单向流作用下黏土中单桩基础冲刷试验研究 - 声学多普勒流速仪(ADV)

摘 要：

' W% c# a" P) `. R# x" U7 x6 X2 p8 r

我国东南海域广泛分布黏土海床，针对单向流作用下黏土海床中单桩基础的局部冲刷问题，开展了5组不同水深和流速的室内水槽试验，并通过在模型桩内布设摄像头，实时监测捕捉桩周冲刷深度随时间的变化特征，分析黏土中单桩局部冲刷发展规律。结果表明：黏土冲刷的稳定时间与砂土冲刷相类似，冲刷坑的形状发展也较为相似，但是黏土海床冲刷坑的底部边界相对粗糙，这主要是由于黏土黏聚力所致；随着桩前入射流速的逐渐增加，桩周最大冲刷点的位置呈现出从桩侧向桩后发展的趋势；当水深和入射流速较大时，水流除了在桩周形成大范围的冲刷浅坑之外，还会在桩后1倍桩径(1D)处形成直径大约为1D的冲刷深坑；冲刷深坑的边界会延伸到单桩桩周，致使部分埋置桩身暴露，这很可能导致桩基承载力的降低。

关键词：

黏土;单桩;单向流;图像分析;冲刷深度;

作者简介：

刘珊(1982—),女，讲师，硕士，研究方向为水利工程、建筑工程管理。

2 c! N0 E5 P9 g4 C, t6 m

基金：

浙江省水利厅科技计划项目(RC2063);

0 O; P3 g5 X: E, J3 K, f* X y

国家自然科学基金资助项目(51779220);

" U7 r6 _8 n: q% y- `4 t/ W( D

引用：

* ~( d2 F6 z3 t6 {7 O

刘珊, 刘浩晨. 单向流作用下黏土中单桩基础冲刷试验研究[J]. 水利水电技术(中英文), 2022, 53(1): 91- 103.

6 [8 `- e0 n* s4 h3 _

LIU Shan, LIU Haochen. Experimental study on scouring of monopile foundation in clay under unidirectional flow effect[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2022, 53(1): 91- 103

/ g2 N7 M, z, n ^8 D

0 引 言

在海洋动力环境中，桩基础的局部冲刷问题严重威胁着海洋结构物的稳定与安全。桩体结构的存在阻碍并改变了原有的流场条件，水流不断冲击桩体表面，形成桩前下降水流、桩侧马蹄涡和后方尾涡。当海床表面土体无法抵抗水流作用在其上的切应力和吸应力时，土体颗粒将会被带起处于悬浮状态，而桩侧流线收缩和桩后尾涡的不断发放将土体颗粒快速带走(见图1)。随着桩周冲刷坑深度增加，由于遮蔽效应，冲刷坑底部流速大幅减小，当流速不足以使土体颗粒起动时，冲刷坑停止发展，即局部冲刷达到稳定。

3 D6 z; C$ s- Y8 g* s: `

图1 桩基础周围的流场特征

2 ~4 O& Q1 V0 }6 r1 e3 m6 Y- D& ]

单桩基础周围土体的局部冲刷特征与水深、流速、桩径、土体性质等多个因素密切相关。在海洋动力环境中，长周期的潮汐、洋流等引发的水体单向流动是单桩基础承受的最常见的水流条件。因此，单向流作用下单桩基础的局部冲刷问题也往往是学术界、工程界所关注的最基本的工程问题。MELVILLE等、BREUSERS等、SHEN等、马丽丽等针对在单向流作用下砂土中桩基的冲刷特性开展了深入而细致研究。国振等、李凯等开展系统数值计算，分析阐明了水流作用下渗流诱发的颗粒起动、侵蚀等的内在机制。我国江苏、浙江等近海海域广泛分布着黏土海床，在此类海床上开展海洋工程建设必须考虑黏土冲刷问题。与砂土海床相比，黏土海床的土体颗粒细小、渗透性差、颗粒容重小。更为重要的是，黏土颗粒间存在不可忽视的黏聚力作用，这导致其在水流作用下的局部冲刷特性显著区别于砂土海床。

! i! c4 b' j5 q' M

目前，国内外对于黏土海床的局部冲刷问题的研究还较少。其中，沙玉清、窦国仁、唐存本等综合考虑颗粒重力和黏聚力，初步提出了新淤黏土的起动流速计算公式；DUNN提出了黏性土的抗冲刷能力和黏聚力有关的观点。万兆惠等、黄岁梁等、洪大林等对黏土起动特性研究后发现，黏土冲刷所涉及的影响因素很多，远比砂土复杂，大致可概括为物理指标(塑性指数、含水量、密度、颗粒级配等)、土力学指标(黏聚力和抗剪强度等)、化学特性(含盐量、pH值等)等因素。毛宁指出，相比砂土颗粒起动时床面切应力占主导作用，而吸应力是黏土起动破坏的主导因素，黏土的外在破坏特征为瞬间破坏。已有研究大多还仅限于黏土的基本冲刷特征，而对于黏土中单桩基础的局部冲刷特征与规律还缺少认知。

) j4 T$ b' J) A. e: I+ h- Z, {% [

鉴于此，本文开展了不同水深和流速条件下的冲刷试验研究，研究发现：黏土冲刷的稳定时间与砂土冲刷相类似，冲刷坑形状也较为相似，但是冲刷坑底部边界更加粗糙；随着桩前入射流速的增加，桩周最大冲刷点的位置呈现出从桩侧向桩后发展的趋势；当入射流速较大时，水流除在桩周形成大范围的冲刷浅坑外，还会在桩后约1倍桩径(1D)处形成直径1D的深坑，这可能导致桩基承载力降低。

1 试验设置

1.1 模型试验水槽

如图2所示，本试验在浙江大学多功能波流水槽中进行，该水槽长69.0 m, 宽1.2 m, 高1.6 m。水槽两侧壁为净高1.5 m的透明钢化玻璃，其底部为平整的水泥底面，中间为长3 m、宽0.8 m、深0.4 m的冲刷池。水槽的造流系统为德国SIEMENS公司制造的MICROMASTER 440变频系统，最大流速可达0.6 m/s。

; y9 {' X9 B) i% [! A X7 i. f# |

S% S. M' y1 ^# [- M9 g

图2 黏土中单桩基础冲刷试验

* A3 N4 N) w$ Y4 R7 @( W" {

8 F# O8 t0 Y" O! ]. U7 i4 _& G

1.2 试验用土

试验所用粉质黏土取自浙江大学紫金港校区西侧开挖深处约7 m的基坑。土体颗粒相对密度为2.72,平均有效容重为5.27 kN/m3,土体含水率为36%～39%,液限wL为48,塑限wp为25,塑性指数Ip为23。测得黏粒含量(d<0.005 mm)为35%,粉粒含量(0.005 mm<d<0.075 mm)为64%,砂粒含量(d≥0.075 mm)为1%,颗粒级配曲线如图3所示。

图3 黏土颗粒级配曲线

1.3 试验相似比尺与摄像头标定

% @3 F3 H4 H& p7 L) ^2 f$ N! i4 F

在进行水槽模型试验时，需根据相似理论满足水流运动相似和泥沙运动相似。在单桩局部冲刷过程中，流速的垂线分布及水流结构变化对土体颗粒启动、沉降有较大影响。凡是冲刷坑存在的地方，都存在平轴环流及相应的向上回流，这种向上水流是决定冲刷坑形态及大小的重要因素之一，冲刷坑中水流流速的大小和方向沿程发生急剧变化，缩尺模型在铅直方向的水流运动很难做到完全相似。本试验研究针对某跨海桥梁工程，其桥墩单根桩基的直径为2.8 m。为在试验过程能真实反映附近水流流态及局部冲淤变形与原型相似，本文试验综合重力相似、水流连续相似、几何相似，各个相似比尺的具体设定值如表1所列。

* W, w6 ?2 W9 X7 a

本试验所用模型桩为底部密封的圆筒形有机透明玻璃管，管长1.3 m, 壁厚5 mm, 外径D为11 cm。试验水槽宽度B为1.2 m, 桩径与水槽宽度比D/B=0.092<0.1,水槽边壁对于桩周流场的影响可以忽略。

如图4所示，为了实时捕捉桩周冲深的变化，试验前在模型桩内安装摄像头。摄像头竖直向下，镜头与桩中心对齐。将带有刻度的黑白条纹的标定纸[见图4(c)]包裹在模型桩外侧，从摄像头中可以得到如图4(b)所示的标定图像。圆形条纹与摄像头的垂直距离越远，摄像头拍摄到的圆环越小，拍摄图像中圆环的像素半径R也越小，因此其对应的桩周冲刷深度St越大[见图5(a)]。通过标定，可以得到摄像头拍摄的圆环像素半径与桩周冲刷深度的多项式拟合关系。由于试验过程中，埋置入土的模型桩不透光，因此摄像头拍摄的图像为内部全黑的不规则圆形，随着桩周冲刷深度的增加，黑色边界逐渐缩小[见图5(b)]。

图4 模型桩布置及标定示意

" [$ T* e; b; ^% L: p

图5 单桩周围的冲刷深度变化

2 C( z8 Z; U0 @0 M9 W

& U7 J7 x1 `4 w0 r: M' Q2 B

试验结束后，利用MATLAB软件对摄像头拍摄的冲刷视频进行处理，捕捉黑色图像边界的实时变化情况，得到黑色图像边界的像素半径，采用像素半径与桩周冲刷深度的拟合多项式，即可快速计算得到桩周最大冲刷深度、最小冲刷深度、平均冲刷深度和方位角实时变化值。

1.4 水槽试验安排

$ a) Q1 Q( a0 F: @& }; _

本文一共进行了5组试验，试验参数如表2所列。试验中采用声学多普勒点式流速仪(ADV)测量入射流速。为了减小对桩周流场的干扰，将流速仪置于桩前3 m处，距离底床0.15 m。水深为0.3 m和0.5 m, 测得流速分别为0.38 m/s、0.48 m/s、0.58 m/s。随着试验的进行，当观测到桩周边界不发生明显变化，即1 h内变化幅度小于0.01D(0.11 cm)后，即认为局部冲刷达到稳定阶段，此时可停止试验。

2 试验结果与分析

2.1 单桩桩周黏土局部冲刷特征

孙宁松指出，在定常流作用下，依据流速不同桩周砂土的冲刷坑形状可以分为三种：(1)流速较小时，冲刷坑形状为马蹄形；(2)随着流速增大，冲刷坑的形状由马蹄形过渡为近似圆形；(3)流速继续增大，冲刷坑形状演化为梨形或倒圆锥形。冲刷坑的分布范围为桩直径的2～4倍。本文研究发现，黏土的冲刷坑形状变化也有类似的特征。流速较低时，仅桩后的表层软弱黏土被冲走；当流速增大到足够带走桩周土体时，桩周冲刷坑形状依次向马蹄形、圆形发展，但是冲刷坑的底部边界更加粗糙。以下针对试验结果进行分析。

& |8 e/ y: {: M; R

2.1.1 工况1(水深30 cm、流速0.38 m/s)

本文将冲深比定义为桩周土体的冲刷深度与桩径的比值，即S/D。图6展示了水深30 cm、流速0.38 m/s工况下桩周冲深比S/D随时间变化的情况。图6(a)为极坐标，角度为桩周方位角，极径为冲深比S/D,水流从右向左侧流动，故方向角度沿逆时针方向取正值。不同颜色的闭合曲线代表了不同时刻的冲深比S/D。冲深比S/D为正，表示土体被冲刷，桩周土体的高度减小；冲深比S/D为负，表示土体淤积，桩周土体的高度增加。其他工况下的桩周边界变化图示方法同上。

* n8 [, { |% l

图6 工况1下S/D随时间变化的情况

- H" X+ e$ w: V/ [

如图6所示，在此工况下，桩前区域土体无明显变化，桩侧部分土体被剥蚀，桩土之间有些许小缝隙。在桩体90°～270°范围内，距离桩中约1.5D处表面软弱土体被剥蚀。在桩周150°～210°处略有土体淤积，说明此处的流场条件仅能带走软弱表层土，在桩后因为流速较低而沉积，形成桩后土体淤积的现象。

2.1.2 工况2(水深30 cm、流速0.48 m/s)

8 N0 i8 F1 y/ E0 L, M" k! V1 M

如图7所示可以发现，水深为30 cm时，虽然流速从0.38 m/s增加到0.48 m/s, 但桩前土体仍然无明显变化，仅桩侧及桩后土体冲刷程度明显增加，其中在桩周(60°～150°)处的冲刷深度最大，与视频图像处理获取的结果相符。距离桩中1D以后的桩后表面土体被大量剥蚀，形成了约20 cm×30 cm的不规则剥蚀区域，说明流速增加到0.48 m/s后，桩周流线的收缩和尾涡的产生对桩周土体的冲刷有重要影响。此外，对比桩两侧的冲刷深度，可以发现，桩周土体的冲刷呈现出明显的非对称性。

1 u" }* N0 r) Y1 o, U9 a

图7 工况2下S/D随时间变化的情况

( t. B8 {, a8 }$ t; y5 R

2.1.3 工况3(水深50 cm、流速0.38 m/s)

/ M1 q( R3 Q' Q( m6 s! e7 B _9 N- Q

如图8所示，与工况1相比，当水深增加到50 cm时，虽然在相同深度时流速相同，但由于水深更深，所形成的马蹄涡能量更大，冲刷现象变得更加显著。桩前的冲刷深度明显增加，在桩体与桩前土形成了约2 cm的沟槽。桩周(60°～300°)土体发生成层剥蚀的现象，并且桩周区域与土体间隙宽度约5 mm。桩周(330°～120°)冲刷深度最大，不同于工况1仅表层土体被剥蚀，此时桩后被剥蚀土体范围更大，深度更深，桩左(-120°～90°)约0.5D处有一整块土体被剥蚀。水深增加后，下冲水流速度增加，形成的马蹄涡也开始带走桩前土体，桩前、桩后的冲刷坑开始大于桩侧冲刷坑，冲刷坑形状呈现马蹄形。

( c% N9 n7 c% M" Y" O( p5 F

8 M, z- _+ H2 j* Z5 q

图8 工况3下S/D随时间变化的情况

6 Q+ t1 ?1 R5 H& n) f7 ]. z- v" w

1 c3 r/ J" |& {, y

2.1.4 工况4(水深50 cm、流速0.48 m/s)

; O' J* _* e8 M( |$ o

如图9所示，当水深增加到50 cm, 流速增加到0.48 m/s后，因为涡流强度增加，使得桩周土体冲深明显增加，影响范围也更大。最大冲刷点集中在桩周(270°～60°)范围内，在桩周(90°～150°,210°～270°)范围内的冲深最小。在桩后距离桩中约1D处有一直径约为1D的深坑，虽然深坑与桩体中间仍有一些土体未被带走，只是桩后冲深S/D小于桩前冲深，但是暴露出部分桩体，这可能导致桩基承载力降低，在马丽丽等进行的单向流作用下砂土中桩周冲刷试验未发现此现象。在桩周(240°～-300°)外，有一块黏土仍然残留在原地，桩前和桩后的冲刷坑发展迅速。可以认为，此时的桩后尾涡和桩前马蹄涡取代桩侧的流线收缩成为主要的冲刷影响因素，冲刷坑的整体形状也呈现从马蹄形向圆形发展的趋势。

图9 工况4下S/D随时间变化的情况

2 J" f! i$ T c6 A

2.1.5 工况5(水深50 cm、流速0.58 m/s)

- g6 \8 B; e) W& I8 v

如图10所示可以看出，流速增加到0.58 m/s, 冲刷范围影响进一步增大。以桩中为圆心，半径为2D、深0.6D区域的黏土几乎全部被水流带走，桩后(150°～300°),距离1D处形成了直径1D的深坑，部分桩体暴露出来，同工况4相比，因为桩后的冲刷坑深度更大，暴露出的桩体深度更大，因而桩后的冲刷坑深度大于桩前。结合其他工况，可以认为在此流速下的桩周土体的冲刷中，桩后尾涡的形成和脱落起主导作用，进而可以得出桩周的流线收缩、下降水流形成的马蹄涡和桩周尾涡在随着入射流速的增加的过程中，依次对黏土的冲刷起主导作用。

, e$ j$ W. x" x

图10 工况5下S/D随时间变化的情况

# s3 @3 t! L% \5 L0 R' S; ?- h

' x# ~' l2 w: S, G& I

2.2 桩周最大、最小、平均冲深比特征

( u3 [; c L/ l- U: W

图11为桩周的最大、最小、平均冲深比随时间变化特征。表3为5种工况下的桩周最大、最小、平均冲深比随时间的变化情况。从图6和表3可以发现：当水深为30 cm时，虽然工况1和2的流速分别为0.38 m/s、0.48 m/s, 但是最大冲深比却很小，仅为0.04左右，桩周还有部分土体没有被带走。从实际冲刷图中看出，工况1、工况2桩周土体的冲刷情况基本相似，这与图11和表3结果相符。当水深增加到50 cm后，随着流速的增加，桩周的冲深明显增加，稳定后的最大冲深比分别为0.146、0.562、0.870,稳定后的最小冲深比分别为0、0.250、0.500,稳定后的平均冲深比分别为0.107、0.470、0.690。说明此水深条件下，桩周涡流的强度已足够带走桩周土体。

图11 桩周冲深比随时间变化

/ i8 X) J0 I4 j: `6 X k2 Q

2 h( h+ M$ v3 ?2 p- Y9 g

从工况1和工况3、工况2和工况4可知，当某点的流速确定后，水深越大，水流的涡流强度越大，对于桩周土体的冲刷影响也越大。从桩周平均冲刷深度看，不同工况条件下，10 h后桩周平均冲深比基本稳定，20 h已冲刷完全，冲刷坑的形状不再发生变化，这和马丽丽研究的砂土试验时间相似，只是冲刷坑边界更加粗糙，这是因为黏土黏聚力的影响，因此不会像砂土一样，由于水下休止角而出现相对平整的沙坡面。在前10 h内，工况3的最小冲刷深度为负值，说明虽然水深增加到50 cm后，桩前部分软弱土体被水流冲走，但由于流速较低，部分黏土附着在桩上或桩周淤积，因而出现桩周最小冲刷深度为负值的现象。

从整体上看，冲深的前期占比较大，随着时间发展，冲深的发展速度逐渐减小，到20 h时已基本冲刷完成。水深相同时，随着流速的增加，前1 h内的冲刷占比也呈现增加的趋势，这是因为随着流速的增加，表层的软弱土体被迅速带走。但是，后期增加速度有所降低，这是由于前期冲刷过大降低了水流作用。

2.3 桩周最大、最小冲深方位角特征

图12为在冲刷过程中，桩周最大、最小冲深方位角变化。从整体上看，桩周最大、最小冲深的方位角基本稳定在某一数值，仅冲刷初期，工况5出现了最大冲深方位角离散变化的现象。各工况下冲刷稳定后的最大、最小冲深方位角可由表4得到。

) R- i/ z/ D1 S8 s9 ~) @, U+ U

图12 桩周冲刷深度方位角随时间变化

6 X7 K5 p$ M$ R3 S

不同工况下的最大冲深方位角离散分布，在-50°～160°均有分布。由此可见，流速较低时，桩周因流线收缩造成的流速增加对桩周的冲刷作用比较明显，最大冲刷点集中在桩侧；随着流速的继续增加，桩后的尾涡形成和脱落对于最大冲深的影响起主导作用，最大冲刷点向桩后发展。而最小冲深方位角则主要集中在-160°～130°之间，这可能与此处流速较小有关。

7 K3 j% I- I a a, ]- w1 J$ h

3 结 论

$ ^. s, h/ B. N) C

本文针对单向流作用下黏土中单桩基础的局部冲刷问题，在透明模型桩内安装摄像头来实时监测桩周冲刷深度变化，进行了5组不同水深、不同流速下的试验，获得了桩周的最大冲刷深度、最小冲刷深度和平均冲刷深度和方位角随时间的变化，主要得到了以下结论：

(1)冲刷流速达到黏土起动流速后，桩周土体在马蹄涡和尾涡作用下迅速被卷起，桩周在较短时间内形成冲刷坑，冲刷坑减小了下冲水流的强度，使得后期冲刷速度降低，整体冲刷稳定时间与砂土类似。

) {; o# g; G# s4 Q7 a" M

(2)当水深确定时，随着流速的增加，最大冲刷点有从桩侧向桩后发展的趋势。

(3)当入射流速未达到黏土的起动流速时，桩后尾涡仅带走底床表面的软弱土体，形成斑驳的冲坑。当尾涡流速超过起动流速后，尾涡在桩体正后方后约1D处形成了直径约1D的深坑。

2 X7 I7 |( F& s: L: A3 D

(4)流速越快，水深越大，涡流的强度越大，对单桩基础周围黏土的冲刷影响范围和深度也越大。

0 c( \$ A# m9 ?3 k, Q: V

水利水电技术（中英文）

水利部《水利水电技术（中英文）》杂志是中国水利水电行业的综合性技术期刊（月刊），为全国中文核心期刊，面向国内外公开发行。本刊以介绍我国水资源的开发、利用、治理、配置、节约和保护，以及水利水电工程的勘测、设计、施工、运行管理和科学研究等方面的技术经验为主，同时也报道国外的先进技术。期刊主要栏目有:水文水资源、水工建筑、工程施工、工程基础、水力学、机电技术、泥沙研究、水环境与水生态、运行管理、试验研究、工程地质、金属结构、水利经济、水利规划、防汛抗旱、建设管理、新能源、城市水利、农村水利、水土保持、水库移民、水利现代化、国际水利等。

/ m+ k# a: |6 b l0 t/ Q ) G8 M( q, l' T$ ?8 O& w% H + x! e& I. n6 r4 Z6 Z) l3 r) }! E