Une approche de simulation CEL pour l’égalisation par pénétration des fondations multi-seaux intégrant la méthode de l’analogie thermique

Maintenir les tours marines bien droites

Les parcs éoliens et plateformes offshore reposent sur des fondations solides ancrées dans des sédiments marins mous. Lorsque ces fondations s’inclinent pendant l’installation, leur capacité portante et leur sécurité diminuent, et corriger cette inclinaison en mer est coûteux et difficile à tester. Cette étude montre comment des simulations informatiques peuvent prédire, à moindre coût et de manière fiable, la façon dont un type particulier de fondation, constitué de plusieurs grands « seaux », s’enfonce et se redresse sur le fond marin, y compris la manière dont l’eau de mer circule dans le sable pendant ce processus.

Pourquoi les fondations multi-seaux sont importantes

Au lieu de forer de nombreux pieux longs dans le fond, les ingénieurs peuvent utiliser des fondations multi-seaux, qui ressemblent à un groupe de boîtes renversées reliées par une armature. Ces systèmes sont attractifs parce qu’ils s’installent plus rapidement, peuvent parfois être réemployés, et perturbent moins le fond marin que les méthodes traditionnelles. Toutefois, des conditions de fond inégales ou des variations locales de résistance du sol peuvent faire pencher l’ensemble de la fondation lorsqu’elle s’enfonce. Les normes pour les structures offshore limitent cette inclinaison à quelques degrés, si bien que les poseurs doivent contrôler avec précision l’enfoncement de chaque seau en appliquant une succion, un vide doux à l’intérieur des seaux. Jusqu’à présent, la plupart des recommandations reposaient sur des essais en cuve réduits et chronophages.

Utiliser l’écoulement comme la chaleur dans un bac à sable numérique

Simuler ce processus est délicat parce que le sol autour des seaux se déforme fortement tandis que l’eau de mer s’infiltre simultanément à travers les pores. Les outils numériques classiques peinent quand le maillage du sol s’étire ou se déforme trop, et beaucoup ne traitent pas directement l’écoulement d’eau en présence de grandes déformations. Les auteurs utilisent une technique dite couplée Eulerien-Lagrangien (CEL), où le sol peut « s’écouler » à travers une grille fixe pendant que les seaux en acier se déplacent dedans. Pour rendre compte du mouvement de l’eau sans éléments fluides spécialisés, ils exploitent une coïncidence mathématique : les équations décrivant l’infiltration stationnaire dans un sol ont la même forme que celles de la diffusion thermique dans un solide. En traitant la pression interstitielle comme une « température » et l’écoulement comme un flux de chaleur, ils suivent l’infiltration en utilisant le module de transfert thermique du logiciel.

Tester l’analogie et le modèle

Avant de faire confiance à ce raccourci, l’équipe le vérifie sur deux problèmes classiques : l’écoulement d’eau à travers une colonne de sable haute et le mouvement d’eau autour d’un mur imperméable enfoui dans le sol. Pour les deux cas, les simulations basées sur la « température » correspondent aux calculs d’infiltration conventionnels en termes de contraintes, d’évolution de pression et de schémas d’écoulement, montrant que l’analogie est valable pour des écoulements lents et saturés. Ils construisent ensuite une version virtuelle détaillée d’une fondation à quatre seaux testée auparavant en cuve. En ajustant seulement quelques paramètres du sol dans des limites réalistes, la simulation reproduit la profondeur atteinte sous propre poids, la force supplémentaire nécessaire pour pousser la fondation jusqu’à une profondeur cible, et la réduction d’inclinaison obtenue lorsque l’on applique une succion douce au seau le plus haut.

Regarder à l’intérieur du fond marin pendant le nivellement

Avec la confiance acquise dans le modèle, les auteurs utilisent l’analogie thermique pour scruter le sol pendant le nivellement, ce qui n’est pas possible en laboratoire. Ils figent le mouvement des seaux à plusieurs instants clés et calculent le champ d’infiltration stationnaire autour d’une paire de seaux. Les résultats montrent que les variations de pression interstitielle se concentrent sous et à proximité du seau où la succion est appliquée, s’étendant plus profondément vers le bas que latéralement. Les vitesses d’eau les plus élevées se produisent au bord du seau, surtout le long de la paroi interne, tandis que l’écoulement dans la zone centrale à l’intérieur du seau est beaucoup plus lent. À mesure que les seaux s’enfoncent davantage, ces vitesses d’infiltration diminuent progressivement, ce qui suggère qu’un enfouissement plus profond permet d’appliquer une succion légèrement plus forte sans déclencher la rupture du sol.

Ce que cela signifie pour la conception offshore

En termes simples, l’étude fournit un moyen rapide et pratique de « tester » par simulation les stratégies de nivellement des fondations multi-seaux sur ordinateur plutôt que de s’appuyer uniquement sur des essais en cuve coûteux. Dans ses limites — conditions lentes et saturées et modèle de sol simplifié — l’approche peut prédire combien une fondation inclinée se corrigera lorsque la succion est ajustée, et où dans le sable environnant l’infiltration est la plus intense. Cela donne aux ingénieurs un outil pour affiner les plans d’installation, réduire le risque d’inclinaison excessive ou d’érosion locale du sol, et mieux comprendre comment ces grappes de seaux interagissent avec le fond marin à mesure que l’éolien offshore et d’autres structures marines s’étendent en eaux plus profondes.

Citation: Gao, K., Cheng, Z., Yu, K. et al. A CEL simulation approach for penetration-leveling of the multi-bucket foundation incorporating the temperature analogy method. Sci Rep 16, 16165 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45440-1

Mots-clés: fondations éoliennes offshore, fondation multi-seaux, infiltration du sol, simulation numérique, génie des fonds marins