在施加抽吸力并配合径向振动的情况下，砂土中吸力沉箱的穿透行为及土塞的形成过程

《Ocean Engineering》：Penetration behaviors and soil plug development of suction caisson in sand under applied suction combined with radial vibration

套筒桩穿透中径向振动与抽吸协同作用有效抑制土壤桥抬升并降低侧壁摩擦，模型试验验证其可行性，振动频率与阶段影响显著，中频振动在自重阶段可降低需抽吸量33.4%-42.1%，高频振动在抽吸阶段使土壤桥高度减少6.6%-30.6%，机理涉及振动诱导渗透压变化及液化效应。

　　在现代海洋工程领域，尤其是海上风电基础建设中，吸力沉井作为一种重要的基础结构，因其快速安装、经济性以及可回收性而受到广泛青睐。然而，吸力沉井的下沉过程却面临一个关键挑战：在密实砂土中，吸力辅助下沉通常需要超过20 kPa/m的吸力梯度，这种高梯度可能导致土壤堵塞（soil plug）的膨胀，从而阻碍沉井达到预定深度。这种情况不仅会影响施工进度，还可能造成高昂的成本和项目延误。为了解决这一问题，研究者们一直在探索新的技术手段，以在降低阻力的同时，有效控制土壤堵塞的膨胀。本文提出了一种结合径向振动和吸力的辅助下沉技术，通过实验验证其可行性，并深入探讨了振动阶段、频率以及振动与渗流耦合机制对土壤堵塞和下沉阻力的影响。

传统的吸力辅助下沉方法在降低阻力与控制土壤堵塞之间存在权衡。一方面，吸力能够通过产生渗流来减少沉井侧壁与土壤之间的摩擦力，从而提升下沉效率；另一方面，过大的吸力梯度可能导致土壤堵塞的膨胀，甚至使沉井在未达到目标深度时提前停止下沉。因此，如何在保持有效吸力的同时避免土壤堵塞的过度膨胀，成为研究的重点。近年来，振动辅助技术因其在减少土壤阻力方面的潜力而受到关注，特别是在密实海洋砂土中。然而，单纯依靠振动下沉存在一定的局限性，例如，沉井的薄壁结构可能在振动过程中承受过大的法向应力，从而引发裂缝甚至结构损坏。此外，振动下沉方法无法充分利用吸力沉井的特性，即吸力诱导的渗流可以显著降低下沉阻力。

为克服这些限制，本文引入了一种创新的下沉方法，即将径向振动与吸力相结合，以实现双重目标：降低下沉阻力并抑制土壤堵塞的膨胀。径向振动不同于传统的垂直振动，它通过在沉井的顶部或侧壁加强筋位置安装振动装置，使振动能量以径向方式传递至土壤中。这种方法不仅能够减少沉井侧壁的应力集中，还能够通过改变土壤的渗透性来增强吸力的效果。实验结果表明，该方法在减少所需吸力和最终土壤堵塞高度方面表现出显著优势，具体而言，所需吸力降低了33.4%至42.1%，土壤堵塞高度减少了6.6%至30.6%。这一成果表明，结合径向振动与吸力的下沉方法在提升施工效率和安全性方面具有巨大潜力。

在实验过程中，研究人员通过一系列模型试验，验证了该技术的可行性。这些试验涵盖了不同振动阶段（如仅在自重阶段振动、仅在吸力阶段振动、以及在两个阶段均振动）和不同频率（19–60 Hz）对沉井下沉行为的影响。结果显示，随着频率的增加，所需吸力和土壤堵塞高度均呈下降趋势。这表明，在特定频率范围内，振动能够有效改变土壤的物理状态，从而提升吸力的效率。此外，研究还发现，自重阶段的中频振动（19 Hz–50 Hz）反而会增加所需吸力，而高频振动（≥50 Hz）则能够显著抑制土壤堵塞的高度，减少41.9%。这一发现为优化振动阶段和频率的选择提供了理论依据，同时也揭示了振动与吸力之间复杂的相互作用机制。

为了进一步理解振动与吸力耦合作用的机理，研究团队还进行了半模型可视化实验。这些实验使用有机玻璃材料制作的半模型，与实际的钢制沉井模型在尺寸和结构上保持一致，以便更直观地观察土壤堵塞的形成和演变过程。实验结果表明，径向振动能够显著改变土壤颗粒的迁移模式，从而抑制堵塞的形成。在振动辅助下沉过程中，土壤颗粒在沉井周围发生重新分布，部分颗粒被推入沉井内部，而另一部分则被挤出至沉井周围。这种颗粒的重新分布不仅降低了沉井侧壁的摩擦阻力，还减少了土壤堵塞的体积，使得沉井能够更顺利地下沉至目标深度。

此外，研究还提出了一种“完美活塞”理论，用以解释径向振动如何抑制土壤堵塞并降低下沉阻力。该理论认为，振动能够改变土壤的渗透性，使其在沉井周围形成类似活塞的流动模式。在这种模式下，土壤颗粒在沉井下沉过程中被推入沉井内部，而不会发生大规模的膨胀。这一过程不仅减少了沉井侧壁与土壤之间的摩擦力，还降低了土壤堵塞的形成概率。通过这一理论，研究人员能够更系统地分析振动与吸力的协同作用，并为未来的工程应用提供理论指导。

实验结果还表明，该方法在不同振动阶段和频率下的表现存在显著差异。例如，在自重阶段应用中频振动时，虽然能够提升沉井的下沉速度，但所需的吸力反而有所增加。这可能是因为中频振动在一定程度上改变了土壤的结构，增加了土壤颗粒之间的接触力，从而需要更大的吸力来维持下沉。而在吸力阶段应用高频振动时，沉井的下沉阻力显著降低，土壤堵塞的高度也明显减少。这一现象表明，高频振动在吸力辅助下沉过程中具有更优的性能，能够更有效地利用吸力诱导的渗流来降低阻力。

从工程应用的角度来看，本文的研究成果对海上风电基础建设具有重要意义。首先，该方法能够在不牺牲吸力效率的前提下，有效控制土壤堵塞的膨胀，从而提升沉井的下沉速度和深度。其次，通过优化振动阶段和频率的选择，可以进一步降低施工成本和时间，提高项目的整体效率。此外，该方法还能够减少沉井在下沉过程中的结构损伤风险，提高施工的安全性。这些优势使得径向振动与吸力结合的下沉技术成为一种具有广阔前景的工程解决方案。

在实际应用中，该技术可以通过调整振动装置的位置和频率，适应不同地质条件和施工需求。例如，在砂土密度较高或渗透性较差的区域，可以优先选择高频振动以减少土壤堵塞的高度；而在砂土密度较低或渗透性较好的区域，可以适当降低振动频率，以减少所需的吸力。这种灵活的调整方式使得该技术能够广泛应用于各种海洋工程场景，为沉井下沉过程提供更加精准和高效的控制手段。

总的来说，本文的研究不仅填补了径向振动与吸力结合下沉技术的空白，还为未来海洋工程中沉井下沉的优化设计提供了新的思路。通过系统性的实验分析和理论建模，研究人员揭示了振动与吸力协同作用的机理，并提出了优化施工策略的建议。这些发现对于提升海上风电基础建设的效率和安全性具有重要的现实意义，同时也为相关领域的进一步研究奠定了基础。