群桩局部冲刷特性及其对桩基承载力影响的实验研究

为探究群桩局部冲刷机制，研究人员在水槽中对单排 1 - 5 列及 3 列 1 - 5 排桩群开展实验，测量床面高程和冲刷深度。发现多排桩间沉积物堆积或冲刷孔扩展，冲刷过程分三阶段，平衡冲刷深度随排数线性减小，为群桩基础设计提供了关键参数。

　　

在水利与海岸工程中，桩基作为桥梁、港口和海上风电等基础设施的核心基础，其安全性常受局部冲刷威胁。局部冲刷会削弱桩基承载力，导致结构失稳，如丹麦 Horns Rev 1 海上风电场和我国杭州湾跨海大桥均出现过因冲刷引发的工程问题。然而，现有研究多聚焦单桩冲刷，对群桩尤其是多排多列群桩的冲刷特性认知不足，难以准确评估复杂桩群布置下的冲刷风险。为填补这一空白，天津港工程研究所的研究人员开展了群桩局部冲刷的系统性实验研究，相关成果发表在《Applied Ocean Research》。

研究团队在长 68 米的水槽中，采用石英砂（d₅₀=0.19 mm）模拟可冲刷床面，设置单排 1 - 5 列（1×1 至 1×5）和 3 列 1 - 5 排（3×1 至 3×5）的桩群模型（桩径 D=2 cm，间距 S=5D），在恒定流强（U/U_c=1.0）下进行实验。通过声学多普勒 velocimeter（ADV）测量流速剖面，激光扫描仪获取床面高程，分析不同桩群布置下的冲刷过程和平衡冲刷深度。

关键技术方法

实验采用量纲分析确定影响冲刷深度的参数，通过拟合时变冲刷数据划分冲刷阶段（初始、发展、平衡）。利用激光扫描仪（精度 ±0.1 mm）和 ADV 精确捕捉床面形态和流速分布，结合统计模型推导平衡冲刷深度与桩排数的关系系数。

研究结果

单排桩群冲刷特性

单排桩群中，随桩列数增加，冲刷孔尺寸递减，第 3 - 5 列间出现沉积物堆积。时变冲刷深度可通过三阶段模型拟合（R²=0.92 - 0.99），平衡冲刷深度（d_se/D）从首列的 1.89 线性降至第 5 列的 0.77，拟合系数 K_1N=2.394 - 0.346P_N，表明上游桩对下游冲刷有显著屏蔽效应。

三列桩群冲刷特性

三列桩群中，横向桩加剧了中心桩的冲刷，孔深大于单排布置。随排数增加，冲刷孔未出现堆积，侧桩增强了水流收缩和马蹄涡强度，导致中心桩平衡冲刷深度非线性下降（d_se/D 从 2.1 降至 1.19），拟合系数 K_3N=0.385 + 0.93P_N - 0.123P_N²。第 5 排中心桩冲刷深度比单排高 82%，显示侧桩对后排冲刷的放大作用。

冲刷阶段与影响机制

冲刷过程分为：初始阶段（快速侵蚀）、发展阶段（流速衰减导致冲刷波动）、平衡阶段（侵蚀与沉积动态平衡）。单排桩群中，下游桩因上游屏蔽作用减弱冲刷；三列桩群中，侧桩通过增强水流收缩和涡流强度，扩大中心桩冲刷孔，尤其对后排影响显著。

结论与意义

研究揭示了群桩布置（排数、列数）对局部冲刷的定量影响规律，提出单排和三列桩群的平衡冲刷深度修正系数，可嵌入现有单桩冲刷预测公式（如 Melville 公式），提升群桩基础的冲刷风险评估精度。成果为港口高桩码头（桩间距 4 - 6D）等工程的桩基设计提供了关键参数，有助于优化桩基布局、制定冲刷防护策略，降低因冲刷引发的结构安全风险，对海岸工程抗灾减灾具有重要工程价值。研究同时指出，实际应用中需结合水动力、沉积物特性等多因素进一步验证系数普适性。