考虑冲刷、液化效应的近海桩群承载性能演化模型研究

Because of the particularity of wave and current and the complex stress state in marine soil, it is very complex that the characteristic of bearing capacity of pile group due to wave inducing seabed scour and liquefaction. The project includes three aspects: theory research, model test and engineering application. The miscible multiphase flow theory and elastic-plastic porous medium coupled model is used to simulate the dynamic evolution process of seabed liquefaction, which can reveal the seabed soil liquefaction and deformation rule in marine environment. Combined with the VARANS wave model, we can set up the evolution of bearing capacity of pile group nonlinear calculation model under considered scour and liquefaction effect, which can be used to research on the dynamic interaction between pile group and seabed. The project explores the change of bearing capacity in scour, liquefaction before and after, reveals the failure mechanism of bearing capacity of pile group under marine environment. Finally, the project establishes the bearing performance evaluation system throughout the service period which estimates safety and potential risk. If the project succeeds, it has important scientific significance in the assessment of seabed scour and liquefaction condition, improvement of the bearing capacity of pile foundation and reliability, ensuring wind pile safety operation. It is of great strategic significance to promote the development of marine soil dynamics and ocean engineering, further promoting the construction of offshore energy transport and offshore wind farm, ensuring the sustainable development of marine energy.

由于波流荷载的特殊性和海洋土的复杂应力状态，使得波流诱发海床冲刷、液化致使桩基承载力下降的机理非常复杂。本项目将采用理论研究、模型试验和工程应用三个方面，利用互溶多相流理论和弹塑性多孔介质耦合模型进行海床液化动态演化过程模拟，揭示海洋环境下海洋土体液化及大变形规律。结合VARANS造波理论，构建考虑冲刷、液化效应的近海桩群承载性能演化计算模型，研究海洋环境下桩基与海床动力相互作用，探求群桩在冲刷、液化前后承载性能变化规律，揭示海洋环境下桩基承载性能退化机理。建立桩基服役期承载性能评估体系，评估桩基安全性及潜在风险。本项目的顺利实施，对于评估海床冲刷、液化状况，改善桩基承载力，提高结构可靠性，保证风电桩基在整个服役期内安全运营有重要的科学意义。对推动海洋土动力学和海洋工程的发展，进一步促进海上能源运输和海上风电场的建设，保证海洋能源可持续发展，具有重大的战略意义。

由于波流荷载的特殊性和海洋土的复杂应力状态，使得波流诱发海床冲刷、液化致使桩基承载力下降的机理非常复杂。本项目采用理论研究、模型试验和工程应用对课题“考虑冲刷、液化效应的近海桩群承载性能演化模型研究”开展研究。具体研究内容包括：（1）建立波浪、海流联合作用下多孔介质土计算分析模型。使用考虑流体速度以及固体位移加速度的u-p动力模型，多层次开展海洋土变形、液化等问题的研究。研究Stokes波、椭圆余弦波、随机波对海床动力响应。考虑海床的塑性，使用考虑移动边界的一维海床累积液化模型，对一维模型中的切应力计算方法做出改进，同时将模型推广到二维。（2）建立三维波浪-桩基-海床动力模型。该模型包含波浪和海底子模型的三维综合数值模型，将三维水动力模型与多孔介质海床计算方法相结合，考虑群桩不同特性对海床及桩基力学性状的影响；进行带平台和不带平台桩基础的综合比较，分析平台对桩基础承载性能的影响。（3）进行波浪作用下有桩和无桩下海床土体力学特性模型试验。对波浪荷载作用下砂土和粉土海床孔隙水压力响应进行研究，分析海床孔隙水压力的变化情况以及海床的液化情况。（4）建立海洋桩基础冲刷计算模型。采用泥沙冲刷模型预测沉积物的起动、侵蚀和沉积。研究稳定流下群桩周围局部冲刷的机理；研究海洋环境下群桩在冲刷、液化前后承载性能变化规律，揭示海洋极端灾害环境下桩群承载破坏机理。（5）项目成果在上海市科委“创新行动计划”—“海上风电场220KV海缆敷埋施工技术及设备研究”子课题—“海上风电场220KV海缆敷埋施工理论研究”中得到应用。采用本项目中波浪-海床-结构物计算模型，对海上风电场220kv海缆的敷埋及回填保护进行理论研究，为工程的顺利实施提供了理论支撑。. 该项目的顺利实施，对于评估海床冲刷、液化状况，改善桩基承载力，提高结构可靠性，保证风电桩基在整个服役期内安全运营有重要的科学意义。有助于推动海洋土动力学和海洋工程的发展，进一步促进海上能源运输和海上风电场的建设，保证海洋能源可持续发展，具有重大的战略意义。