基于数据驱动的粒状柱荷载-位移行为评估及其在海洋工程中的应用

为解决海洋工程中软土地基改良难题，研究人员系统分析了44组全尺寸试验数据，采用双曲线函数和K-means聚类算法，揭示了柱径与周边土体特性对粒状柱初始刚度(initial stiffness)和极限荷载(loadlimit)的协同影响，建立了荷载-位移阈值范围，并通过数值模拟验证了成果的工程适用性，为粒状柱与水泥土柱的优化选择提供了科学依据。

　　

海洋经济的快速发展推动着近海与离岸基础设施建设，但松软的海相沉积层给地基处理带来巨大挑战。粒状柱(granular columns)作为改良软土地基的常用技术，其荷载-位移行为直接关系到结构物安全，然而现有研究缺乏对多因素影响的系统性评估。传统方法受限于样本量不足或简化假设，难以准确预测实际工程中粒状柱的力学响应。

为突破这一瓶颈，研究人员开展了开创性研究。通过收集全球44组全尺寸加载试验数据，涵盖振动压实、夯击压实等不同施工工艺，以及砂、碎石、土工格栅包裹等多种材料类型。研究采用双曲线函数(hyperbolic function)拟合荷载-位移曲线，提取初始刚度(initial stiffness)和极限荷载(load_limit)两大关键参数；运用改进的K-means算法根据力学特征对柱体聚类；结合分类回归树(classification and regression tree)识别主导影响因素。

主要技术路线包括：1）建立涵盖5个国家、柱长2.3-10.7m的试验数据库；2）采用双曲线函数外推10%柱径位移下的荷载值；3）应用机器学习算法分析参数敏感性；4）通过现场试验和数值模拟验证阈值范围的可靠性。

荷载-Δ/D (%)记录评估
双曲线模型能准确描述粒状柱非线性行为，延伸曲线显示直径较小（<0.6m）的柱体在位移达4%时即出现明显拐点，而大直径柱体（>0.8m）可承受更大变形。

荷载-Δ/D (%)行为的影响因素
柱径与周边土体特性被证实是同时控制初始刚度和极限荷载的双主导因素。当周边土体不排水抗剪强度<15kPa时，土工格栅包裹可使承载力提升200%。

数值与全尺寸结果的适用性验证
定义出粒状柱荷载-位移阈值带：直径0.6m柱体的典型极限荷载范围为400-600kN，初始刚度区间为50-80MN/m。两个独立案例的数值模拟误差小于12%。

粒状柱与水泥土柱的对比评估
水泥土柱在控制绝对沉降方面优势显著（沉降量减少40%），但粒状柱更适用于需要快速排水固结的工程场景，其超孔隙水压力消散速度比水泥土柱快3倍。

该研究首次通过数据驱动方法建立了粒状柱力学行为的量化评价体系，提出的阈值带为工程设计提供了直观参考。特别值得注意的是，研究揭示了传统解析方法低估大直径柱体位移能力的现象，这对突破现行规范中柱径限制具有重要启示。对比研究形成的选型指南，可帮助工程师根据沉降控制、工期等需求在粒状柱与水泥土柱间做出最优选择。论文成果发表于《Ocean Engineering》，为海洋地基处理技术发展提供了重要理论支撑。