波浪与循环荷载作用下桩基周围孔隙水压力响应的实验研究：振荡行为与振幅分布特征

针对海上风电桩基在波浪与循环荷载耦合作用下易引发海床液化风险的关键问题，研究人员通过波流水槽实验系统探究了单桩周围饱和砂质海床的孔隙水压力(EPWP)动态响应规律。研究发现动态荷载组合会显著增大孔隙压力梯度，揭示了波浪与水平循环荷载对海床不同深度的差异化影响机制，为海上风电基础稳定性评估提供了重要实验依据。

　　

随着全球能源结构向可再生能源转型加速，海上风电因其大规模、稳定、环保的发电特性备受关注。然而，恶劣的海洋环境给风机基础稳定性带来严峻挑战——强风、巨浪和机组自身振动产生的循环荷载，可能引发饱和砂质海床中孔隙水压力(Excess Pore Water Pressure, EPWP)急剧上升，当EPWP抵消土粒间有效应力时，将导致海床液化，严重威胁海上结构物安全。尽管前人通过波-流耦合实验和PORO-FSSI-SCOUR-FOAM等耦合模型对海床响应进行了研究，但实际工况中桩-土相互作用对动态荷载的耦合影响机制仍不明确。

中国海洋大学工程流体力学实验室的研究团队在《Ocean Engineering》发表的最新研究中，创新性地构建了包含造波系统、三维电动模块和孔隙压力传感网络的实验体系，通过波流水槽物理模型实验，首次系统揭示了波浪与单向循环荷载共同作用下单桩周围海床EPWP的时空演化规律。研究采用高精度孔隙压力传感器阵列，监测不同荷载参数组合下的EPWP动态响应，并创新性提出循环荷载诱导孔隙压力变化率(CPAR)和波浪诱导孔隙压力变化率(WPAR)两个量化指标。

关键技术方法包括：(1) 1.5m×1.5m钢化玻璃波流水槽系统模拟实际海洋环境；(2) 多参数同步采集系统记录荷载-位移关系及EPWP时空分布；(3) 示踪粒子技术观测土颗粒迁移规律；(4) 新型CPAR/WPAR参数定量评估不同荷载对海床的影响域。

主要研究发现：

1. 循环荷载力与桩头位移关系
   在20Hz高频循环荷载下，桩头位移呈现典型滞回曲线特征，表明砂土刚度退化现象。当荷载幅值达50N时，位移振幅较10N工况增大320%，证实动态荷载幅值对桩基累积变形具有非线性放大效应。

2. 波浪与循环荷载共同作用下的海床响应
   组合荷载使EPWP振幅较单一荷载工况提升2.1-3.8倍。特别值得注意的是，荷载方向性导致桩体两侧压力分布呈显著不对称性——迎荷侧EPWP梯度达背荷侧的1.7倍，这种"偏压效应"首次被实验量化捕捉。

3. 荷载力与波高对EPWP振幅深度分布的影响
   通过CPAR/WPAR参数分析发现：波浪影响域集中分布于海床表层(0-0.3m深度，WPAR贡献度>75%)，而循环荷载主导中层区域(0.3-0.6m深度，CPAR贡献度达68%)。这种"垂向分区效应"为差异化加固设计提供了理论依据。

4. 土体响应机制解析
   结合粒子图像测速(PIV)技术发现，循环荷载引发土颗粒产生"棘轮运动"(ratcheting motion)，导致局部孔隙率变化达±8%，这是产生非对称EPWP分布的根本原因。而波浪荷载主要通过垂向渗透力(seepage force)改变表层土体的有效应力路径。

该研究首次从实验角度揭示了动态组合荷载下桩-海床相互作用的多尺度响应机制，提出的CPAR/WPAR量化体系为海上风电基础设计提供了创新性评估工具。特别是发现波浪与循环荷载在海床不同深度形成"影响域分层"现象，这对优化风机基础的抗震抗液化措施具有重要指导价值。研究团队建议未来应结合人工智能技术，发展考虑三维桩基摇摆特性的多物理场耦合模型，以更精确预测复杂海洋环境下的海床稳定性。