冲刷作用下黏土中柔性桩承载力的三维上限分析：机理演变与工程预测

针对水流冲刷导致桩基承载力衰减的工程难题，重庆大学团队通过建立含新月形-锥形楔体、全流动及过渡面的三维上限破坏机制，首次系统量化了冲刷深度Sd 、黏土应力历史对柔性桩极限承载力P0 的影响规律。研究创新性引入速度场突变能量耗散项，推导出严格上限解，经离心试验和FEM验证精度优于传统方法（误差<8%），为海洋桩基设计提供理论支撑。

　　

在波涛汹涌的海洋环境中，桩基础如同巨人的腿脚，支撑着海上风电设施等重大工程。然而，水流冲刷这个"隐形杀手"正悄然侵蚀着这些结构的根基——据统计，全球约30%的桥梁垮塌事故与冲刷效应相关。当水流带走桩周土壤时，不仅减小了桩的有效嵌固深度，更会改变黏土应力状态，导致其抗剪强度C_u
下降。尤其对于长径比大的柔性桩，现有设计规范仍缺乏考虑冲刷效应的精确计算方法。

重庆大学的研究团队在《Ocean Engineering》发表的研究，通过塑性极限分析理论，构建了三种创新性的三维破坏机制：新月形-锥形楔体、全流动和过渡面模型。与Murff和Hamilton(1993)的经典模型相比，该研究首次考虑了径向破坏演变规律，并严格计入了速度场突变引起的能量耗散。通过离心模型试验（50g加速度）和有限元模拟的交叉验证，证实新模型预测误差控制在8%以内，显著优于传统方法。

关键技术包括：1）建立含速度突变耗散的三维上限分析框架；2）基于离心试验数据（新加坡国立大学提供）的参数反演；3）考虑冲刷卸载效应的黏土强度修正模型。

【Analytical method】
研究定义了冲刷坑参数体系：深度S_d
、底宽S_wb
、坡角θ_s
。通过引入径向破坏角θ的连续函数，使新月形-锥形楔体能精确反映浅层土体破坏形态。在能量平衡方程中，首次同时计入楔体-全流动界面、桩底刚性区的速度突变耗散项。

【Verification】
对比离心试验数据发现，当α（桩土黏结系数）=0.5时，新模型预测承载力与实测值偏差仅5.7%，而Murff模型偏差达12.3%。有限元分析进一步显示，随着S_d
/D（D为桩径）从0增至1.5，楔体破坏范围收缩38%，全流动区主导深度下移2.1倍桩径。

【Conclusions】
研究揭示：1）当S_d
/D>0.8时，破坏模式从楔体主导转为全流动主导；2）超固结比OCR每增加1，承载力提升9%-15%；3）α<0.3时，桩土界面滑移成为承载力控制因素。该成果为《海上风电桩基设计规范》的修订提供了理论依据，特别在冲刷防护层厚度确定方面具有直接指导价值。

讨论部分指出，未来需进一步研究循环荷载与冲刷耦合效应。团队提出的三维破坏机制框架，可扩展应用于波浪荷载等复杂工况分析，为"双碳"目标下的海上风电建设提供关键技术支撑。