在振动喷流辅助下饱和砂土中进行贯入试验时，土壤状态的演变

《Ocean Engineering》：Soil state evolution during vibrojet-assisted penetration in saturated sand

　　Cihan Cengiz | Charlotte van Verseveld | Alba Rodríguez Piedrabuena | Hakan Kopuklu | Maria Konstantinou | Giulia Macaro
Deltares, Delft, 荷兰

**摘要**
振动沉桩与内部水射流（振动射流）结合是一种比传统冲击驱动法更低噪声的海上单桩安装方法。由于这项技术最近才开始在海上应用中得到研究，因此必须对其对周围土壤状态的影响进行量化，以支持工程评估和采纳。本研究在受控平面应变实验室条件下，对饱和砂土中的振动射流辅助穿透进行了研究，特别关注喷射体外部土壤状态的变化。测试使用了两种不同平均粒径的砂土，并在不同喷射流水平下进行。通过同步测量加速度、孔隙水压力、穿透速率和钩载来监测安装响应。外部土壤状态的变化采用基于电导率的浓度方法（CCM）进行量化，从而可以直观地追踪桩体周围孔隙度的演变过程。结果表明，穿透行为主要受砂土类型和喷射水平的控制，并确定了不同的穿透机制。增加喷射水平系统地提高了穿透效率，同时降低了喷射体前端的阻力。重要的是，当射流局限于桩体内部时，未观察到周围土壤的系统性恶化；相反，在外部土壤区域（尤其是细砂中）出现了净密度增加的现象。只有在故意过度喷射的情况下，才会导致土壤松动，这种喷射允许外部土壤的水力沟通。这些发现表明，受控内部射流可以独立于外部土壤完整性来改变桩体的尾部阻力。研究结果为振动射流机制及其在海上基础安装中的应用提供了定量实验依据。

**引言**
海上风能在全球能源转型中发挥着关键作用，是实现净零排放的关键支柱。预计到2050年，海上风电的成本将降低50%（Wiser等人，2021年），使海上风电成为全球能源结构中越来越有竞争力和可扩展的组成部分。在这方面，欧盟委员会估计到2030年海上风电装机容量将达到60吉瓦，到2050年达到300吉瓦（欧盟，2020年）。最近，欧盟成员国达成了一项非约束性协议，计划将海上可再生能源容量目标进一步提高到2030年的88吉瓦和2050年的360吉瓦（欧盟，2024年）。这些举措突显了欧洲范围内海上风电部署的规模和紧迫性。在欧洲大陆边缘地区，单桩占海上风电装机容量的80%以上（Alsharedah等人，2023年），因为它们提供了高效且经济可行的基础解决方案（Vasconcelos等人，2025年）。在美国也观察到了类似的趋势，单桩约占目前安装的海上风电容量的55%，预计这一比例将在未来增加至75%（国家可再生能源局，2024年）。澳大利亚宣布的海上风电项目也表明底部固定基础的巨大潜力，不断增加的涡轮机容量进一步促进了单桩解决方案的采用（Gunawan等人，2026年）。鉴于单桩的广泛应用，优化安装方法并减轻与打桩相关的环境影响变得日益重要。在这方面，振动沉桩技术由于其高效性、可控性和成本效益而推动了实践的发展（Lu等人，2022年，2024年；Tsetas等人，2023年）。与冲击锤相比，振动锤在安装速度和效率方面通常表现更好（Yousefabad等人，2026年）。在密实砂土条件下，冲击驱动可能会很慢（Rodger和Littlejohn，1980年；Achmus等人，2020年），并且由于需要大量的锤击次数可能导致桩体损坏（Mosher，1987年；Nietiedt，2022年）。此外，冲击锤击产生的水下噪声引发了环境问题（Tsouvalas，2020年），通常需要采取诸如气泡屏障等措施（Tsouvalas和Metrikine，2016年），但这并不能完全消除噪声排放。相比之下，振动安装方法产生的水下噪声水平显著较低，从环境和工程角度来看都是一个有吸引力的选择（Kazemi Esfeh等人，2026年）。最近在打桩技术方面的发展集中在进一步降低噪声排放和能耗上。例如，Kementzetzidis等人（2023年）报道了结合垂直和扭转激励以促进桩体穿透的方法，而Klages等人（2021年）通过使用静水压力波延长脉冲来减少冲击锤击期间的噪声。尽管取得了这些进展，仍需要探索能够进一步提高穿透效率同时限制对周围土壤阻力负面影响的替代或补充安装技术。从物理角度来看，颗粒材料的流化可以减少对侵入体的阻力（Liu等人，2019年）。这一原理早已在岩土工程中通过使用水射流辅助桩体安装得到应用。早期文献将射流辅助的桩体驱动描述为一种成熟的施工方法（Tsinker，1977年，1988年），一些参考文献将其起源追溯到20世纪60年代前苏联的研究（Shestopal，1959年）。最近的实验室研究考察了射流辅助的海上鱼雷桩安装：de Brum Passini等人（2016年）研究了射流引起的流化机制及其对饱和砂中嵌入深度的影响（de Brum Passini等人，2018年），而Dong（2022年）通过将喷射与机械振动结合，研究了粘性沉积物中的穿透问题。射流技术也被用于传统桩体安装。Gabr等人（2013年）使用部分射流来帮助桩体穿透浅层硬土层，主要是为了降低驱动应力和安装能量。Schnaid等人（2014年）的实验室研究表明，流化区的几何形状和范围受喷射速度和颗粒大小与喷射直径的比值控制，并且这些区域内相对密度可能会有显著降低。Maiti和Shepley（2025年）提出了一个力平衡框架，用于预测在关键喷射速度下的穿透深度。总体而言，这些研究表明射流可以大幅降低穿透阻力；然而，它们也指出射流引起的流化通常会导致侵入体周围土壤的明显松动。虽然安装过程中桩头周围的局部松动是预期现象并且本身并不构成问题，但单桩周围的土壤在其整个运行寿命中提供了侧向刚度和阻力。因此，该区域土壤状态的过度恶化可能对基础长期性能产生不利影响。尽管关于射流辅助桩体安装的研究越来越多，但在文献中对喷射进行精确控制以最小化桩体外不希望的土壤状态变化的研究却较少。
在此背景下，本研究调查了一种结合振动和射流的安装技术，称为振动射流，其中振动锤击与受控内部水射流一起使用。该技术在一个安装在桩体内部和靠近桩头处的环形射流环中产生内部侵蚀和流化，以减少穿透阻力，同时旨在保持周围土壤的状态。本研究展示了实验室规模的实验，旨在量化振动射流过程中桩体外土壤状态的变化，并评估受控内部射流是否可以在不损害周围土壤机械完整性的情况下提高安装效率。据作者所知，这是首次使用专用的基于电导率的传感技术直接量化振动和射流辅助桩体安装过程中外部孔隙度演变的研究。这种能力首次实现了安装机制与测量的周围土壤状态演变之间的直接联系。因此，本研究具有双重贡献：首先，它引入了基于电导率传感的测量驱动框架，能够直接量化振动射流过程中的外部土壤状态演变；其次，它提供了关于控制内部射流的耦合水力-机械过程的机制洞察，特别关注在何种条件下可以提高穿透效率而不引起周围土壤松动。需要注意的是，目前的实验是在平面应变配置下进行的，无法复现圆柱形单桩的完整三维应力状态、约束条件或环形流动几何形状。因此采用的设置代表了系统的受控垂直切片，旨在隔离振动射流过程中局部土壤-桩体相互作用的耦合水力-机械过程。这种实验设置允许在单次实验中直接研究内部射流效应和外部土壤状态演变，这在三维物理模型或现场规模测试中难以实现。因此，此处呈现的研究结果应被视为在受控条件下的机制观察结果，将其直接外推到工程规模的单桩需要考虑三维效应。

**平面应变装置**
实验是在一个专门构建的平面应变测试装置中进行的，用于研究振动和振动射流沉桩过程中的土壤-结构相互作用。土壤容器的内部尺寸为长1950毫米、宽300毫米，总内部高度为2500毫米，以确保桩体周围有足够的土壤范围，并在保持代表性的平面应变配置的同时限制边界效应。该装置代表了...

**结果**
鉴于振动射流过程的耦合和瞬态特性，结果部分分为两部分。首先，对一个有代表性的测试进行了详细的描述，以说明安装过程中观察到的关键过程。随后通过对整个测试矩阵的比较分析，提取了一般趋势和机制洞察。这些发现提供了关于受控振动射流辅助安装如何影响土壤的实验洞察。

**讨论**
现有关于射流辅助桩体安装的文献一致报告称，桩体周围的土壤松动是射流的固有结果。报告的扰动范围从一个桩直径大小的局部区域（Shepley和Bolton，2014年）到从桩轴延伸至20个桩直径的区域（Tsinker，1988年；Schnaid等人，2014年）。在1g和离心机设置中，普遍认为内部射流区与...

**结论**
本研究使用受控喷射水平和振动激励，研究了模型侵入体在饱和颗粒介质中的振动射流辅助穿透。实验计划包括25次精心设计的测试，测量了穿透速度、钩载和土壤阻力、孔隙水压力以及外部土壤孔隙度演变，以量化中等和细砂层的耦合水力-机械响应。可以得出以下结论：...

**作者贡献声明**
Cihan Cengiz：撰写——原始草案、可视化、验证、监督、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。
Charlotte van Verseveld：可视化、监督、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。
Alba Rodríguez Piedrabuena：撰写——审阅与编辑、资源管理、正式分析、数据管理。
Hakan Kopuklu：撰写——审阅与编辑、资源管理、调查、概念化。

**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报告的工作。

**致谢**
实验装置由GBM Works与Deltares合作设计，并在Deltares Water-Soil Flume实验室进行，作为SIMPLE IIB和SIMPLE III GROW联合工业项目的一部分。感谢以下合作伙伴（按字母顺序）提供的财政支持：Atlantic Shores Offshore Wind、CAPE Holland、Carbon Trust（BP、Parkwind...