考虑组合荷载下混合裙边基础的局部冲刷效应及其对承载特性的影响

《Marine Structures》：Local scour effects on the bearing characteristics of the hybrid skirted foundation considering combined loads

　　

混合裙边基础在含粉砂条件下因冲刷坑影响而失效机理的研究

在冲刷作用下，混合裙边基础承载力受冲刷的影响得到考察，考虑了基础尺寸、土体相对密度、冲刷坑尺寸及竖向荷载等因素的影响

研究了冲刷条件下粉砂层中混合裙边基础失效包络线的主要影响因素，并提出了考虑这些影响因素的承载力预测方程

引言

近十几年来，作为一种可再生且清洁能源生产方式，海上风电技术经历了大幅度的发展。吸力桶基础由于其优异的侧向抗力、便于安装以及施工周期短等优势，已被广泛应用于海上风力发电机及其他海洋结构物的基础工程中[1]。如图1所示，在正常运行期间，海上风机基础承受着复杂的多向耦合荷载，包括自重及上部结构引起的竖向荷载（V），海流及风荷载引起的水平荷载（H）和弯矩（M）[2,3]，以及波浪与海流共同作用造成的冲刷效应[4]。随着风机规模的增大，耦合荷载随之增加，而冲刷不断剥蚀土体支撑，改变基础的传力路径。混合裙边基础已被提出作为应对这些相互竞争的荷载需求的可行方案[[5],[6],[7]]。研究表明，与传统单桶基础相比，该设计在相同尺寸下可提供更大的水平荷载抵抗力和更小的转动位移[8,9]。

然而，冲刷对混合裙边基础的工程意义与传统单桶基础不同。传统单桶基础主要通过其侧壁、底部以及封闭的土塞体来发挥抗力。混合结构则利用宽浅裙板与深埋内桶的协同作用。裙板结构可调动大量近表层土体，而内桶则提供更深层的侧向约束和转动限制。混合裙边基础为提升大型海洋基础的多向抗力提供了一种解决方案，但其效果本质上依赖于浅层支撑土体的完整性。因此，局部冲刷直接影响到承担混合效应的那一部分土-基础体系。随着冲刷的推进，问题并非简单的承载力等比例损失。浅层与深层结构部件的相对贡献发生变化，传力路径向内侧桶偏移，主导失效机理也可能随之改变。因此，一个关键且尚未解决的问题在于：如何量化混合几何形状对这种冲刷引起的荷载重新分布的控制作用，并将相关的机理转变转化为适用于初步工程评估的承载力框架。

冲刷效应不仅对基础施加额外荷载，还由于海底地形、流体力学与波浪作用之间的复杂相互作用而侵蚀周边海床土体。这一过程改变了浅层土体的应力条件，有效地降低了基础的埋深，从而削弱其承载力[10]。与其他深基础（如单桩）相比，桶形基础在抵御冲刷对承载力和结构稳定性的不利影响方面表现出更优的性能[11,12]。已有若干研究强调，研究吸力桶基础在冲刷影响下的行为对于确保海洋结构物在复杂恶劣海洋环境中的长期稳定性和安全性至关重要[10,[13],[14],[15]]。

鉴于软黏土、细砂和含粉砂在海床中的普遍分布，研究其应力响应对于海洋基础设施的开发具有重要意义[16]。含粉砂条件在东亚福建海峡和南海近海区域尤为常见[[17],[18],[19]]。若未在基础设计中充分考虑这些土体条件，将可能造成严重的安全风险。目前关于冲刷对承载力性能影响的研究主要集中在单桩和传统桶形基础上，对混合裙边基础体系的探索较为有限。现有的冲刷后单调承载力研究大多集中在桩基础[[20],[21],[22],[23],[24]]上。对于吸力桶基础，Yu等[25]通过模型试验评估了含粉砂中组合桶形基础受冲刷的影响。Chen等[11]研究了冲刷及波浪循环荷载作用下砂土中沉箱的稳定性。Liu等[12,14]研究了冲刷后沉箱的抗拔和侧向承载力。Chen等[10]进行了模型试验，研究不同冲刷条件下的水平承载力，Zhu等[26]则研究了冲刷深度和应力历史对竖向承载力的影响。此外，考虑冲刷作用下混合裙边基础的V-H-M组合承载力的研究仍然有限。Zhao等[27]对均质土中组合荷载下的冲刷影响进行了数值分析。Guo等[28]研究了冲刷后非均质黏土中沉箱的V-H-M行为。Zou等[29]研究了组合V-H-M荷载下复合单桩的冲刷形态及其对承载力的影响。

为弥补上述不足，本研究探讨了混合裙边基础在含粉砂中各种冲刷条件下的性能表现，考虑了竖向、水平及弯矩（V-H-M）组合荷载的相互作用。特别关注冲刷坑深度和几何形态对应力重新分布和基础性能的影响。通过一系列有限元模拟来量化不同冲刷场景的影响。研究结果可为混合裙边基础在易发生局部冲刷的海洋环境中的设计与应用提供有价值的参考。

部分片段

有限元模型详情

本研究采用有限元分析软件ABAQUS，通过建立基础-土体相互作用的三维模型来研究混合裙边基础的承载力。混合裙边基础的尺寸由内桶直径（Dm和Dc）和外桶直径（Dc）以及各自的长度（dm和dc）定义，如图2所示。对于传统单桶基础，过大的长径比可能导致因吸力

不同冲刷条件下的失效机理

图6详细对比了不同冲刷深度（S/dc）下，竖向、水平和弯矩荷载作用下混合裙边基础的失效机理和土体流动模式。如图6(a)所示，当施加竖向荷载时，土体位移逐渐分布，土体阻力均匀调动。上部裙板及内桶下方的土体受压并发生塑性变形。在不存在冲刷坑的情况下，土体结构保持

结论

本研究系统考察了混合裙边基础在含粉砂中不同冲刷条件下的承载力和失效机理，重点关注了冲刷深度（S/dc）、冲刷角度（φsc）、相对密度及预加竖向荷载比（V/V0）在单轴和双向荷载下的影响。结果表明，冲刷深度增加会显著降低基础的承载力——特别是在水平和弯矩荷载作用下尤为明显。

符号说明

本文中使用的符号如下：

Am——裙板面积
A——桶形基础面积
D——桶形基础直径
Dm——裙板直径
L——桶形基础长度
dm——裙板长度
Dc——内桶直径
dc——内桶长度
t——基础厚度
c——含粉砂的黏聚力
φ——摩擦角
ψ——膨胀角
φ'i——初始摩擦角
φ'cv——临界摩擦角
φ'p——峰值摩擦角
ψp——峰值膨胀角
ξp——峰值塑性应变
ξcv——临界塑性应变
φsc——冲刷角
S——冲刷

CRediT作者贡献声明

程浩佳：写作——审稿与编辑，写作——原始草稿，方法论，调查研究，形式分析，数据管理
曾超：写作——审稿与编辑，项目管理
赵伦扬：写作——审稿与编辑，项目管理
周米：写作——审稿与编辑，经费获取，概念化
牛福君：写作——审稿与编辑
杨宁鑫：写作——审稿与编辑

利益冲突声明

作者声明，不存在可能影响本文研究的已知经济利益冲突或个人关系。

致谢

前三位作者得到了国家自然科学基金（编号42276213）及中央高校基本科研业务费（2023ZYGXZR028）的资助。

程浩佳|曾超|赵伦扬|周米|牛福君|杨宁鑫