软粘土中吸力锚在倾斜载荷作用下的微观特性：基于离散元方法（DEM）与有限差分方法（FDM）的模拟研究

本研究提出了一种耦合有限差分法-离散元法（DEM-FDM）的数值模拟框架，用于分析马来西亚高岭土中吸力锚在五种锚固深度条件下的微观力学行为。结果表明，浅层加载（h≤2/3L）以颗粒破碎和局部压溃为主，中层加载（2/3L3/4L）则呈现分层和错位现象。耦合方法在计算效率上较纯DEM提升7.56倍，且预测极限承载力误差（11.3%）优于传统DEM方法（16.7%）。

修贤豪|赖颖|吴晗|朱天曼|陈云敏

浙江大学土木工程学院，中国浙江省杭州市余杭塘路866号

摘要

本研究提出了一种新颖的耦合有限差分法-离散元方法（DEM-FDM）仿真框架，用于研究在各种系泊深度条件下马来西亚高岭土中吸力锚的微观力学行为。这种混合计算方法利用DEM捕捉高度变形区域中的颗粒级相互作用的能力，同时利用FDM对远场土壤行为的建模效率，与纯DEM仿真相比，计算效率提高了7.56倍。系统分析了五种典型的加载场景，系泊深度范围从1/4L到6/7L，揭示了三种不同的失效模式：压缩主导的前向旋转（浅层加载）、平移主导的最佳移动（中层加载）和剪切诱导的后向旋转（深层加载）。结果表明，在h = 2/3L时，即加载点与土壤反力中心对齐时，承载能力达到最佳，通过平衡的应力分布实现了最大的土壤体积移动。微观分析显示，浅层加载失效的特征是颗粒降解和局部破碎；中层加载通过对称的剪切簇形成实现了最大的土壤体积移动；而深层加载则表现出分层和位错现象，以及双楔形耦合机制。与传统的DEM方法相比，耦合仿真方法在预测极限承载能力方面具有更高的准确性（误差为11.3%，而传统方法为16.7%）。这些发现为深度依赖的失效机制提供了基本的见解，并为优化海上可再生能源应用中的吸力锚设计建立了稳健的计算框架。

引言

海上工程正在稳步进入超深水域，在这些水域中，吸力沉箱因其抗倾覆能力强、成本效益高和可重复使用而受到石油和天然气行业的广泛采用，作为固定基础和锚（Randolph和Gourvenec，2017；Xu等人，2022）。在深水条件下，吸力沉箱的系泊系统已经从悬链线配置发展到紧腿设计，使其受到水平和垂直载荷的共同作用（Aubeny等人，2003）。在倾斜的拉力作用下，海洋软土的应变软化行为导致锚的机械响应高度非线性。这一现象强调了研究倾斜载荷下土壤与吸力锚之间相互作用机制的重要性，如图1a和b所示。然而，现有的研究主要集中在宏观承载能力上，缺乏对微观机制的分析。

目前研究土壤-结构行为的方法主要包括：分析方法（Wang等人，2024；Cui等人，2021），这些方法计算速度快，但由于简化假设而在复杂条件下存在困难；实验方法（Hogervorst，1980；Lee等人，2025；Murali等人，2019；Wu等人，2024；Du等人，2023；Yan等人，2024；Wang等人，2020），这些方法提供了高质量的数据，但在现场和离心机测试操作中较为复杂，而正常重力测试无法再现原位应力。因此，数值仿真方法（Meng等人，2020；Liu等人，2024；Li等人，2024；Xu等人，2024；Lin等人，2024；Zhang等人，2024；Sujawat和Kumar，2024）逐渐成为海洋工程中更有效的研究工具。得益于计算能力的提高，有限元方法（FEM）越来越多地被用于将基础和土壤建模为连续介质。例如，Yin等人（2020）使用FEM模拟了吸力沉箱在粘土中的沉降和拔出过程。Nielsen（2019）探讨了无粘性土壤中抗拉能力与土壤类型和基础设计尺寸之间的关系。值得注意的是，可以使用连续介质方法（FEM、FDM）准确描述锚绳与吸力锚之间的结构相互作用，但它们无法完全捕捉土壤的微观结构、物理性质、流动过程以及图1e中所示的颗粒间的位移变化（Aikins等人，2023）。

实验技术的最新进展显著增强了我们在实验室环境中观察土壤-结构相互作用现象的能力。透明土壤技术利用熔融石英或其他光学透明的颗粒材料与折射率匹配的流体，能够直接可视化内部土壤变形、位移场和失效机制，这些在传统的岩土工程测试中是无法实现的（Liu等人，2023；Xiang等人，2018；Ezzein和Bathurst，2011）。结合粒子图像测速（PIV）和数字图像相关（DIC），这些系统成功地实时揭示了剪切带形成、渐进式失效发展和基础沉降模式。这种实验可视化方法为数值模型的改进提供了关键的验证基准。此外，离散元建模能够系统地分析颗粒级力的传递、接触力学和粘结降解过程，即使在透明土壤实验中也无法直接测量，而DEM-FDM耦合框架则能够高效地分析工程规模的问题。对于土壤中的大变形和不连续性，离散元方法（DEM）由于其在建模土壤颗粒之间的力学行为和捕捉颗粒及孔隙尺度上的运动轨迹方面的显著优势而适合进行仿真（Liu等人，2025）。该方法最初由Cundall和Strack（1979）提出，其有效性已得到成功验证。近年来，DEM已广泛应用于许多岩土工程问题（Ahmadi等人，2021；Chen等人，2023；Murali等人，2024；Li等人，2022）。例如，Feng等人（2024）结合模型测试和3D DEM分析了锚在穿透过程中周围的土壤位移和力链的演变。Duan等人（2018）引入了2D粒子流代码（PFC2D）来探索不同安装方法在微观水平上的摩擦衰减机制差异。Peng和Yin（2025）使用耦合的平滑粒子流体动力学-离散元方法（SPH-DEM）研究了圆形锚周围的颗粒冲刷，揭示了局部流动方向、涡流和土壤侵蚀之间的关系。Chai等人（2025）结合有限差分方法（FDM）和DEM模拟了锚基础加载测试，并减少了边界效应，展示了土壤层结构和锚位移对尺度效应的影响。虽然FDM可以有效地模拟大尺度土壤变形，但它无法捕捉颗粒间的相互作用，而纯DEM对整个土壤域的仿真面临高计算成本。到目前为止，还没有研究应用DEM-FDM耦合方法来模拟粘土中吸力锚的倾斜力。

本研究通过开发一个全面的DEM-FDM耦合仿真框架来解决这些限制，以研究在倾斜载荷条件下吸力锚-软土相互作用的微观特性。研究目标包括：（1）建立一种经过验证的混合计算方法，结合DEM捕捉颗粒级行为的准确性和FDM对远场响应的建模效率，如图1c–d和e所示；（2）系统分析系泊深度对失效机制和极限承载能力的影响；（3）确定最佳加载配置以实现最大锚性能；（4）通过详细的颗粒级分析阐明深度依赖的失效模式的微观力学起源。该研究为海上基础设计优化提供了关键的见解，特别是对于浮动式海上风力涡轮机系泊系统。

连续-离散耦合原理

采用了一种结合有限差分方法（FDM）和离散元方法（DEM）的混合计算方法，以利用每种技术的计算优势，同时优化整体仿真效率。DEM框架用于模拟经历显著变形的区域，而FDM用于位移最小的区域。由于沉箱旋转和平移引起的土壤位移较大，周围土壤质量受到了影响

采用的模型测试简介

本研究中使用的数值仿真框架已根据Fu等人（2024）建立的实验方法进行了验证。详细的实验设置如图3所示。他们的全面研究利用了浙江大学的ZJU-400梁式离心机设施进行，离心加速度高达50g。测试介质由马来西亚高岭土组成

模型校准

如图6所示，建立的DEM-FDM耦合模型如第3.5节所讨论的，基于反力的直接校准在物理层面上提供了结构-土壤相互作用强度的全面表示。测试案例T2和T3在附着点位置、加载率和倾斜角度方面采用了相同的加载配置。通过比较两种方法得出的归一化承载能力，验证了耦合分析的有效性和合理性

载荷-位移响应特性

如图7所示，吸力锚在粘土中的承载响应和变形模式对系泊线的附着深度（从锚头测量）非常敏感。当加载点从1/4L向下移动到2/3L时，归一化承载能力迅速增加并达到峰值；进一步下降到大约3/4L–6/7L时，承载能力下降。相应地，锚的旋转方向分为不同的阶段：对于上部附着（≤2/3L），锚头

总结与结论

本研究通过创新的DEM-FDM耦合仿真框架，对倾斜载荷下吸力锚-软土相互作用机制进行了全面分析。本研究得出了以下关键结论：

(1)

计算方法进展：开发的DEM-FDM耦合方法在计算效率上具有显著优势，与传统的DEM仿真相比，处理效率提高了7.56倍，同时保持了优越的性能

CRediT作者贡献声明

修贤豪：撰写——原始草稿，可视化，验证，软件，正式分析，数据整理。赖颖：撰写——审稿与编辑，撰写——原始草稿，验证，调查，资金获取，正式分析。吴晗：撰写——原始草稿，可视化，调查。朱天曼：撰写——原始草稿，可视化，方法论，调查。陈云敏：监督，资源，项目管理。

数据可用性声明

所有支持本研究发现的数据、模型或代码均可向相应作者提出合理请求后获取。

利益冲突声明

我们发表的论文题为：“倾斜载荷下软土中吸力锚的微观特性：一项DEM-FDM仿真研究”。我们声明该论文不存在任何利益冲突。如果对本文有任何疑问，请随时联系我们。

致谢

感谢国家自然科学基金（编号：52522114和52279112）的支持。