层状黏弹性土中考虑土塞效应的海洋管桩横向动力响应解析研究

针对海洋管桩在层状黏弹性土中的横向动力响应问题，研究人员提出了一种考虑土塞高度影响的解析方法。研究发现，当土塞未完全填充桩身时，桩体同时受水土耦合作用，需计入流体动力效应以提高预测精度。结果表明，桩刚度增加可降低共振幅值并提高固有频率，而上部土层性质对响应影响显著。该研究为海洋工程桩基设计提供了理论支撑。

　　

随着跨海大桥、海上风电和石油钻井平台等大型海洋基础设施的快速发展，桩基的稳定性成为工程安全的核心问题。然而，海洋环境中波浪、洋流、风荷载及地震等复杂动力作用，使得桩基长期承受剧烈交变载荷。传统研究多聚焦于全埋入土中的桩体，而实际海洋管桩往往部分裸露于水中，且内部土塞高度可能低于嵌入深度，导致桩体同时与水土相互作用。这一复杂工况尚未被现有模型充分涵盖，亟需建立更精确的解析方法。

国家自然科学基金资助的研究团队通过理论建模，提出了层状黏弹性土中考虑土塞高度变化的海洋管桩横向振动解析解。研究采用Euler-Bernoulli梁理论描述桩体变形，结合黏弹性土层传递矩阵法和流体动力方程，构建了桩-土-水耦合振动控制方程。通过边界条件匹配和阻抗分析，量化了土塞高度、桩刚度及土层参数对动力响应的影响。

Problem definition
研究建立了如图1所示的海洋管桩振动模型，定义水深L₂、水密度ρ_f，桩体参数包括嵌入深度L_e、外径d_p、内外半径r₁/r₂等。通过引入土塞高度变量，首次解析了土塞未完全填充时桩体与水土的耦合作用机制。

Validation
通过对比Liang等（2023）的模型，在忽略流体密度ρ_f和轴向力P_v的条件下，验证了本方法的正确性。结果显示，新模型能退化为经典解，证实了其普适性。

Conclusions
研究得出三项关键结论：

1. 流体动力效应不可忽略，其显著影响桩基共振频率和振幅；
2. 增大桩体刚度可有效抑制共振，使固有频率向高频移动；
3. 上部土层性质对响应起主导作用，而深层土及土塞影响较弱。

该研究突破性地将土塞高度变量纳入分析框架，揭示了水土耦合作用对桩基动力特性的调控机制。成果发表于《Ocean Engineering》，为海洋工程桩基抗震设计、振动控制提供了理论工具，尤其对土塞高度不确定的工况具有重要指导价值。