温度アナロジー法を組み込んだ多杯基礎の貫入平準化に対するCELシミュレーション手法

海上の塔を真っ直ぐに保つ

洋上風力発電所やプラットフォームは、柔らかい海底堆積物に固定された堅固な基礎に依存している。これらの基礎が据え付け時に傾くと、その強度と安全性が低下するが、海上で傾きを是正するのは費用がかかり、試験も困難だ。本研究は、いくつかの大きな“バケット”で構成された特殊な基礎が海底でどのように沈下・平準化するか、そしてその過程で海水が砂をどのように流れるかを、計算機シミュレーションで安価かつ信頼できる方法で予測できることを示す。

多杯基礎が重要な理由

多数の長い杭を海底に打ち込む代わりに、反転させた缶のような複数のバケットをフレームでつないだ多杯基礎を使うことができる。これらのシステムは据え付けが速く、場合によっては再利用でき、従来工法より海底への撹乱が少ないため魅力的だ。しかし、海底の不均一な条件や局所的な土の強度差により、基礎全体が沈下時に傾くことがある。洋上構造物の基準はこの傾斜を数度以内に制限しているため、施工者は各バケットに対して内側からかける穏やかな真空、すなわち吸引を慎重に制御する必要がある。これまでは、この制御に関する知見の多くが、小規模で時間のかかるタンク試験に基づいていた。

デジタルサンドボックスで流れを熱のように扱う

このプロセスをシミュレーションするのは難しい。バケット周辺の土壌は大きく変形し、同時に海水が間隙を通って浸透するからだ。標準的な数値ツールは土のメッシュが大きく伸びたりねじれたりすると扱いにくく、多くは大変形を伴う水の流れを直接扱わない。著者らは、土が固定格子を通して“流れる”ことを許容しながら鋼製バケットがその中で動く、結合オイラー–ラグランジュ（CEL）法を用いる。特別な流体要素を使わずに水の移動を捉えるために、彼らは数式上の一致を利用する：土中の定常浸透を記述する方程式は、固体中の熱拡散の方程式と同じ形をしている。水圧を温度とみなし、流れを熱流束とみなすことで、ソフトウェアの熱伝導モジュールを用いて浸透を追跡できる。

アナロジーとモデルの検証

この近道を信頼する前に、チームは二つの古典問題で検証を行う：高い砂柱を通る水の流れと、土中に埋設された不透水壁の周りの水の動きだ。両ケースで「温度」ベースのシミュレーションは、応力、圧力変化、流れパターンの点で従来の浸透計算と一致し、遅い飽和流に対してこのアナロジーが妥当であることを示した。次に、実験タンクで以前に試験された四杯基礎の詳細な仮想モデルを構築する。現実的な範囲内で土のパラメータを数値だけ調整することで、自己重により到達する深さ、基礎を目標深度まで押し込むのに必要な追加力、そして高い側のバケットに穏やかな吸引を適用した際に除去される傾斜量を再現した。

平準化中の海底内部をのぞく

モデルに対する信頼を得た著者らは、温度アナロジーを用いて実験では不可能な、平準化中の土中の様子を詳細に観察する。バケットの運動を数回の重要な時点で停止させ、バケット対の周囲での定常浸透パターンを計算する。結果は、間隙水圧の変化が吸引をかけたバケットの直下および近傍に集中し、横方向よりも深く下方へ拡がることを示す。最も高い水速はバケット縁、特に内壁に沿って発生し、バケット内部の中央領域の流速はずっと遅い。バケットが深く貫入するほどこれらの浸透速度は徐々に低下し、より深い埋まり方は土壌破壊を引き起こさずに若干強い吸引を許容する可能性を示唆する。

洋上設計への含意

簡潔に言えば、本研究は多杯基礎の平準化戦略を高価なタンク試験に頼る代わりに、計算機上で迅速かつ実用的に“乾きの実行”を行う方法を提供する。適用範囲は遅い飽和状態と単純化された土壌モデルに限られるが、この手法は、吸引を調整したときに傾いた基礎がどれだけ動くか、周囲の砂のどの部分で浸透が最も激しいかを予測できる。これにより、設計者は据え付け計画を洗練し、過度な傾斜や局所的な土壌侵食のリスクを低減し、洋上風力や他の海洋構造物がより深い水域へ展開する際のバケットクラスターと海底の相互作用をよりよく理解できる工具を得ることができる。

引用: 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

キーワード: 洋上風力基礎, 多杯基礎, 土壌浸透, 数値シミュレーション, 海底工学