多层流体-土壤-结构相互作用SPH（Smoothed Particle Hydrodynamics）模型在吸盘桶基础安装过程中的应用

《Computers and Geotechnics》：Multi-layer fluid-soil-structure interaction SPH modeling of suction bucket foundation installation process

吸力桶基础安装中基于多层级SPH粒子方法和接触算法的变形多孔介质模型研究，通过耦合渗流与孔隙率演变过程，准确模拟了土体塑性变形、渗透场分布及结构接触效应，验证了模型在土壤插塞高度预测（1.8cm vs 实验值2.1cm）和分层土渗透阻力增幅（约50%）方面的可靠性，揭示了黏土-砂土界面孔隙压累积导致的间隙形成机制。

　　

林赣|王浩|尹灿|顾仁志|冯电雷

同济大学土木工程学院水利工程系，上海200092，中国

摘要

本研究提出了一种可变形多孔介质模型，该模型结合了多层SPH粒子方法和接触算法，用于模拟吸盘基础的安装过程。基于混合理论，该模型能够准确处理固体结构的大变形，并同时模拟土壤中的渗流和孔隙度演变。该模型的一个关键优势在于它依赖于流体和土壤相的固有材料属性，从而能够严格预测穿透阻力、孔隙度变化和应力演变。通过静水压力和海底土壤坍塌基准测试对模型进行了验证，随后进行了吸盘基础的安装模拟。定量结果显示模型具有高精度：模型预测的土壤塞高度为1.8厘米，与实验观察结果2.1厘米非常接近。此外，对分层土壤情况的模拟阐明了阻力放大的机制：低渗透性的粘土阻碍了渗流场的形成，导致下层沙子的有效应力降低，从而使穿透阻力增加了约50%。此外，该模型成功再现了界面间隙的形成，将其归因于渗透率急剧变化引起的局部孔隙压力积累。这种SPH框架为分析海洋岩土工程中的复杂流体-土壤-结构相互作用提供了一个高效的数值工具。

引言

海上能源的发展促使人们加大了提高结构稳定性和降低总成本的研究力度，特别是通过开发经济高效的基础设计解决方案（Koteras和Ibsen，2019）。近年来，已经使用了多种类型的海上结构基础，主要包括桩基础、重力基础、导管基础和浮动基础（Choo等人，2016；Wu等人，2019；Fan等人，2021）。其中，吸盘基础具有可持续性和易于安装的优点（Byrne等人，2002；Bienen等人，2017）。它们可以作为单脚架、三脚架或四脚架，广泛用于支撑海上结构（Koh等人，2018；Tasan和Yilmaz，2019；Randolph，2020；Bear，1988；Zhang等人，2023）。

吸盘基础的安装概念类似于海底的一个倒置桶（Tasn和Yilmaz，2019）。安装机制是通过桶盖上的孔抽取水，在桶盖的上下两侧产生压力梯度（称为“吸力”），最终使吸盘基础能够穿透到位。在安装过程中，桶内的土壤在向上渗流的作用下形成土壤塞，如果土壤塞的高度过大，将阻止吸盘基础达到所需深度，如图1所示。研究发现，与吸盘基础安装相关的机制涉及复杂的物理过程，包括多孔介质中的渗流以及具有大变形的流体-土壤-结构相互作用。针对吸盘安装过程中遇到的上述问题，已经进行了大量研究，主要集中在穿透阻力（Chen和Huang，2019）和土壤迁移机制（Kim等人，2019）上。

关于吸盘基础的穿透阻力，实验室测试提供了直接的物理测量数据，并用于研究各种影响因素，如安装方法（Tran和Randolph，2008；Koteras和Ibsen，2019）、桶的几何形状（Zhang等人，2018；Zhai等人，2020）以及土壤层属性（Tran等人，2007；Wang等人，2014；Zhang等人，2016）。尽管这些实验提供了宝贵的经验数据，但由于尺度效应和边界限制，它们在准确再现复杂现场条件和预测完整物理响应方面存在局限性。基于实验结果，基于土壤力学原理的分析公式为实际工程计算提供了数学便利（Harireche等人，2013；Harireche等人，2014；Hu等人，2018；Alluqmani等人，2019；Mehrarvar等人，2023）。这些分析解可以快速估算一些物理场参数，如孔隙水压力和土壤应力。然而，它们本质上依赖于静态平衡条件的假设，无法充分捕捉吸力安装过程中由渗流效应引起的动态土壤传输过程和状态变化（Erbrich和Tjelta，1999；Senders和Randolph，2009）。相比之下，数值模拟通过直接求解耦合水力-力学系统的控制方程，提供了一种更根本的方法。它在数学上避免了分析方法中固有的简化假设，并在物理上捕捉了完整的安装过程。

因此，数值模拟已成为研究吸盘基础安装机制的重要工具。一些研究主要采用了单相连续介质模型，将这些饱和海床简化为具有等效体积密度的单一材料。通过求解连续性和动量方程，这些模型有效地估算了穿透阻力和土壤应力演变（Wang等人，2018a；Xiao等人，2019；Zhou等人，2021；Ma等人，2022；Zhao等人，2022；Xiao等人，2023；Tu等人，2023）。虽然计算效率高，但这些模型本质上忽略了孔隙水流动及其与土壤骨架的相互作用，限制了它们捕捉渗流驱动效应的能力。为了纳入渗流的影响，研究人员引入了结合达西定律和有效应力原理的耦合水力-力学模型（Harireche等人，2013；Zhang等人，2017）。这些模型考虑了 excess pore pressure 的产生和消散，从而更好地预测了吸力安装下的土壤响应。然而，它们的公式往往使得模拟复杂的大变形现象（如土壤塞的形成）变得具有挑战性。离散粒子动力学模型将土壤表示为相互作用的粒子，为模拟大变形和孔隙结构演变提供了自然的框架。对于包括大变形的耦合流体-土壤问题，这种离散描述与Navier-Stokes方程相结合，形成了耦合流体-土壤框架。耦合计算流体动力学和离散元方法（CFD-DEM）在数值上实现了这一框架，允许显式考虑粒子尺度特征，包括粒子形状、分级和流体-土壤相互作用过程中的局部迁移（Wang和Zhou，2018；Cheng等人，2018；Zhou等人，2023；Yang等人，2023；Hu等人，2025）。基于这些优势，这种方法也被用于吸盘安装的研究。然而，其在大规模工程问题中的应用受到流体网格尺寸和粒子尺寸之间严格耦合的限制（Zhang等人，2024），这会导致显著的计算开销。此外，作为离散框架，DEM依赖于粒子间的接触力而不是连续场变量。另一种更全面的框架是两相混合理论，特别适用于饱和多孔介质中的耦合流-变形分析（Biot，1956；Prevost，1982；Zienkiewicz等人，1999）。基于网格的方法，如有限元方法（FEM）和有限差分方法（FDM），已成功应用于吸盘安装的模拟（Chen和Huang，2019；Wang等人，2021）。尽管预测准确，但这些数值方法在处理极端土壤变形时仍存在局限性，因为不可避免的网格变形。

为了克服这些数值挑战，拉格朗日无网格方法，特别是SPH，因其在处理涉及自由表面的极端大变形问题方面的能力而受到重视。本研究中采用的SPH框架基于连续介质力学，允许直接实施已建立的宏观本构模型（例如，弹塑性），从而严格捕捉复杂的整体土壤行为，如剪切破坏和膨胀。因此，SPH为连续场变量（特别是应力张量和孔隙水压力）提供了显式的、平滑的解，这对于定量失效分析至关重要，同时能够模拟涉及流体-水-结构相互作用的极端大变形问题。基于混合理论，土壤和水相被表示为具有自己控制方程的连续介质。根据离散化策略，SPH在多孔介质中的实现分为单层和多层粒子方法。单层方法使用一组粒子来表示两相的物理属性。单层粒子方法在模拟多孔介质的变形（如降雨引起的滑坡）方面取得了良好的结果（Lian等人，2022；Feng等人，2022）。尽管对于滑坡有效，但使用一组粒子无法捕捉内部渗流或内部和外部流体流动之间的相互作用。本研究中采用的多层方法使用两组不同的粒子分别表示土壤骨架和孔隙水，从而能够严格模拟大的相对位移和渗流路径。最近的进展显著扩展了多层SPH模型在地质灾害（Zhang等人，2022；Feng等人，2025；Fang等人，2025；Feng等人，2026）和水利工程（如堤坝侵蚀（Wang等人，2016；Feng等人，2024）中的应用。然而，将现有的多层SPH模型应用于吸盘安装面临挑战，这与地质模拟有所不同。主要难点在于多孔介质框架内薄壁桶结构的数值处理。传统的SPH边界处理通常需要至少四层固体粒子来表示结构的几何形状并防止流体泄漏。对于薄壁吸盘，这一要求将需要过小的粒子间距，从而导致不切实际的高计算成本。虽然之前的多层SPH研究集中在土壤本身的多相流动行为上，但它们通常简化了结构相互作用，缺乏处理多孔介质中薄壁穿透的严格机制。因此，本研究提出将多层多孔SPH公式与接触算法相结合，允许用一层粒子表示薄壁结构，同时严格保持界面处应力和孔隙压力的连续性。

因此，在本研究中，我们开发了一种可变形多孔介质模型，采用多层SPH粒子方法和接触算法，同时研究关键的流体、土壤和薄壁桶相互作用，并获取吸盘安装过程中孔隙水压力、渗流、土壤应力、孔隙度和穿透阻力的演变。最后，分层土壤案例表明，所提出的模型能够捕捉粘土层对穿透阻力的影响，并创新地再现了粘土-沙界面处的界面间隙发展。

章节摘录

数学模型

本节介绍了吸盘基础安装问题的数学模型。水和土壤相的守恒方程由一系列偏微分方程（PDEs）描述。

数值方面

本节介绍了本研究中应用的数值技术，包括SPH离散化方法、稳定技术、边界处理和接触算法。

所提模型的验证和应用

在应用所提出的多层SPH与接触算法模型进行吸盘基础安装模拟之前，我们进行了两个基准测试：文献中记录的静水饱和土壤问题（Bui和Nguyen，2017；Feng等人，2024）和海底土壤坍塌（Fang等人，2025），以确保能够准确计算水-土壤-结构相互作用和动态大变形。

总结与结论

本研究提出了一种多层SPH多孔模型，结合接触算法，用于模拟薄壁吸盘安装的复杂水力-力学动态。所提出的框架允许严格检查可变形土壤、孔隙流体和穿透结构之间的耦合响应。具体的定量发现和物理洞察总结如下：

(1)

多层SPH模型有效捕捉了

作者贡献声明

林赣：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，软件，方法论，调查，形式分析，数据管理。王浩：资源。尹灿：方法论。顾仁志：方法论。冯电雷：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，资金获取，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

冯电雷感谢中国中央高校基本科研业务费和国家自然科学基金（编号12572231）的财政支持。