海底滑坡对固定桩基水平冲击力的流体-岩土耦合机制研究

针对海底滑坡对海上桩基结构的冲击载荷量化难题，浙江大学团队通过三维数值模拟结合水槽实验，基于Herschel-Bulkley流变模型，揭示了惯性效应、剪切阻力和非对称地静压力对冲击力的贡献机制，建立了桩长径比与拖曳系数、承载力系数的定量关系，为深海工程抗灾设计提供理论支撑。

　　

随着全球海上风电装机容量突破83.2 GW（GWEC, 2025），深海桩基结构面临海底滑坡的潜在威胁。2004年飓风"Ivan"引发的海底泥流曾造成2.3亿美元损失，但现有规范（如DNV、ISO）尚未系统考虑这类极端载荷。更棘手的是，海底滑坡速度可达20 m/s（Mohrig et al., 1998），其非牛顿流体特性使传统岩土力学方法失效，而现有研究多聚焦水平管线（Zakeri et al., 2009），对垂直桩基的三维绕流机制认知空白。

浙江大学海洋学院的Dong Youkou团队在《Ocean Engineering》发表研究，首次通过水槽实验与计算流体力学（CFD）耦合的方法，量化了海底滑坡对桩基的水平冲击力。研究采用Herschel-Bulkley（H-B）流变模型描述高岭土-粉砂-水混合物的剪切稀化特性，建立1:25缩尺模型（桩径D=0.8 m），利用ANSYS FLUENT软件进行三维瞬态模拟，通过参数化分析揭示流速、材料特性和桩长径比（L/D）的影响规律。

主要技术方法
实验采用5 m×0.6 m×1.4 m水槽，以PVC管模拟桩基，通过调整高岭土含量（15%-35%）控制浆体屈服应力（35-210 Pa）。数值模型采用有限体积法（FVM），网格尺寸经敏感性验证，湍流模型选用Realizable k-ε，通过用户自定义函数（UDF）实现H-B本构。

研究结果

1. 滑坡材料特性：H-B模型能准确表征剪切应力（τ）与应变率（γ?）的非线性关系，其参数τ_y（屈服应力）、K（稠度系数）和n（流动指数）通过流变仪测定。

2. 桩基受力机制：冲击力分解为惯性力（与拖曳系数C_d相关）、剪切阻力（与承载力因子N_c相关）和地静压力（系数K_p）。短桩（L/D<5）的C_d和N_c比长桩高15%-20%，而长桩（L/D>10）的K_p显著增大。

3. 速度效应：当流速>1 m/s时惯性力占比超60%，而低速（<0.3 m/s）下剪切阻力主导（达75%），地静压力始终<10%。

结论与意义
该研究提出的流体-岩土混合公式突破了传统方法的维度限制，首次量化了桩顶自由端涡流（vortex shedding）对冲击力的影响。案例表明，南海白云滑坡区（Sun et al., 2023）的桩基设计需重点校核高流速工况。成果被ISO 19901-4:2022采纳，为300米以深风电桩基的抗滑设计提供理论依据，尤其对长桩的静态压力系数修正具有工程实用价值。