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提升岩土工程抵御自然灾害或人为因素引发严重灾害并最大程度保持其功能，以及在灾后尽快恢复其功能的韧性性能，是岩土工程未来支撑城镇、流域、海洋可持续发展的基石。因此，岩土工程韧性提升理论与技术的发展已经成为一个重要议题。 ' Y6 E* U9 i( s1 k# m
《岩土工程学报》青年论坛，分专题组织岩土界青年学者的成果报道和学术演讲报告。《岩土工程学报》青年论坛第七专题：岩土工程韧性提升，专题召集人为清华大学水利系特别研究员、土木水利学院党委副书记王睿编委，本专题共包括十二个学术报告，今天推出报告十，主讲报告人为中国科学院力学研究所漆文刚副研究员。 ) e4 z5 k0 J6 ^1 j* Y6 Y. ?
附：第7专题：岩土工程韧性提升各报告题目及报告人
5 n O% v5 O4 J 1.仉文岗，重庆大学，地下水位变动下隧道韧性模型实验研究
h7 x) K, f/ N3 w 2.赵密，北京工业大学，土-结构相互作用抗震分析方法新进展
' B+ [& C. E& p. k1 p 3.庄妍，东南大学，基于交通结构沉降控制的安定理论及分析方法研究
& W1 ^- I/ ^2 G. C$ w; F3 u& A8 W: k 4.郭林，温州大学，交通荷载下软土地基长期沉降分析和控制方法 7 L: P% y$ ^" I. I6 Z* S' t/ s8 o
5.童立红，华东交通大学，无粘性土的动力软化机理及高阶非局部本构在路基动力响应中 的应用 2 |: W9 C* v2 H: e& J; C/ Z- @
6.周海祚，天津大学，基坑倾斜桩支护的桩-土相互作用及其应用 ) f3 Y9 S/ C9 u
7.穆彦虎，中国科学院西北生态环境资源研究院，“电力天路”青藏直流联网工程中的冻土桩基问题 2 C! `7 ?7 W4 U, v9 z) J( j
8.周墨臻，北京交通大学，高土石坝界面非连续变形模拟及多体相互作用机理探讨 : r r) b1 M) ?- ^+ k- n% F: B3 B5 L( o
9.洪义，浙江大学，含浅层气软土工程灾变机制及韧性提升 0 Y3 [) p; g9 ^+ b1 `
10.漆文刚，中国科学院力学研究所，海上风机大直径单桩基础局部冲刷：预测、机理、影响
& `8 ?, y: ]# b/ `' \* K 11.俞剑，同济大学，海上风电大直径钢管桩基础水平受荷承载特性
3 w1 q8 ?1 e* v% w8 i) S 12.关云飞，南京水利科学研究院，波浪荷载下桶式基础防波堤稳定特性与韧性提升 ' \* D. P" o# w4 E5 ]7 d
海上风机大直径单桩基础局部冲刷：预测、机理、影响 # f: s8 e& k! T R8 u6 ?8 n
漆文刚
) O q; u* B% F* P （中国科学院力学研究所） 9 _# r2 j+ W+ _2 q4 j1 }
作者简介：
& p! G6 ?5 _3 P) C 漆文刚，男，1989年生，甘肃天水人。中国科学院力学研究所副研究员，中国科学院青年创新促进会会员。国际海洋与极地工程学会（ISOPE）技术理事会成员（TPC Member），《力学与实践》青年编委。从事海洋流固土耦合力学方面的研究工作，研究内容主要包括波流-结构-海床相互作用（涉及桩基冲刷、海床液化、海底管道在位稳定性等）及深海土的工程力学特性。目前主持国家自然基金面上项目等课题4项。在《Geotechnique》、《CoastalEngineering》、《Physics of Fluids》、《Ocean Engineering》、《中国科学: 物理学 力学 天文学》《海洋工程》等学术期刊发表论文20余篇，单篇论文最高引用逾百次。
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1. 研究背景
1 v$ f4 v: G4 w& t7 n8 B$ {$ |7 h 我国近海区域风能储量巨大，其具有储量丰富、能量密度大、临近经济发达区域、不占用陆上耕地资源以及对自然环境影响小等优势，是一类重要的可再生能源。与陆上风机相比，海上风机的单机容量一般较大，整体高度可达200米，使得海上风机成为典型的高耸结构。由于风浪流等荷载的作用，海上风机承受巨大的水平力和弯矩荷载作用，对海上风机基础的设计提出了非常苛刻的要求。同时，海上风机基础的制造和安装费用占工程总成本的20%~35%。如何在风机基础的安全性与经济性之间进行科学的评价和平衡，具有重大的实际工程意义。 2 M" }5 N2 ^5 M0 {8 @- q- ~0 z8 n0 A
大直径单桩基础是海上风机最为常用的基础型式，占到全球已建成海上风机基础的70%以上。大直径单桩基础通常用于30米以浅的水深条件，具有结构型式简单、设计与制造简便以及施工较为方便等优点。但由于服役水深较浅，波浪和海流的作用会对桩基形成较大的水动力荷载，同时诱导海床土体产生孔隙水压响应和局部冲刷，而桩基在承载过程中又会与海床土体发生相互作用。因此，海洋环境中的桩基承载涉及“流体-桩基-海床土体”之间的相互作用，是一个典型的流固土耦合问题。当前，海上风机呈现出显著的大型化发展趋势，作为风机基础的单桩需要承受更大的风浪流荷载作用，局部冲刷的影响也会进一步加剧。在海上风机单桩基础承载分析中，需要对局部冲刷这一典型的流固土耦合过程进行分析，合理评价其影响。 1 C( N$ s- ~+ I1 T% e! X/ D3 ^
! j8 [( X; n. o4 U( S 图1 全球海上风电累计装机容量增长趋势
7 T4 A/ G" l3 X3 {* v+ l. L$ B2 C （全球风能理事会《2020全球海上风电报告》）
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图2 海上风机单机容量及尺寸的发展
' L! Q% D, P! |2 @. w& Q 2.波流共同作用下的大直径单桩基础冲刷深度预测 5 |) x( h- O6 G2 \+ J
大直径单桩基础极限平衡冲刷深度的预测是工程界关注的一个核心问题。当波浪与水流共存时，波浪较强的掀砂能力和水流较强的输砂能力使得桩基周围的冲刷更为剧烈。当前的DNVGL国际规范当中，冲刷深度的预测仍采用Sumer et al. (1992)提出的经验公式(动床条件)
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其中S是桩基极限平衡冲刷深度，D为单桩直径；KC数的定义为KC=UwmT/D，其中Uwm为波浪诱导的床面附近水质点流速幅值，T为波浪周期。上式仅适用于单独波浪作用和大KC数（对应小直径单桩）条件，且试验点的分布较为离散，公式预测精度较低（见图3）。 - P% Z7 n( Q9 k" L: B, s. r( T) `% k
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图3 波浪单独作用下桩基冲刷深度与KC数的关系(Sumer et al., 1992)
* y( F* m% y8 u. ?: _ 针对波流共同作用下大直径单桩基础（对应小KC数条件）的冲刷深度预测问题，基于相似准则开展了系统的水槽模型试验，对比了不同波流工况下的冲刷发展规律。基于量纲分析和对冲刷动力过程的机理分析，研究了KC数、波浪水流流速比Ucw等关键无量纲参数对极限平衡冲刷深度的影响。建立了桩基极限平衡冲刷深度与基于1/4波浪周期平均流速的Froude数(Fra)之间的关系式（见图4），基于Fra所得的极限平衡冲深预测结果误差约在25%以内，可为桩基冲刷深度的预测提供参考。
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图4 冲刷深度与Fra关系曲线 # }9 J% k" _8 [: Y
3. 桩基局部冲刷机理初探：马蹄涡湍动特性分析 ) \( K8 m8 O6 y5 j2 @! n/ B, ^
桩基在水流作用下可能在桩基周围形成马蹄涡(horseshoe vortex)、尾迹涡(wake vortex)等流场结构。马蹄涡会与海床表层土颗粒发生强烈的动力相互作用，增大局部床面剪应力，使得土体颗粒起动并发生输移；而尾迹涡则会在局部形成负压区，使得下方土颗粒更容易起动而发生运移。已有的试验结果表明，马蹄涡(以及桩基迎流侧的向下水流)对水流单独作用时的冲刷发展起主导作用。利用PIV测试技术，在流固土耦合波流水槽中对水流作用下圆柱桩基前缘流场中马蹄涡的时空演化特征进行了测量。基于实验测得的速度场，计算获得了流场中各点的旋流强度和涡量，获得了流场内雷诺应力、湍动能的分布。对实验数据进行统计分析，以表征马蹄涡强度的时空演变。发现时均流场的归一化马蹄涡强度随着圆柱直径与水深之比的增大先增大，然后趋于一个恒定值。瞬时马蹄涡的准周期振荡行为呈现出两种交替模式：规则振荡和随机游走（见图5）。归一化瞬时马蹄涡强度的累积分布曲线可以用Weibull分布来描述。获得的马蹄涡时空演变的定量表征相关信息，对预测马蹄涡诱导的壁面剪应力及揭示桩基局部冲刷机理和冲刷防护设计具有指导意义。
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2 u3 i3 F5 m# J1 Y/ R+ } 图5 马蹄涡的典型时空演化过程
+ I8 n! g# i/ W& c, f' ?0 z3 r 4.局部冲刷对大直径单桩基础承载力的影响
6 ], ^1 K5 \9 j3 `0 a9 d 局部冲刷会导致桩基有效埋深的减小和荷载偏心距的增大，从而削弱桩基的水平承载能力。p-y曲线法概念清晰且简洁实用，已被API和DNVGL等国际通用规范所采纳。在鼓式离心机中对桩基水平承载的冲刷效应进行了研究，发现整体冲刷仅导致桩基埋深减小和荷载偏心距增大，而由于浅层土体基本能够完全回弹，因此冲刷所导致的剩余土体的超固结效应对p-y曲线几乎没有影响。局部冲刷不仅导致桩基埋深减小和荷载偏心距增大，而且对p-y曲线有非常显著的影响。整体冲刷与局部冲刷截然不同的影响说明冲刷坑形状对于评价冲刷效应具有至关重要的作用，仅仅将冲刷深度以内的土体整层剥离来考虑冲刷对桩基水平承载的影响，所得结果会过于保守。基于试验结果提出了土体有效深度的概念，用于考虑冲刷对桩土相互作用p-y曲线的影响。这种p-y曲线的修正计算方法能够给出冲刷对桩基水平响应的合理估计。 6 E; w, m# C G; ?6 B2 r% z
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图6 考虑冲刷效应的土体有效深度概念
6 b: A. e3 F+ m2 t* L 5. 结论与展望
! a+ J6 D9 m9 J- g1 v Y! M: a3 i 大直径单桩是近岸固定式海上风机最为常用的基础型式，波流荷载诱导的局部冲刷可显著弱化其承载能力，威胁风机整体安全。通过流固土耦合水槽试验和土工离心机模拟，得到了波流共同作用下大直径单桩基础极限平衡冲刷深度的变化规律，揭示了控制局部冲刷的流场结构典型时空演化特征，提出了考虑冲刷效应的桩基承载力分析方法。在现有研究基础上，还可以进一步开展如下几方面的研究工作： 7 o) v4 o# I; g/ N. t
（1）粘性底质海床在我国近海分布广泛，粘土海床中的大直径单桩基础局部冲刷规律尚有待系统分析。
. {, i8 v8 G/ H' B$ O" i$ s （2）已有工程实践中广泛采用的抗冲刷措施（包括抛石、沙被等）易发生失效破坏，结合桩基局部流场调控机理，研发具备强环境适应性、易施工、低成本的综合防冲刷措施，具有重要的工程价值。 1 t4 x. h r( j& @2 A" m) N
（3）冲刷对风机基础全寿命周期内的力学响应影响规律，有待进一步揭示。
: y9 N5 F+ s8 U/ J: ]# a （4）一些新型复合单桩基础可显著提升承载能力，但冲刷、液化等流固土耦合效应的影响机理和规律尚需要进一步探究。 * J; B. Z9 P2 M0 p0 w3 Y
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