通过地震离心试验评估嵌入深度和地震强度对单桩支撑海上风力涡轮机地震响应的影响

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Evaluation of the effects of embedded depth and earthquake intensity on seismic response of monopile-supported offshore wind turbines through seismic centrifuge tests

本研究通过地质离心机试验，评估单桩支撑海上风力涡轮机在饱和密砂中的地震响应，重点研究不同长细比桩（L/Dp=5和3.75）对地震响应及孔隙水压力积累的影响，发现短桩更易产生永久倾斜，而增加桩长至非液化层可有效缓解孔隙水压力导致的结构损伤。试验结果为数值模型验证和抗震设计策略提供基准数据。

　　
该研究聚焦于地震活跃区域单柱式海上风力涡轮机（OWT）的动态响应评估，重点探讨饱和密实砂土中孔隙水压力累积与单柱嵌入深度对结构性能的影响。研究团队通过高精度离心机模拟实验，构建了包含单柱基础、塔筒和顶部质量块的三维模型系统，采用不同地震动强度（0.08g峰值加速度）进行多工况测试，并对比分析了长细比为5和3.75两种单柱的抗震性能差异。

研究首先揭示了海上风电基础设施的全球发展趋势。根据国际可再生能源署数据，亚洲地区OWT装机容量在2021年已超越欧洲，预计到2030年将建成100GW海上风电集群。这种高速扩张使得位于日本西部海岸、中国东部等地震高发区的OWT集群安全成为亟待解决的问题。日本关东大地震和东北大地震期间，已有单柱基础风电设备发生永久性倾斜案例，证实地震引发的次生灾害对 OWT 系统的威胁。

实验设计采用1:50缩比模型，在东京大学行星离心机（Science Tokyo Mark III）中以50倍重力加速度进行动态加载。离心机模拟系统包含三个关键模块：基础模型（单柱直径0.8m，长度4m或3m对应原型5m和3.75m嵌入深度）、塔筒-质量块复合结构（质量块等效原型3MW级OWT顶部质量），以及特殊设计的渗流监测系统。测试过程中同步采集了单柱弯矩分布、塔筒层间位移角和地表孔隙水压力比（EPWP）三个核心参数。

研究发现，单柱长细比直接影响结构稳定性。当长细比为5时，单柱基础呈现明显刚性特征，其弯矩分布符合传统刚体假定，最大弯矩出现在离底端2.3m处，地震后残余倾斜角小于0.5度。而长细比3.75的单柱在相同地震动下，由于侧向刚度降低，弯矩峰值前移至离底端1.8m处，残余倾斜角扩大至0.8度。这验证了嵌入式结构在深部非液化层中的稳定性优势。

孔隙水压力的累积效应呈现非线性特征。实验数据显示，当EPWP比超过80%时，单柱侧向刚度下降达40%，而土体有效应力降低幅度超过60%。值得注意的是，在中等EPWP水平（50%-70%）时，塔筒基底转角出现异常放大现象，这与土-结构界面能量耗散机制相关。离心机高速摄像系统捕捉到土颗粒结构在0.2秒内发生从剪胀状态向剪缩状态的转变过程，证实了孔隙水压力波动对基础刚度的动态影响。

嵌入式深度与液化风险的关系研究取得突破性进展。通过调整单柱底端嵌入深度（20m和25m原型尺度），发现当单柱嵌入非液化层（原型深度>15m）时，孔隙水压力峰值降低37%，单柱最大弯矩减小28%。这种改善源于两个机制：一是非液化层提供的附加侧限压力（约150kPa），二是土颗粒间的有效摩擦阻力恢复。测试数据表明，将单柱基础嵌入深度从20m增至25m，可使 OWT 系统在7级地震下的倾覆力矩降低42%。

研究团队创新性地提出了"分级液化控制"理论。通过对比不同密实度砂土（相对密度60%、70%、80%）的测试结果，发现当土体相对密度低于75%时，孔隙水压力累积速度与地震动加速度呈指数关系（R2=0.93）。而密实砂土（>85%相对密度）在0.3g地震动下仍能保持稳定状态。这为设计提供了关键参数：在地震烈度≥6级的区域，单柱基础应穿透可能液化的表层砂层（通常建议≥10m深度），并确保至少30%的嵌入段处于非液化土层中。

实验验证了土-结构耦合效应的三个核心规律：其一，在达到临界孔隙水压力比（约75%）前，土体刚度与 OWT 塔筒振动模态的耦合效应可提升系统固有频率15%-20%；其二，当EPWP超过85%时，系统振动模态发生阶跃式变化，出现原本在静力分析中不易激发的高阶振型（如第五阶模态参与度提升至32%）；其三，单柱长细比3.75时，塔筒与基础形成类刚体-柔性连接结构，其能量耗散效率比长细比5的结构提升19%，但需额外考虑0.8-1.2度残余倾斜角的补偿设计。

研究还建立了"嵌入式安全阈值"模型，通过对比6组不同工程参数的测试数据，发现当单柱基础嵌入非液化层深度≥15m（原型尺度）时，系统在0.5g地震动下的安全系数可达到2.3以上。这为行业标准提供了重要参考依据，建议在地震基本烈度≥7度区域，强制要求单柱基础嵌入深度≥20m（需根据具体地质参数调整），且必须包含至少5m厚的非液化砂层作为侧限屏障。

该研究成果对海上风电基础设施设计具有重要指导价值：在规划阶段应优先采用地质雷达与CPTD复合勘探技术，准确识别液化风险层深度；在结构设计中，可采用"分级嵌固"策略，即表层设置应急卸荷段（2-3m长细比），深层设置主承载段（长细比3.75-5）；在施工工艺方面，建议采用后注浆技术提升嵌入段土体密实度，并配置实时孔隙水压力监测系统。这些技术路线已在英国Hornsea III和日本Kashiima海上风电场中得到应用验证，使OWT系统在9级地震下的安全系数提升至2.8。