量描述。

Finnie和Randolph（1994年）提出的常用无量纲速度公式 $V_c=\frac{vD}{c_v}最初是为浅基础的压缩加载和贯入试验提出的，其中$v 是加载速度，D 是基础直径，c_v 是土壤固结系数。然而，提升加载过程中超额孔隙压力的产生和消散机制根本不同。在提升过程中，基础-土壤界面产生的超额孔隙压力主要沿界面切向消散（Mei等人，2025b），而在压缩过程中则主要由土壤固结特性控制。因此，直接将 V_c 应用于提升问题可能会导致对排水条件的误解。例如，Levy（2014年）将现场嵌入式方形基础的提升试验与离心机模型试验（Lehane等人，2008年）进行了比较，发现要达到相似的提升能力，现场所需的无量纲速度比离心机试验中的高三个数量级。这一差异表明 V_c 不适合用于表征提升过程中的排水条件，强调了需要一个新的无量纲速度公式，其中包含特定于提升行为的额外变量。

提升行为的实验研究往往受到设施限制、可实现的测试案例数量以及观察复杂土壤机制的难度的影响。因此，数值模拟提供了一种有吸引力的补充方法，可以系统地探索影响参数并可视化结构-土壤相互作用机制。然而，提升的数值模拟具有挑战性。首先，总应力框架无法捕捉孔隙压力效应。其次，准确处理基础-土壤界面至关重要。在提升过程中，基础底部会产生负超额孔隙压力，可能会形成间隙。吸入的流体进入间隙会消散孔隙压力并影响界面行为。这种机制无法使用常见的粘接界面模型（例如Li等人，2015年）或纯机械界面模型来模拟。Mei等人（2025b）提出了一种新的水力-机械界面模型，并成功应用于提升模拟。这种界面被定义为充满水的间隙。当结构与土壤接触时，间隙关闭，结构与土壤之间的接触力由土壤颗粒的有效应力和水的孔隙压力组成。当结构与土壤分离时，间隙打开。界面产生的负超额孔隙压力限制了结构与土壤的分离，同时触发水从周围流入间隙。这种类型的水力-机械界面有助于数值分析，能够真实反映实验观察结果并增强物理建模程序。

在本文中，数值模型采用了Mei等人（2025b）提出的修正Cam-Clay（MCC）模型来描述土壤的有效应力行为和水力-机械界面，以模拟基础-土壤相互作用。首先使用Mei等人（2025a）报告的离心机试验对该模型进行了验证。然后对均匀黏土进行了系统的参数研究，以检验提升能力对流体动力粘度、基础尺寸、土壤渗透性、土壤初始应力和土壤OCR的敏感性。基于这些结果，提出了一种新的无量纲提升速度公式，并建立了一个统一的提升曲线来关联提升能力与这个速度。随后将离心机试验、离心机模拟和参数研究的标准化结果进行比较，以验证所提出的参数。最后，提出了一种用于实际应用的简单方法来估算浅基础的提升能力。

章节摘录

数值模型

使用ABAQUS 2016（Dassault Systèmes，2016）进行了小应变耦合有限元分析。总体建模策略与Mei等人（2023年，2025b）采用的框架一致，但此处为了完整性详细说明了所有细节。

数值模型的验证和提升机制的解释

进行了一系列有限元模拟，以再现西澳大利亚大学进行的离心机提升试验。测试程序的详细信息可以在Mei等人（2025a）中找到；这里仅总结了土壤条件和基础几何形状的关键信息。高岭土首先在80g下固结，然后在40g（OCR = 2）和10g（OCR = 8）下进行提升测试。

参数研究和提出的无量纲提升速度

在本节中，对均匀黏土进行了系统的参数研究，以简化结果的解释。在土壤表面施加了附加荷载，并假设土壤处于无重力状态。研究了流体动力粘度、基础尺寸、土壤渗透性、土壤初始应力、土壤刚度和土壤OCR对提升曲线的影响。为了明确区分流体动力粘度和土壤渗透性的影响，这两个变量在此未进行

提出的无量纲提升速度的应用

通过比较三个独立的数据集来评估所提出的无量纲提升速度的适用性：（i）Mei等人（2025a）报告的40g和10g离心机试验结果，（ii）40g离心机试验的数值模拟，以及（iii）均匀土壤的参数研究。这些结果在图17中用所提出的标准化方法绘制在一起，其中水平轴是无量纲提升速度 V，垂直轴是标准化的提升能力

结论

本研究采用了修正Cam-Clay土壤模型和水力-机械界面模型来模拟黏土中浅基础的提升行为。离心机试验的数值模拟证实，该数值模型准确再现了观察到的提升机制，包括界面分离、吸力产生和土壤变形。随后进行了全面的参数研究，以评估流体动力粘度、基础尺寸、土壤渗透性等因素的影响

CRediT作者贡献声明

梅森：撰写——初稿、软件、方法论、调查、概念化。彭茂柱：撰写——审阅与编辑、监督、软件、调查。陈浩：撰写——审阅与编辑、软件、调查、概念化。李玉洁：撰写——审阅与编辑、监督、调查、资金获取。

利益冲突声明

作者声明与本研究无任何利益冲突。

我们声明与提交的工作无关的任何商业或关联利益。

致谢

第一作者衷心感谢墨尔本大学在其博士研究期间提供的财务支持。第一作者还感谢与Tian Yinghui教授和Randolph Mark教授的宝贵讨论，这些讨论对这项工作的开展起到了重要作用。