水平循环荷载和冲刷环境下深水群桩基础长期性能退化与模型试验研究

Deep water pile group foundations are widely used in the sea or river-crossing bridges and offshore wind power projects. Due to the wave, current and wind induced long term lateral cyclic load and the scour around pile foundations, the safety and stability of the pile group foundations are greatly affected. For this problem, the corresponding physical model tests are carried out to analyze the group effects under lateral cyclic load and the mobilized lateral resistance of the pile group under scour. Then the results of dynamic triaxial tests are obtained to establish the numerical analysis and theoretical p-y curve methods from the cyclic degradation of soil. A 3D random curve is used to describe the scour induced soil performance around pile group foundation and to build the 3D numerical method.A randomized optimization algorithm is given to analyze the loss of lateral capacity of pile group foundations under scour. It is hoped that the work above can provide the test and theoretical guidance for the design of pile group foundations under lateral load and the anti-scour measurements.

深水群桩基础在跨江海桥梁工程和海上风电项目中得到了广泛的应用。由于波浪荷载、风荷载等长期水平循环荷载的作用和桩周河床海床的冲刷，群桩基础的长期安全性和稳定性受到了影响。本项目针对该问题的现状，首先通过相应的物理模型试验，分别针对群桩基础的水平循环群桩效应和冲刷条件下的群桩抵抗发展进行试验研究。其次通过室内土体动循环三轴试验的结果建立基于土体循环弱化特性的水平循环受荷群桩的数值模拟和理论p-y曲线方法。针对冲刷问题，建立冲刷引起的群桩覆土形态三维随机变化曲面，开展冲刷条件下深水群桩基础的三维数值模拟和极限承载损失的优化算法，得到对群桩响应最为敏感的冲刷三维形态曲面。通过本项目的工作，为群桩基础的水平承载设计和防冲刷措施的制定提供充实的试验和理论依据。

对于深水桩基础，由于波浪荷载、风荷载等长期循环荷载的作用和冲刷引起的桩周土体剥蚀，其安全性受到严重的影响。本项目采用1g物理模型试验、离心模型试验、砂土动循环三轴试验和理论分析方法，系统研究了砂土中沉井加桩复合基础、砂土和黏土中大直径单桩基础冲刷条件下的长期循环累积特性。本项目取得的主要成果为：(a)针对沉井群桩复合基础分别开展了冲刷条件下长期循环加载1g模型试验、冲刷条件下的离心模型试验和简化理论分析方法研究。研究了不同冲刷坑尺寸下基础的承载特性和群桩受荷分布，提出了考虑冲刷条件的基础长期循环累积变形预测模式，建立了考虑冲刷坑几何尺寸影响的沉井加桩基础非线性p-y曲线分析方法。(b)针对砂土中的单桩基础形式，开展了基于半桩模型的PIV分析试验和理论分析方法。获得了两种刚度的单桩基础在松砂、中密砂和密砂中桩土相互作用的抵抗机理区别。基于模型试验的结果，建立了考虑桩前土体应变沿深度非线性分布的等效应变楔方法。根据冲刷几何尺寸的深度等效原则，建立了考虑冲刷效应的应变楔方法。基于砂土三轴试验轴向累积应变公式，提出了在砂土水平受荷桩的应变楔理论中合理考虑土体刚度循环弱化的理论分析方法。基于有限元数值模拟结果，提出了适用于砂土中大直径单桩基础的p-y曲线，探讨了考虑冲刷几何尺寸和应力历史对水平受荷桩的影响（c）针对日本丰浦砂，开展了饱和砂土的静载和循环动三轴试验，以考虑砂土的静力模型状态相关性，以及初始固结应力状态、动应力水平和静偏应力水平对循环轴向累积变形的影响。（d）开展了黏土中水平循环受荷桩的模型试验、理论分析方法和有限元数值模拟。通过对比两种不同直径桩基在长期循环加载下的累积变形、承载力损失探讨了其循环加载特性。基于Von Mises准则的非线性运动硬化总应力模型的有限元数值模拟，研究了软黏土不排水条件下单桩基础的长期循环累积变形规律。本项目研究成果可用于深水桩基础的循环和冲刷作用的安全评估。