海上工程结构是高度多样化的演变系统，包括海上风力涡轮机的基础、平台、管道、锚固系统等。尽管这些结构通常设计为具有数十年的使用寿命，但它们仍然容易受到极端海洋环境条件的影响，包括由风暴引起的波浪、强流、海底滑坡和地震事件。海洋波浪、工程结构与多孔海底之间的复杂相互作用可能引发一系列地质灾害，如冲刷、液化和基础不稳定性。因此，海上基础设施的安全性和韧性在很大程度上取决于对波浪-结构-海底相互作用的深入理解。
本期特刊重点介绍了波浪-结构-海底相互作用领域的最新进展，涵盖了基础研究和海上岩土工程及流体动力学的工程应用。该期刊包含了八篇论文，聚焦于数值建模创新、冲刷机制与保护策略，以及在复杂荷载条件下的海底稳定性和基础性能研究。下面将简要概述所有论文的主要内容和分析结果。
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- 数值建模创新
为了为波浪-结构相互作用问题中计算精度的选择提供合理的依据，Tsao和Kees（论文1）对高精度双相Navier-Stokes模型和降阶全非线性势流模型进行了系统的比较分析。他们采用有限元方法离散化双相Navier-Stokes方程，并通过混合水平集和流体体积公式来捕捉自由表面的演变，而流体动力学力则通过高阶的、能分辨相位的有限元方法求解，该方法能够在固定背景网格中表示复杂的固体几何形状。对于降阶建模，他们采用了快速正则化边界积分方法来求解全非线性势流。这种双模型框架使工程师能够有效地在精度要求与计算预算之间取得平衡。
为了评估海洋粘土的不排水剪切强度，Wang等人（论文2）采用了欧拉-拉格朗日耦合方法来比较四种原位测试技术：叶片剪切试验、圆锥贯入试验（CPT）、T杆贯入试验和球体贯入试验。他们的大变形有限元模拟考虑了应变软化效应和应变率效应。通过分离应变软化的影响，研究结果表明，在所测试的四种方法中，CPT对应变软化的敏感性最低（应变软化比Ns/N0的范围为0.76至1.00），而其他三种方法的该比率范围为0.65至0.88），这使得CPT特别适用于具有明显软化行为的土壤的强度评估。
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- 冲刷机制与保护策略
为了研究两个复合桩（CPs）周围的局部冲刷情况——这是一种典型的多桩基础配置——Muhammad等人（论文3）在稳定流条件下对两个CPs进行了实验研究，这些桩以串联、并联和交错的方式布置。他们的结果显示，在串联布置中，后续桩的冲刷深度显著减小，而并联配置下的冲刷模式与单桩情况下的差异最小。确定的临界间隙比（G/D = 3）为多桩基础设计提供了宝贵的指导。
为了研究圆锥形结构在单桩周围的冲刷保护性能，Tu等人（论文4）进行了斜率范围从10°到50°的数值模拟。他们发现了一个临界斜率阈值，在30°到40°之间；低于该阈值时，斜率效应明显，而高于该阈值时，效应最小。值得注意的是，他们引入了“临界破坏点”概念来描述这种刚性冲刷保护系统的破坏状态——这是一种主要的失效机制，其破坏过程主要由流体收缩和沙子滑动驱动。
为了量化吸力箱基础承载能力因冲刷而导致的退化，Jin等人（论文5）开发了一个三维有限元模型，使用硬化土壤本构模型。这项参数研究确定了临界阈值Sd/L = 0.3（其中Sd/L表示相对冲刷深度，即冲刷深度Sd与吸力箱特征长度L的比值），超过这个阈值后，承载能力下降会显著加速。冲刷深度与失效边界参数之间的经验关系为工程评估提供了实用工具。
- 海底稳定性和基础性能
为了分析无限多孔海底上的波浪诱导的海底响应，He和Jeng（论文6）推导了分析解，重点关注动态波压与地下孔隙压力之间的相位滞后效应。他们的研究表明，孔隙压力的极端相位滞后随相对刚性参数Rk的增加而增加，而水平有效应力和剪应力的相位滞后则随着Rk的增加而减小。关键的是，随着Rk的增加，液化区和剪切破坏区都会扩大。
为了研究地震荷载下海上单桩的冲刷对流体动力压力的影响，Wang等人（论文7）使用了耦合的CFD和有限元模型，发现冲刷会放大流体动力压力并改变现场响应。作者提出了一个附加质量系数，用于考虑沿桩体的冲刷分布，从而填补了地震设计指南中关于受冲刷影响的海上风力涡轮机的关键空白。
Peng等人（论文8）提供了一篇综合性综述，总结了我们对海上基础提升过程中流固耦合界面行为的理解。他们的综述结合了实验观察结果，揭示了界面间隙的逐步形成以及其中的瞬态吸力现象，将传统的土-结构相互作用转变为“土-界面流体-结构”相互作用框架。他们的综述批判性地评估了数值界面模型，并概述了未来的研究方向，包括对持续多方向循环荷载、吸力引起的液化以及界面长期流变行为的深入研究。
总体而言，本期特刊中的论文表明，应对海上工程发展的重大挑战需要综合流体动力学、岩土工程和结构力学的整合方法。我们希望这些研究能够激发更多的创新，并为致力于建设更安全、更具韧性的海上基础设施的研究人员和从业者提供有价值的参考。
