考虑冲刷效应的海上桩基桩-土相互作用计算方法

《Ocean Engineering》：Computational method of pile-soil interaction for offshore pile foundations considering scour effects

当地下冲刷对海洋桩基结构力学行为的影响及桩土相互作用机理研究。

　　

张晓玲|郭晓铮|王丕光|徐成顺

北京工业大学桥梁安全与韧性国家重点实验室，北京，100124，中国

摘要

在海洋工程中，波浪和水流的共同作用下，海上桩基结构会受到显著的局部冲刷。然而，现有的规范在使用Morison方程计算波浪-水流力时，未能充分考虑实际冲刷孔形状对海上桩基力学行为的影响。此外，局部冲刷下的实际荷载分布模式尚未被纳入现有的桩-土相互作用应变楔模型中。为了解决这些问题，提出了一种改进的计算水平波浪-水流力下桩-土相互作用的方法：首先，建立了一种海上桩基上水平波浪-水流力分布的计算公式。该公式基于Morison方程的理论框架、现有的冲刷孔形状预测公式以及临界Shields数的理论。该公式同时考虑了波浪参数、水流特性、水深条件以及冲刷孔的几何特征的影响。其次，将计算出的波浪-水流分布力应用于桩体，并将其纳入考虑局部冲刷影响的圆锥形应变楔模型中。进一步揭示了局部冲刷下的桩-土相互作用机制。随后通过编程实现了计算过程，并与现有结果进行了对比验证。证明了所提出方法的合理性和有效性。最后，分析了不同工作条件下桩基的水平位移以及弯矩和剪力的分布。

引言

在海洋工程中，波浪和水流的共同作用下，海上桩基结构会受到显著的局部冲刷。由于波浪和水流的长期冲刷作用，桩基周围会形成冲刷孔。这些冲刷孔的存在显著改变了桩基的有效嵌入深度和侧向约束条件，从而影响了桩基与土壤之间的相互作用模式。结果，海上桩基的承载能力和稳定性大幅降低。

目前，计算作用在海上桩基上的波浪-水流力主要参考的是《水运港口与航道规范JTS145-2015》（中华人民共和国交通运输部，2016年）推荐的单桩基础波浪-水流力计算方法。该方法基于Morison提出的半经验半理论计算公式。由于其形式简单、计算方便等优点，Morison公式在现有研究中得到了广泛应用。在科学研究中，许多学者也对它进行了验证和系数修正。例如，Maniar和Newman（1997年）使用三维样条Galerkin面板方法计算了规则波中101根垂直圆柱柱上的力。Boccotti等人（2013年）通过两个原型试验的现场风浪数据，验证了Morison方程在计算圆柱体上波浪-水流力方面的准确性，试验总时长约为700小时。

Ma等人（2024年）使用CFD-DEM耦合模型从沉积颗粒的角度研究了局部冲刷孔的形成过程，并讨论了Shields参数对局部冲刷的影响。然而，他们的高精度模型的计算成本限制了其工程应用。Deniz等人（2024年）对数值模拟和实验数据进行了对比分析。在波浪和水流的共同作用下，冲刷深度增加了暴露在流动中的桩身长度和受力面积。Satish等人（2022年）根据实验数据修正了Morison方程中的阻力系数C_D和惯性系数C_M。现有修正方法尚未考虑波浪力在冲刷孔内作用时的时变特性，也未考虑这些力沿桩身高度的分布。

Li等人（2022年）进行了数值分析，发现冲刷会降低钻孔桩的极限侧向承载能力。减小幅度与冲刷类型和深度密切相关，而与冲刷孔宽度和坡度的关联较弱。Aslan等人（2011年）证明，水平加载桩的应变楔模型不受p-y曲线函数形式的限制。此外，在给定基本土壤参数和本构关系的情况下，该模型可以计算任何土层中桩基的水平荷载响应。计算中更好地考虑了土壤连续性和剪切强度，并显示出对复杂工作条件（如冲刷）的更强适应性。Zhang等人（2022年）重构了圆锥形应变楔模型的应力分析系统，并将其与砂土的Duncan-Chang双曲线模型相结合。他们进一步建立了水平加载桩的p-y曲线的非线性迭代求解方法。Zhang等人（2023年）提出了一种通用解析方法，可以同时考虑冲刷孔尺寸和土壤应力历史的影响。Wang等人（2024年）发现，冲刷对土壤性质的影响主要集中在浅层，冲刷孔尺寸的影响比土壤应力历史的影响更为显著。现有的应变楔模型研究主要是通过施加等效集中力和弯矩来进行外部荷载的模拟。然而，实际外部荷载的分布并未得到充分考虑。

总之，现有研究（Deniz等人，2024年；Satish等人，2022年）未考虑局部冲刷对波浪-水流荷载分布的影响。此外，在桩-土相互作用应变楔模型的研究中（Aslan等人，2011年；Zhang等人，2023年；Wang等人，2024年），也未考虑波浪-水流荷载的实际分布。因此，本文提出了一种时变计算方法来计算桩基上的分布波浪-水流力，并考虑了局部冲刷孔的形状。将分布波浪-水流力和局部冲刷效应与圆锥形应变楔模型相结合，推导出了在波浪-水流力和局部冲刷共同作用下的海上桩基桩-土相互作用计算方法。该方法为海上桩基的稳定性计算和设计提供了参考。

节选内容

冲刷孔深度和范围的计算

在海上桩基冲刷研究中，许多学者通过现场测量数据、经验理论公式和水槽试验等方法，对冲刷孔深度和范围的计算给予了更多关注（Dey等人，2011年；Zanke等人，2011年）。在考虑波浪和水流共同作用的常用计算公式中，Sumer（2002年）的公式与波浪-水流有关

考虑冲刷效应的应变楔计算模型

应变楔模型是一种基于土壤连续性和非线性本构关系的桩-土相互作用分析方法。该方法将桩周围的土壤划分为楔形元素。理论上，它建立了一维Winkler基础梁p-y参数与三维土壤应变楔之间的联系。然后利用弹性基础弯曲理论的微分方程获得迭代解

案例研究验证

Lin和Lin（2019年）基于Reese等人（1974年）的现场试验，研究了冲刷条件下桩在砂中的水平荷载响应。他们得到了冲刷孔深度为桩直径1.5倍、海床表面位移为25毫米时的桩身弯矩分布曲线。现场试验的详细桩-土参数见表3。目前，关于局部冲刷下海上桩的试验结果尚缺乏

计算模型结果分析

本文分析了表2中列出的三种实际工作条件下考虑冲刷效应的海上桩基的动态响应结果。图6和图7显示了局部冲刷下海上风力涡轮机桩基沿桩身高度的水平位移和剪力分布。从图中可以看出，不同工作条件下的最大桩身位移均发生在桩顶，并且随着深度的增加而减小

结论

首先，基于Morison方程的理论框架，本文建立了计算局部冲刷孔中水粒子速度的公式。然后推导出了考虑局部冲刷影响的波浪-水流分布力计算公式。通过将波浪-水流分布力和局部冲刷效应纳入圆锥形应变楔模型，提出了计算局部冲刷引起的海上桩基桩-土相互作用的方法

CRediT作者贡献声明

张晓玲：撰写 – 审稿与编辑，监督，方法论。郭晓铮：撰写 – 原始草稿，方法论，数据整理。王丕光：监督。徐成顺：监督，方法论。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金[资助编号52478324]和国家自然科学基金[资助编号52438009]重点计划的支持。