考虑海床液化与冲刷耦合效应的桩基循环承载特性研究

Unlike the traditional onshore pile foundations, piles serving in the offshore environments must consider the effects of liquefaction and scour. The strength and stiffness of the soil decrease dramatically after liquefaction. Scour would remove the surficial soil around the pile and reduce the effective embedment depth of the pile. The remaining soil beneath the scour hole becomes overconsolidated. Employing the newly developed flow-structure-soil coupling flumel and based on the multi-physics coupling analysis, this project aims at revealing the coupling mechanism between excess pore-pressure responses inside the seabeds and scour of the surficial soil particles. The pile-soil interaction will be investigated under various cyclic loading conditions and the effects of liquefaction and scour on the pile-soil interaction will be examined assisted by numerical analyses based on dynamic constitutive model of soi. An updated analysis method for cyclic bearing behaviors of piles is to be proposed, taking into account the coupling effects of liqeufaction and scour. The research results may provide a scientific reference for the engineering design and the security evaluation of the pile foundations for offshore structures.

与传统陆上桩基承载特性不同，海洋环境中的桩基承载需考虑海床液化和土体冲刷的影响。超静孔压增长及海床液化使得土体强度和刚度大幅衰减；桩基周围局部冲刷使得土体发生冲蚀运移，桩基有效埋深减小且桩基周围土体处于超固结状态。本项目将基于研制的流固土耦合水槽装置及多物理参数同步测试系统，开展物理模拟并着重多场耦合分析，揭示粉土海床内部超静孔压响应与表层土颗粒冲刷运移的关联机制；辅以土体动力本构数值模拟，分析不同循环载荷条件下的桩土相互作用机理，获得累积孔压和桩基冲刷对桩土相互作用的影响规律；进而建立能够综合考虑土体液化和桩基冲刷等流固土耦合效应的桩基循环承载力分析方法，为海洋工程桩基结构的设计及安全评估提供科学依据。

海上风能是一种重要的可再生能源，具有储量丰富、能量密度大、临近能源消耗中心以及对自然环境影响小等优势。海上风机是典型的高耸结构，在风浪流等荷载的作用下，风机基础承受巨大的水平力和弯矩荷载作用，对海上风机基础的设计提出了极为苛刻的要求。大直径单桩基础是海上风机最为常用的基础型式，占到全球已建成海上风机基础的70%以上。桩周土体在波浪和海流作用下较易起动，由于桩基扰流导致附近床面剪应力显著增大，可能在桩基附近诱导产生严重的局部冲刷，使得桩基有效埋深减小而荷载力臂增大，极大削弱桩基础的承载能力。同时，波流诱导的海床内部超静孔压响应可使得土体有效应力减小，甚至导致土体发生液化，危及基础结构安全。因而，局部冲刷深度的准确预测、波流作用下海床孔压响应规律的合理分析以及冲刷对桩基承载能力的评估，成为海上风电基础设计中亟待解决的关键问题。. 通过离心机模型试验研究，揭示了冲刷对桩土相互作用p-y曲线的影响规律，提出了土体有效深度的概念，用于考虑冲刷对桩基水平承载力的影响。该方法补充了现有工程设计规范中的不足，为海上风机基础优化设计提供了新的依据。在海床液化分析理论方面，将波浪诱导的瞬态孔压与土体有效应力进行耦合分析，揭示了新的瞬态液化物理机理并推导获得了液化深度预测的理论解。针对波流共同作用下海床孔压响应，开展系统实验研究，发现同向水流有助于土体发生液化，而逆向水流则有助于抑制土体的液化；通过将试验结果与理论解的系统对比分析，给出了现有理论解的适用范围。利用PIV测试技术，通过水槽试验对单独水流作用下和波流共同作用下单桩周围的流场进行了实验测量，初步探明了马蹄涡强度的演化规律。上述研究成果为系统分析海上风机大直径单桩基础的承载性能提供了有力支撑。