关于不同排列方式的外套结构周围波浪引起的海底响应的实验研究

《Ocean Engineering》：Experimental study of wave-induced seabed response around a jacket structure with different arrangements

本研究通过水槽实验分析不同波浪条件和结构排列对 jacket 基础周围海床孔隙水压力分布的影响，揭示了孔隙压力的非对称分布、结构角度对幅值的影响及不对称排列增大的液化潜力。

　　

刘成林|崔婷婷|陈浩|张继生

河海大学港口、海岸与海洋工程学院，南京，210098，中国

摘要

由瞬态液化引起的海床响应和不稳定现象对海岸工程师和研究人员来说是一个重大问题，这可能威胁到海上结构（如风力涡轮机基础）的安全。近年来，由于其较大的承载能力和抗风险性能，套管基础已成为最常用的海上桩基形式。本研究在波浪水槽中对套管基础周围的海床响应进行了实验研究。共进行了14组实验，以分析不同加载条件下的孔隙压力变化。同时，还分析了波浪条件和结构布置对孔隙压力分布的影响。实验结果表明：（1）桩体上游和下游侧的孔隙压力分布不同，套管两端的差异明显，而两侧桩体的差异较小；（2）孔隙压力幅度随结构对称轴与水流方向之间的角度增大而增大，套管内部的孔隙压力大于外部桩体的孔隙压力；（3）套管的非对称布置增加了结构周围的液化潜力（I_L）。

引言

由于对可再生能源需求的增加，海上风电产业在过去几十年里在全球范围内蓬勃发展。在海上工程问题中，由过高的孔隙压力引起的液化现象引起了海岸工程师的极大关注。众所周知，海上区域的沙土主要是第四纪沉积物，可分为两种类型：密实沙土和松散沙土（Ye等人，2014a）。在波浪或地震振动的动态载荷下，密实沙土中的土壤颗粒无法重新排列其相对位置，因为土壤颗粒之间的间隙很小，难以压缩。另一种是松散沙土，其承载能力较低，未经处理时容易液化。在长期波浪载荷下，土壤颗粒会自动重新排列，形成更密集的排列。根据这两种类型的土壤，波浪载荷下存在两种海床液化机制：瞬态液化和残余液化。瞬态液化通常发生在密实沙土海床中，由孔隙压力的相位滞后引起，通常在波谷期间发生，并受土壤渗透性和饱和度的影响较大（Sui等人，2016）。残余液化仅发生在松散沙土海床中，由循环载荷下的土壤压缩导致孔隙压力累积引起，例如吸力桶基础周围的液化沙土海床（Gao等人，2025，2021，2022）。因此，在长期循环波浪载荷下，密实沙土海床会转变为松散沙土海床，伴随着相对密度D_r的增加以及相应的承载能力参数（例如标准贯入试验SPT的值）的变化。这两种液化模式已通过实验室实验得到验证（例如Li和Gao，2022；Sui等人，2022；Tong等人，2020）。

本实验关注的液化类型是前者，因为所采用的沙土是均匀沙土，其渗透系数相对较大，孔隙压力不会累积。如前所述，瞬态液化对海上工程结构的安全性具有破坏性，近年来在海上工程领域受到了广泛关注。为了获得解析解，Yamamoto等人（1978）计算了二维渐进波作用下有限厚弹性均匀海床的响应解析解。Madsen（1978）提出了考虑海床土壤渗流各向异性和不饱和性的相应解析解。当考虑复杂的海上结构和地形（如防波堤和桩基）时，数值方法更为适用。Jeng等人（2001）采用有限元方法计算了波浪载荷下复合防波堤下方海床的孔隙水压力。Ye等人（2014b）采用集成模型PORO-WSSI 2D分析了破碎波、复合防波堤及其多孔弹性海床基础之间的相互作用。Sui等人（2016）提出了一个三维模型来计算单桩周围波浪引起的海床响应。在实验中，首先使用水槽实验来比较和验证波浪载荷下海床响应的解析解，并发现了波浪引起的孔隙水压力相位滞后现象（Sleath，1970）。Sun等人（2019）对部分回填管道周围沟槽层中的土壤响应进行了实验研究，全面讨论了沟槽深度和回填条件的影响。Chen等人（2020）进行了一系列实验，研究了规则波浪和电流作用下部分嵌入单桩周围的孔隙水压力、水动力响应以及单桩周围海床内的孔隙水压力。

由于对可再生风能需求的增加，风力发电结构桩基需要具有更大的承载能力和更深的适应水深。在实际工程中，本文分析的套管基础结构是近年来海上风力涡轮机基础建设中常用的结构形式。与单桩相比，套管基础具有更大的承载能力和结构强度，且适用的水深通常超过50米。近年来，人们对套管结构形式给予了更多关注，不仅限于海床响应的研究，还包括结构响应、流体动力学和桩土相互作用的研究。Wei等人（2022）提出了一个三维集成数值模型，用于分析波浪-水流载荷下海上风力涡轮机套管基础周围的海床响应，该模型使用了开源场操作和操控（OpenFOAM）求解器开发。Welzel等人（2019）在三维波浪和水流水池中进行了一系列水力模型实验测试，系统研究了组合波浪和水流作用下套管型海上结构周围的冲刷过程，分析了套管周围的流体动力学和瞬态液化结果。Shi等人（2013）设计并分析了安装在两种不同套管支撑结构上的三叶片NREL 5 MW海上逆风变速、俯仰集控风力涡轮机；通过比较得出了更好的结构形式。Li等人（2022）提出了一个通用的多桶套管基础（MBJF）三维模型，用于有效估计冲刷对MBJF承载能力的影响，这对于准确预测和评估MBJF的冲刷后承载能力非常有效。Liu等人（2022）分析了支撑海上风力涡轮机（OWTs）的套管基础的安装特性和侧向载荷性能，为套管支撑OWTs结构的安装特性和长期动态性能提供了指导和预测。Natarajan和Madabhushi（2022）使用动态离心机测试研究了在地震载荷作用下海上风力涡轮机套管结构的行为。结果表明，对于新型预埋套管基础，应仔细考虑结构旋转和液化引起的沉降。

另一方面，四足套管基础在复合环境载荷下的结构响应也值得关注。Zhang等人（2025）考虑了长期循环载荷（风浪载荷）和单向流引起的冲刷的单独和组合效应，研究了累积变形、承载能力和自然频率的发展，结果表明考虑冲刷会导致最终累积变形增加40.8%。Zheng等人（2025）对四足套管基础支撑的海上风力涡轮机进行了一系列水槽模型测试，结果表明局部冲刷效应会导致桩土相互作用刚度的降低。此外，套管基础在不同载荷角度下表现出不同的响应。Wang等人（2025a）对波浪-水流载荷下的四足套管基础进行了冲刷测试，塔顶的累积位移和冲刷深度表现出强烈的线性相关性，基础的割线刚度主要受波浪引起的孔隙压力、冲刷和循环载荷的影响。Romero-Sánchez和Padrón（2024）使用OpenFAST模型研究了风向和地震地面运动对四足套管结构响应的影响，考虑了多支撑地震输入、土-结构相互作用和运动学相互作用。Huang等人（2024）使用振动台测试和有限元分析研究了不同地震下海上套管平台的抗震性能，发现海上平台在海上地震下的抗倒塌能力低于陆地地震。Wang等人（2025b）分析了在冲刷部位受到随机环境载荷作用下的四足套管系统的地震响应，考虑了冲刷深度、土壤强度、地震频率含量和强度等影响因素。Bai等人（2025）使用OpenSees平台建立了套管海上风力涡轮机（JOWT）的集成三维塔-桩-土-水模型，结果表明冲刷效应会降低JOWTs的自然频率，并可能放大JOWTs的动态响应。总体而言，上述研究更多关注数值模拟，这允许对复杂的水动力和岩土工程过程进行详细分析。然而，实验模型（如波浪水槽测试）对于理解涉及的物理机制也至关重要，这是研究波浪-套管-土壤相互作用的重要方法。同时，它们也对数值模型的校准非常重要。

据作者所知，尚未充分开展关于套管基础结构周围不同布置角度下海床响应的实验研究。本实验研究旨在填补这一知识空白。基于一系列实验室测试，确认了不同结构布置和加载条件下的孔隙压力分布。此外，还确定了液化潜力分布及其变化。本文的结构安排如下：第2节描述了实验设置，第3节展示了实验结果和讨论，包括3.1节中的波浪表面变化、3.2节中的波浪参数影响、3.3节中的结构布置影响以及3.4节中的< />_L变化。第4节最后总结了结论。

部分内容摘要

波浪水槽和仪器

实验在河海大学的港口和水道实验室的波浪水槽中进行。水槽的长度为50米，宽度为1.0米，深度为1.5米。波浪由位于上游的活塞式波浪发生器在水槽左侧产生（见图1(a)）。在水槽另一端安装了海绵式波浪吸收器，以消散波浪能量，从而最小化波浪反射的影响。

波浪表面变化

本节研究了在不同加载情况和结构布置下的波浪条件。使用位于套管结构周围的波浪测量仪测量了波浪表面变化。如图6所示，记录了振荡波浪加载期间的波浪剖面。如前所述，距离套管结构129厘米的前侧被视为自由场表面，用实线黑色线条表示。另外放置了三个波浪测量仪，距离

结论

本研究研究了在不同波浪加载条件和结构布置角度下套管基础周围的海床响应。实验结果记录了套管周围波浪引起的孔隙水压力在时间和空间域的变化。这些数据使得系统地分析了波浪参数和结构布置如何影响套管周围的孔隙压力分布。可以得出以下结论：

1.

波浪参数的影响：

作者贡献声明

刘成林：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，可视化，验证，调查，数据管理。崔婷婷：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，监督，资源提供，方法论。陈浩：撰写 – 审稿与编辑，验证，方法论，调查，数据管理。张继生：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源提供，资金获取，正式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢中国国家重点研发计划（2023YFE0126300）、国家自然科学基金（52271274）和安徽省教育厅科研项目（2025AHGXZK40292）的财政支持。