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研究通过摇表试验揭示了四桶式 jackets 基础在软粘土中地震响应规律及失效机制，发现基础加速度响应显著大于周围土体，强震下塔顶侧移可能超限，土体动剪应力引发孔隙水压分布不均，且动土-结构相互作用对基础地震响应影响更显著。
程新雷|张志新|王旭月|杨凯轩|卢德春|杜秀丽
中国天津城建大学天津软土工程特性与工程环境重点实验室，天津，300384
摘要
对于海上风力发电机（OWTs）的四桶式夹套基础的动态特性进行评估对于地震设计至关重要。为了研究由四桶式夹套基础支撑的OWTs的地震行为，精心设计并实施了一系列振动台实验。实验中施加了六种加载条件，包括三种历史地面运动记录，这些记录的峰值地面加速度（PGA）分别为0.1g和0.3g，以模拟轻微和强烈的地震事件。总结了四桶式夹套基础OWTs的地震响应规律，并确定了其失效机制。测试结果表明，OWTs上部的加速度响应明显大于周围土壤的加速度响应。在强地震作用下，塔顶的侧向位移可能超过可服务性极限状态（SLS）的要求。由于土壤-结构的动态相互作用，桶外的土壤比桶内的土壤经历了更显著的孔隙水压力（EPWP）积累。桶壁的约束作用显著抑制了桶内的EPWP积累。此外，运动相互作用对桶基础的地震响应的影响比惯性相互作用更为显著。这些发现为四桶式夹套基础OWTs的地震设计提供了宝贵的见解。
引言
近年来，由于海上风能具有高能量密度、对环境影响小以及可再生性，其发展迅速（Anastasopoulos和Theofilou，2016；Oh等人，2018；Cheng等人，2025）。到2024年底，全球海上风电的累计装机容量已超过80吉瓦。这种快速发展对海上风力发电机（OWTs）的设计和安全运行提出了更高的要求。根据统计数据显示，基础设计是OWTs系统中的一个关键方面，约占总投资的30%（Carter，2007；Wu等人，2019）。因此，一个安全且经济的基础不仅确保了OWTs的可靠运行，还是海上风电场防灾减灾的关键技术。在这种情况下，四桶式夹套基础因其独特的优势而被应用于工程项目中。与传统的大直径单桩和单桶基础相比，这种基础类型具有许多优点。它采用负压贯入安装方式，便于施工、缩短安装周期、降低成本、运行无噪音且可重复使用（Wang等人，2018；Li等人，2020；Wu等人，2020）。夹套结构作为空间框架，允许水流自由通过，从而减少侧向荷载效应。此外，该系统通过四个吸力桶固定在海床上，提供了显著的抗倾覆能力。这些特点使得四桶式夹套基础在较深水域（30-60米）的海上风电安装中具有巨大的应用潜力。2021年10月，中国的大连庄河海上风电场成功安装了四桶式夹套基础，如图1所示。
最近，在地震活跃区域开发了许多海上风电场（Wang等人，2026）。安装在软质海床土壤中的四桶式夹套基础不仅受到复杂海洋环境中的动态荷载（如风和波浪）的影响，还可能受到地震活动的潜在威胁（Zhu等人，2011；Watson，2000）。研究表明，地震激励可以在嵌入软粘土中的吸力桶基础中引起旋转位移（Xu等人，2012；Kourkoulis等人，2014；Cheng等人，2026a，2026b）。超过位移阈值可能会影响风力发电机的正常运行，而强地震甚至可能引发吸力桶基础的倾覆失效。鉴于全球大多数海上风电场位于地震活跃的沿海水域，风力发电机基础的地震设计对于海上风能的发展至关重要（Wen等人，2024，Wen等人，2025）。然而，多桶式夹套基础的建造仍处于起步阶段，对其地震动态特性的研究仍然有限。因此，迫切需要系统地研究四桶式夹套基础在地震荷载下的动态响应（De Risi等人，2018）。
与单桶基础相比，四桶基础在水平力和弯矩作用下的承载机制有所不同。单桶基础主要通过刚性旋转来抵抗荷载，而四桶基础则通过各个桶的上下耦合运动来调动抵抗力（Gerolymos和Gazetas，2006）。关于桶基础的动态特性，许多学者通过实验和数值研究进行了广泛探讨。在数值模拟方面，Zhang等人（2014）使用ADINA有限元程序证明，复合桶基础通过增强基础内和下方土壤的抗液化能力提高了地震抵抗力。Li等人（2017）采用基于Drucker-Prager屈服准则的理想弹塑性模型，研究了粘土中伞形吸力桶基础的地震动态行为。Yang等人（2017）使用包含大变形统一本构模型的软件进行了三维动态分析，以研究沙子的液化现象。他们的结果显示，在地震荷载下，吸力桶基础的沉降不均匀，土壤液化进一步加剧了倾覆。一些学者（Zhang等人，2021；Cheng等人，2022，2024）研究了在复合地震和环境荷载下安装在粘土和沙子中的三脚架吸力桶基础的动态行为，采用了先进的三维非线性有限元分析。
多项研究通过缩比振动台和离心机试验探讨了桶基础的地震行为。Zhang等人（2022）进行了缩比振动台试验，通过比较不同位置的孔隙水压力和加速度，探讨了桶基础对沙质土壤地震性能的影响。他们的结果表明，复合桶基础比单桩桶基础具有更好的抗液化性能。Wang等人（2017）进行了九组离心机试验，研究了五种不同桶直径、贯入深度和内部隔间的吸力桶基础的地震响应，这些基础分别在干燥和饱和土壤中。Qu等人（2021）使用离心机试验研究了由桶基础支撑的海上风力发电机在沙质土壤中的地震响应，强调了桶内土壤在限制地震期间的位移、旋转和风力发电机加速度方面的重要作用。Haddad等人（2022）通过振动台试验研究了海床液化下吸力沉箱的力学行为，比较了不同裙板长度的海上风力发电机基础的加速度谱和沉降，并评估了裙板作为液化对策的性能。Ding等人（2022）通过振动台试验揭示了四桶式夹套基础在沙质土壤中的抗液化性能和动态响应。总之，现有研究主要集中在沙质土壤中的单桶基础上，强调了土壤液化对其地震行为的影响。相比之下，关于软粘土中四桶基础的研究仍然较少。因此，迫切需要开展关于软粘土中四桶基础地震响应模式和失效机制的实验研究。
振动台试验能够真实再现多种形式的地震波，并直接洞察结构在地震作用下的失效机制。因此，本研究通过振动台试验探讨了四桶式夹套基础在软粘土中的动态行为。试验考虑了地震激励对海上风力发电机上部塔结构和下部四桶基础的影响，旨在研究耦合的基础-软粘土相互作用系统的地震响应。分析重点关注软粘土中孔隙水压力的分布和积累特性、沿上部塔结构的加速度和位移放大效应，以及四桶基础的水平位移、沉降和旋转角度的演变。这些发现有望为四桶式夹套基础支撑的海上风力发电机的地震设计提供有价值的参考。
章节摘录
层流剪切盒和土壤参数
本研究使用的振动台位于天津城建大学，是一个三轴六自由度系统（图2(a)），其主要参数总结在表1中。由于层流剪切盒在限制土壤响应和真实模拟动态荷载下的剪切变形方面的有效性，因此被选为土壤容器。如图2(b)所示，采用单向层流剪切模型盒使土壤能够
加速度响应
图10展示了测试1至测试6的加速度时程曲线，说明了地震波通过土壤层传播时加速度的变化情况。图10(a)–(c)对应于轻微地震条件（PGA = 0.1 g），而图10(d)–(f)对应于强烈地震条件（PGA = 0.3 g）。在所有六个案例中，测量的土壤加速度从上到下呈一致的递减顺序：A5（泥线）< A4（泥线下方20厘米）< A3（泥线下方40厘米）
结论
本研究通过一系列振动台试验，研究了四桶式夹套基础在软粘土中OWTs的地震性能。通过对加速度响应、位移和OWTs系统内孔隙水压力的系统分析，得出以下结论：
(1)四桶式夹套基础表现出高刚性，因此SSI对OWTs结构的自然频率影响可以忽略不计。
作者贡献声明
程新雷：撰写 – 审稿与编辑，资金获取，概念构思。张志新：验证，调查，数据管理。王旭月：撰写 – 原稿，方法论，数据管理。杨凯轩：调查。卢德春：监督，方法论。杜秀丽：概念构思。
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所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（52378361，52025084）的支持。
