波浪-结构-海床相互作用下单桩基础周围孔隙水压力响应的三维实验方法学研究

本文推荐研究人员针对波浪作用下单桩基础周围海床孔隙水压力测量中的实验挑战，开展了三维水动力-岩土实验研究。通过采用北海疏浚砂土复现原位条件，系统探究了波浪荷载（包括规则波、不规则长峰波和短峰波）对孔隙压力分布的影响，并提出了土壤制备、压实策略及边界效应控制的新指南。该研究为离岸工程中地基稳定性评估提供了关键实验依据，对保障海上风电结构安全具有重要意义。

　　

随着海上风电产业的快速发展，单桩基础作为支撑海上风力发电机的主要结构形式，其安全性与稳定性日益受到关注。单桩基础在复杂海洋环境中承受着巨大的波浪荷载，波浪作用不仅直接对结构产生动力冲击，更会引发周围海床土体中孔隙水压力的动态变化。这种孔隙水压力的波动或累积可能导致海床土体有效应力降低，进而诱发土体软化、承载力下降甚至液化风险，对风电基础的整体稳定构成严重威胁。尽管数值模拟和理论分析能够提供一定的参考，但由于土体本构关系的复杂性和波浪-结构-土壤相互作用（wave-structure-soil interaction）的高度非线性，物理模型实验成为验证理论和揭示实际机理不可或缺的手段。

然而，在实验室内开展波浪作用下孔隙水压力的精确测量仍面临诸多挑战：如何选择并制备具有代表性的海床土体？如何在大型波浪水池中实现土体的均匀压实与饱和？如何避免或评估边界效应和冲刷发展对实验结果的影响？此外，现有研究多局限于二维波流水槽，难以反映真实海洋中多向波的传播特性及三维土体响应，更缺乏对单桩刚度相似性等关键参数的合理考量。

为解决上述问题，由Maria Gkougkoudi-Papaioannou领衔的研究团队在《Applied Ocean Research》上发表了他们的最新研究成果。该研究设计并完成了一套系统的三维水动力-岩土实验，旨在精确测量波浪引起的单桩周围孔隙水压力，并基于实验经验总结了一套可指导未来类似研究的实验方法与技术规范。

研究团队选用了比利时北海海域的实际疏浚砂作为实验土料，以更好地复现原位海床条件。通过系统的土工试验（包括筛分分析、渗透系数测定和击实试验）对砂土进行了详细表征，其平均粒径d₅₀为0.28 mm，渗透系数k为0.136×10^-4 m/s。在大型海岸与海洋盆地（COB）中，研究团队建造了一个直径3米、深1.2米的圆形土槽，并采用经过改进的Ladd欠压法（undercompaction methodology）将砂土分六层压实，以达成目标干密度并确保土体均匀性。为保证饱和度，团队通过从底部向上缓慢充水的方式使土体饱和。

实验模型桩采用直径0.219米的不锈钢管桩，按1:23的几何比尺模拟原型中直径5米的单桩。在主要实验序列中，桩顶与桩底均被固定，以隔离结构运动对孔隙水压力的影响；另设附加实验，将桩顶释放以研究桩-土相互作用。实验生成了规则波、不规则长峰波（JONSWAP谱）以及不规则短峰波（采用Mitsuyasu方向分布函数，扩散参数s=40）等多种波浪条件，以模拟不同的海洋环境。水表面高程通过布置在桩周的多组波高仪进行同步采集，而孔隙水压力则通过高精度的差压传感器在桩周不同深度和方位进行测量。

本研究的关键技术方法主要包括：1） 采用原状北海砂土并通过标准土工试验进行系统表征；2） 运用改进的欠压法实现大型土槽中砂土的分层压实与均匀性控制；3） 通过底部充水方式确保土体完全饱和；4） 基于弗劳德相似准则（Froude scaling）对原型风暴波浪条件进行缩尺；5） 利用差压传感器和高分辨率数据采集系统精确测量微幅波致孔隙水压力。

2.1.2. 选定沉积物

研究选定的砂土级配均匀（不均匀系数C_u=1.76，曲率系数C_c=0.97），其物理特性与北海现场条件一致。渗透性测试和击实试验为后续的土体制备和压实控制提供了关键参数。

2.1.3. 沉积物安装与压实方法

基于现场CPT数据所揭示的中密至密实砂层特性，研究采用了经过升级的Ladd欠压法进行压实。通过严格控制每层土体的重量、含水量和压实高度，成功在大型土槽中制备出均匀且重现性好的砂样，其相对密度可代表原位状态。

2.1.4. 沉积物输运与冲刷发展

通过计算KC数（Keulegan-Carpenter number），研究预测在所有实验波况下（KC<6），桩周不会发生显著冲刷。该预测通过实验后的水下影像观测得到了证实，确保了孔隙水压力测量未受海床地形变化的干扰。

2.1.5. 土槽壁的边界效应

通过建立二维数值模型（ABAQUS），研究对比分析了不同土槽尺寸（1.5米与6米长）下的孔隙水压力响应。结果表明，在实验所采用的桩-壁距离（1.5米）下，固定侧壁边界对孔隙压力幅值的影响可忽略不计（差异<2.5%），验证了实验设置的合理性。

3.1.1. 单桩选择与比例

研究强调了在考虑桩-土相互作用时，单桩刚度比例的重要性。通过使模型与原型的无量纲刚度比（E_sL_p⁴/E_pI_p）尽可能接近，确保了模型实验中桩的变形行为能合理反映原型的响应特征。

3.2.2. 孔隙水压力传感器

面对波致孔隙压力幅值远小于静水压力的挑战，研究选用了量程为±5000 Pa、精度极高的差压传感器，并通过巧妙的管路设计消除了静水压的影响，成功捕捉到了量级仅数帕的波致孔隙水压力波动。

研究结论表明，通过精心的实验设计和执行，能够成功在大型波浪水池中实现对于波浪-结构-土壤相互作用的可靠物理模拟。所提出的关于土体选择、制备、压实、饱和以及边界效应评估的系统方法，为未来在离岸岩土工程和海岸工程领域开展类似实验提供了宝贵的实践指南。该研究不仅加深了对单桩基础周围复杂孔隙水压力动态响应的理解，其方法论更对保障海上风电基础设施的安全设计与评估具有重要的工程应用价值。