成果名称：	近岸大直径桩基础水力侵蚀及承载特性研究与应用
登记日期：	2023-05-06
完成单位：	珠海市规划设计研究院,中山大学,珠海市水务工程质量安全管理中心,珠海建工控股集团有限公司,珠海大横琴城市新中心发展有限公司
完成人员：	李栋,胡正,罗启添,李智文,张建,曹雄,付建伟,黄伟洪,刘爽,谭庆俭
研究起止日期：	2019-01-15至2022-12-30
主要应用行业：	水利、环境和公共设施管理业
高新技术领域：	地球、空间与海洋
评价单位：	广东省水利学会
评价日期：	2023-04-04
成果简介：	任务主要来自珠海规划设计研究院科研课题，为自选项目，同时多项基金课题参与，包括渗蚀诱发各向异性砂土细观结构演化及堤坝失效灾变多尺度模拟（国家自然科学基金委员会青年科学基金项目）、暴雨诱发滨海软土渗蚀及堤坝失效灾变流固耦合多尺度模拟（广州市科学技术局基础与应用基础研究项目）、潮汐环境交通荷载作用下素混凝土桩复合地基影响分析及性能提升研究（广东省住房和城乡建设厅科技创新计划项目）。 技术原理：提出了一种全解析计算流体动力学与离散元多尺度数值模拟方法，从细观尺度揭示了地基土水力侵蚀过程及其机制，获得了不同水力条件下近岸桩周土体冲刷特征。自主研制波流环境下桩基础复杂受荷室内水槽试验系统，基于该试验系统得到不同荷载情况与流态下大直径桩基础承载变形性状、桩身p-y曲线及组合荷载下桩身无量纲承载力包络线，建立一种计入流体作用影响的桩基础承载力简化计算方法。基于有限元方法，建立结构-桩基础-土体-波流荷载一体化分析的三维数值计算模型，通过参数分析得到波流作用下的结构及大直径桩基础承载变形规律。 性能指标：1.本项目提出的近岸地基土内部水力侵蚀准则，可准确评估近岸地基土内部侵蚀临界水力梯度，与室内试验和现场实测数据相比，计算精度达到95%以上；2.本项目提出的全解析计算流体动力学与离散元耦合方法，采用10个以内物理意义明确、参数标定简单的模型参数，标定及应用简单，计算精度较高；可建立宏观冲刷及内部侵蚀与细观颗粒运移的内在关联，细观尺度可达到0.1mm级，可分析颗粒间孔隙渗流演化、细颗粒迁移等过程。3.自主研发了一种波流环境下桩基础复杂受荷试验系统，得出试验条件下的不同荷载、流体状态下各深度的桩身p-y曲线和无量纲竖向-水平组合承载力包络线及简化计算式。4.开发的分布式波流受荷大直径桩基础数值模型，能考虑桩-土的三维相互作用、波流荷载的分布效应、桩周土冲刷作用，模型计算精度较高，与模型试验的最大误差仅10.5%。 成果的创造性、先进性：（1）发展了一种基于颗粒迁移、能量及组构演化的全解析流固耦合多尺度模拟方法，并应用于模拟地基土内部侵蚀全过程，具有较好的算法创新；（2）开展了复杂波流作用下单桩基础冲刷形成、发展全过程流固耦合模拟，在跨尺度表征、高效率、高精度、模型参数少及标定简单等方面具有较高的先进性，具有较好的推广价值；（3）自主研发了一种波流环境下桩基础复杂受荷试验系统，为考虑流体作用影响的大直径桩基础复杂受荷承载力计算提供了一种新思路；（4）建立能够实现近岸构筑物结构-桩基础-土体-波流荷载一体化分析的三维数值计算模型，该模型为复杂水力作用下近岸大直径桩基础承载特性分析提供了更科学、准确的计算手段，可掌握桩身几何尺寸、载荷工况、土体参数及波流特征参数等对结构和基础承载变形特性的影响规律。 本项目所提出的多尺度多场耦合模拟方法适用于模拟不同土体颗粒形态、应力状态及历史、水力条件等工况下，颗粒材料水土相互作用问题，可广泛应用于暴雨、台风、风暴潮、潮汐等复杂渗流作用下，堤坝、防洪堤、基坑、边坡、公路等基础设施渗流灾害过程模拟。研究成果可直接应用于近岸大直径桩基础的设计、施工及运维等，包括但不限于：跨海桥隧、海上风力、防洪堤等。同时，本项目研究成果已在近岸桥梁、海上风基中得到应用，验证了本项目相关理论手段、数值模拟技术及试验手段的可靠性、有效性、实用性，已取得较好的经济和社会效益，项目应用前景较好。 存在的问题：（1）本项目提出的多尺度多场耦合模拟方法依赖强大的计算工作站进行支撑。后续将继续对该模拟方法进行优化，以降低需要的硬件配置。（2）本项目提出的近岸大直径桩基础的组合承载力简化计算式未考虑加载顺序的复杂性，后续可针对近岸大直径桩基础复杂受荷顺序进行研究。（3）本项目所建立的流体数值模型以规则波、稳定流等对结构及桩基础产生的波流荷载，而实际中具有随机特性的波流等作用下的结构和基础动态响应有待进一步分析。另外，波流荷载长期作用造成地基土性质变化对结构及基础体系的累积位移效应在数值分析模型中需开展深入探讨。