砂性-黏性土层中大直径深水基础冲刷演化机制及深度预测

Scour will change the design condition of the soil-foundation system, reduce the bearing capacity of the support system, and affect the safety and stability of the river-crossing bridge and offshore wind turbine. The monopile and caisson foundations become more and more widely used in recent years, however, the influence of soil properties and foundation size on the scour process has been neglected in the present studies. Prediction methods proposed based on these studies have their own deficiencies. Therefore, it is necessary to systematically investigate the mechanism and prediction of scour around large foundations embedded in sand-clay sediment beds. Based on the soil scour resistance test and analysis of particle interaction, the relationship between soil characteristics, scour resistance of soil and scour process will be built. By using the flume test and 3D numerical model, the scale effect of the foundation, as well as the influence of soil characteristics, will be analyzed. Based on the research carried out above, scour prediction method for large foundations embedded in sand-clay sediment beds will be proposed. Case studies will be carried out with the proposed scour prediction method, and design recommendations for large foundations in practice will be given. This research can provide scientific support for the safety, stability and economic rationality of bridge and wind turbine construction at this stage in China.

冲刷会改变土体-基础的设计条件，降低支撑体系的承载能力，严重影响跨江河桥梁及海上风机项目的安全稳定。现阶段深水大直径单桩和沉井基础的使用逐渐增多，但已有研究对冲刷过程中土体性质和基础尺寸效应考虑不足，基于此提出的预测方法存在一定缺陷。因此，有必要针对砂性-黏性土层中大直径深水基础冲刷演化机制及深度预测进行系统研究。本项目采用土体抗冲刷能力测试及颗粒间作用分析，建立土体性质、土体抗冲刷能力与冲刷演化过程的关系；通过波流水槽试验，结合建立的数值计算模型，分析土层和基础体型对冲刷演化过程的影响，深入探讨砂性、黏性土中基础体型对冲刷过程的影响；基于上述研究，提出砂性-黏性土层中大直径基础的冲刷预测方法，并选取典型工程案例，给出实际工程中针对大直径基础型式的设计建议。研究结果对现阶段我国桥梁工程及海上风机项目的安全稳定和经济合理提供科学支撑。

随着我国交通和能源需求不断提高，跨江河大桥和海上风机项目迅猛发展，保障其安全稳定与经济合理直接关系到人民生命财产和国家经济建设。冲刷会改变土体-基础的设计条件，降低支撑体系的承载能力，严重影响跨江河桥梁及海上风机项目的安全稳定。现阶段深水大直径基础的使用逐渐增多，但已有研究对冲刷过程中土体性质和基础尺寸效应的影响考虑不足。为此，本项目围绕砂性-黏性土层中大直径深水基础冲刷演化机制及深度预测，结合我国现阶段的工程实际需求开展相关研究工作，取得的主要成果如下：.（1）基于改进的土体抗冲刷性能测试装置，针对不同性质、不同成分、以及不同物理力学特点的土样开展试验研究，探究了上述因素对土体抗冲刷性能的影响规律，并结合泥沙起动理论，提出了一种综合考虑颗粒侵蚀和堆积过程的数值分析方法；（2）采用波流水槽模型试验手段，研究了单向流条件下双层土地基中单桩基础的局部冲刷演化规律，并考虑不同几类代表性土层条件，对不同桩径的基础模型开展了试验分析，揭示了土层条件及基础体型效应对其冲刷演化过程的影响规律；（3）基于上述研究结果和现有的冲刷分析经验，结合理论分析，建立了考虑水流作用和土体抗冲刷性能的深水基础局部冲刷预测分析模型，提出了考虑土体性质和土层分布影响的冲刷计算与分析建议。.上述研究成果有助于深入认识大直径深水基础在复杂土层条件下的冲刷演化机制，可为桥梁工程、海上风电等涉水项目的冲刷设计提供理论依据，对于提高深水基础在建设和服役期间的安全性、可行性和经济性具有指导意义，所提出的冲刷深度计算分析方法和建议也可为深水基础相关规范的修订提供参考依据。