类型a：学术研究报告

作者及发表信息
本研究的通讯作者为Wu Yang（广州大学土木工程学院），合作作者包括Zhang Xiao-ling、Zhang Xiao-wei、Xu Cheng-shun（北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室）。研究论文《The calculation method of vertical bearing capacity of pile foundation considering cyclic weakening effect of soft clay》发表于期刊《Computers and Geotechnics》第172卷（2024年），文章编号106422，在线发布于2024年5月14日。

学术背景
本研究属于岩土工程与海洋工程交叉领域，聚焦软黏土（soft clay）在循环荷载（cyclic loading）下的力学性能弱化及其对海上风电单桩基础竖向承载力的影响。海上风电结构长期承受风、浪、流等循环荷载，导致软黏土地基的强度与刚度衰减（strength and stiffness weakening），进而影响上部结构的稳定性。现有研究多基于双曲线模型（hyperbolic model）分析桩-土荷载传递，但计算复杂且效率较低。因此，本研究旨在提出一种考虑软黏土循环弱化效应的桩侧荷载传递三线性模型（trilinear model），并建立相应的单桩竖向承载力计算方法。

研究流程
1. 软黏土循环弱化模型的开发
- 基于Mohr-Coulomb强度理论，通过Abaqus子程序二次开发（USDFLD接口）引入累积塑性剪应变（cumulative plastic shear strain）控制的弱化模型。
- 模型通过衰减系数（attenuation coefficient）描述软黏土强度与刚度的循环衰减规律，公式如下：
- 强度衰减比：δq = su/su0 = δq,res + (1 - δq,res)e^(-bεp)
- 刚度衰减比：δg = Gu/Gu0 = δg,res + (1 - δg,res)e^(-bεp)
- 通过空心圆柱试验（hollow cylinder tests）验证模型参数，如残余强度衰减比（δq,res）和衰减系数（b）。

1. 桩侧荷载传递三线性模型的改进

   • 在静态三线性模型（弹性-塑性-滑移三阶段）基础上，引入循环衰减系数αn，描述循环荷载下桩侧摩阻力的衰减：
     
     • αn = c + (1 - c)e^(-2.3n/α90)
       
   • 通过有限元模拟（Abaqus）分析不同循环荷载水平（qc/qus = 0.3–0.65）和循环次数（n = 1–10,000）对桩侧阻力衰减的影响，拟合参数α90与荷载水平的关系。
     

2. 单桩竖向承载力计算方法

   • 基于荷载传递法（load transfer method），将桩身离散为多个单元，通过位移协调算法计算桩顶荷载-位移曲线。
     
   • 桩端阻力采用双线性模型（bilinear model），桩侧阻力采用改进的三线性模型。
     

3. 模型试验验证

   • 对比Gan（2018）的模型试验数据，验证所提方法的准确性。试验中，饱和软黏土地基的单桩在循环荷载（qc/qus = 0.53和0.7）作用50次后，承载力衰减至残余值。理论计算结果与试验数据吻合良好，证实了方法的有效性。
     

4. 工程应用

   • 以某海上风电场单桩基础（直径4.3 m，入土深度65 m）为例，计算不同循环荷载水平（qc/qus = 0.1–0.65）和循环次数（n = 100–20,000）下的承载力衰减规律。结果表明：
     
     • 当qc/qus > 0.6时，承载力衰减速率显著加快；
       
     • 循环次数增加时，衰减速率呈现“先快后慢”趋势。
       

主要结果
1. 软黏土弱化规律：累积塑性剪应变是控制强度与刚度衰减的关键参数，衰减速率随荷载水平提高而增大。
2. 桩侧阻力衰减模型：循环衰减系数αn与荷载水平和循环次数呈非线性关系，α90的拟合公式分段为幂函数和指数函数。
3. 承载力计算验证：理论方法能准确预测循环荷载下单桩承载力的衰减趋势，与试验结果的误差小于5%。
4. 工程案例结论：当qc/qus = 0.65时，单桩承载力在数百次循环后即衰减至残余值（初始值的55%）。

研究结论与价值
1. 科学价值：提出了首个基于累积塑性剪应变的软黏土循环弱化模型，完善了桩-土相互作用理论。
2. 应用价值：为海上风电桩基设计提供了考虑循环荷载效应的承载力计算方法，可避免过度保守设计导致的资源浪费。
3. 创新性：
- 开发了Abaqus子程序实现软黏土参数动态衰减；
- 改进了静态三线性模型，使其适用于循环荷载分析；
- 通过分段函数拟合α90，显著提升了计算效率。

研究亮点
1. 方法创新：将循环弱化效应与荷载传递法结合，解决了传统静态模型无法处理循环荷载的难题。
2. 工程指导意义：明确了循环荷载水平对承载力衰减的临界影响（qc/qus = 0.6为拐点），为海上风电桩基耐久性设计提供量化依据。
3. 跨学科融合：融合了岩土力学、数值模拟与海洋工程，推动了复杂荷载下桩基理论的发展。

其他有价值内容
- 研究数据可通过申请获取，代码实现细节已在附录中公开；
- 作者团队后续计划将模型扩展至水平循环荷载与群桩效应分析。