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An Innovative Approach to Predicting Scour Depth Around Foundations Under Combined Waves and Currents in Large-Scale Tests Based on Small-Scale Tests

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Journal of Ocean University of China 2023年第3期22卷 637-648页

作者： HU Ruigeng LIU Hongjun LU Yao WANG Xiuhai SHI Wei College of Environmental Science and Engineering Ocean University of ChinaQingdao 266100China Key Laboratory of Marine Environment and Ecology Ministry of EducationQingdao 266100China Shandong Provincial Key Laboratory of Marine Environment and Geological Engineering Qingdao 266100China School of Civil Engineering Qingdao University of TechnologyQingdao 266033China

This study presents an innovative theoretical approach to predicting the scour depth around a foundation in large-scale model tests based on small-scale model tests under combined waves and currents.In the present approach,the hydrodynamic parameters were designed based on the Froude similitude criteria.To avoid the cohesive behavior,we scaled the sediment size based on the settling velocity similarity,i.e.,the suspended load similarity.Then,a series of different scale model tests was conducted to obtain the scour depth around the pile in combined waves and currents.The fitting formula of scour depth from the small-scale model tests was used to predict the results of large-scale tests.The accuracy of the present approach was validated by comparing the prediction values with experimental data of large-scale tests.Moreover,the correctness and accuracy of the present approach for foundations with complex shapes,e.g.,the tripod foundation,was further checked.The results indicated that the fitting line from small-scale model tests slightly overestimated the experimental data of large-scale model tests,and the errors can be accepted.In general,the present approach was applied to predict the maximum or equilibrium scour depth of the large-scale model tests around single piles and tripods.

关键词： scour scour depth prediction Froude similarity scale effects combined waves and currents

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Numerical study on local scour characteristics around submarine pipelines in the Yellow River Delta silty sandy soil under waves and currents

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Deep Underground Science and Engineering 2024年第2期3卷 182-196页

作者： Peng Yu ruigeng hu Jike Zhang Qi Yang Jieru Zhao Lei Cao Chenghao Zhu Key Laboratory of Geological Safety of Coastal Urban Underground Space Ministry of Natural ResourcesQingdaoChina Qingdao Geo-Engineering Surveying Institute(Qingdao Geological Exploration Development Bureau) QingdaoChina Sinopec Petroleum Engineering Corporation DongyingChina State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering Tsinghua UniversityBeijingChina Department Civil and Environmental Engineering Politecnico di MilanoMilanItaly College of Environmental Science and Engineering Ocean University of ChinaQingdaoChina

Due to their high reliability and cost-efficiency,submarine pipelines are widely used in offshore oil and gas resource engineering.Due to the interaction of waves,currents,seabed,and pipeline structures,the soil around submarine pipelines is prone to local scour,severely affecting their operational safety.With the Yellow River Delta as the research area and based on the renormalized group(RNG)k-εturbulence model and Stokes fifth-order wave theory,this study solves the Navier-Stokes(N-S)equation using the finite difference method.The volume of fluid(VOF)method is used to describe the fluid-free surface,and a threedimensional numerical model of currents and waves-submarine pipeline-silty sandy seabed is established.The rationality of the numerical model is verified using a self-built waveflow flume.On this basis,in this study,the local scour development and characteristics of submarine pipelines in the Yellow River Delta silty sandy seabed in the prototype environment are explored and the influence of the presence of pipelines on hydrodynamic features such as surrounding flow field,shear stress,and turbulence intensity is analyzed.The results indicate that(1)local scour around submarine pipelines can be divided into three stages:rapid scour,slow scour,and stable scour.The maximum scour depth occurs directly below the pipeline,and the shape of the scour pits is asymmetric.(2)As the water depth decreases and the pipeline suspension height increases,the scour becomes more intense.(3)When currents go through a pipeline,a clear stagnation point is formed in front of the pipeline,and the flow velocity is positively correlated with the depth of scour.This study can provide a valuable reference for the protection of submarine pipelines in this area.

关键词： local scour numerical simulation submarine pipelines Yellow River Delta

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Stokes波流作用下伞式吸力锚基础局部冲刷演变分析

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海洋湖沼通报 2023年第4期45卷 6-15页

作者：赵真胡瑞庚刘红军冷浩中国海洋大学环境科学与工程学院山东青岛266100 山东省海洋环境地质工程重点实验室山东青岛266100 中石化石油工程设计有限公司山东东营257100 交通运输部天津水运工程科学研究院天津300456

基于Flow-3D软件建立海床土-吸力锚-波浪相互作用模型,模拟分析了Stokes五阶波流作用下伞式吸力锚基础(USAF)在非粘性土中的局部冲刷特征。综合分析基础周围流场特征、湍流特征、冲刷时程曲线、冲刷图像和不同波高、水深条件对局部冲刷... 详细信息

基于Flow-3D软件建立海床土-吸力锚-波浪相互作用模型,模拟分析了Stokes五阶波流作用下伞式吸力锚基础(USAF)在非粘性土中的局部冲刷特征。综合分析基础周围流场特征、湍流特征、冲刷时程曲线、冲刷图像和不同波高、水深条件对局部冲刷特征的影响等。模拟结果表明:冲刷影响范围主要集中在锚枝之间和基础后方区域,筒前筒侧马蹄形旋涡发育最为充分,筒后旋涡脱落,水体紊动剧烈。试验最大冲刷深度和淤积高度出现在筒后冲刷坑内和筒侧后方,分别为-2.247m和0.688m。锚枝的存在能够对土体起到较好的固定作用,波高H和水深h对局部冲刷有明显影响,随着波高的增加和水深的降低局部冲刷作用逐渐剧烈,冲刷坑深度逐渐增加,淤积范围后移,试验不同波高和不同水深下的最大冲刷深度相差分别为0.647m和0.714m。

关键词：海上风机 Stokes波吸力锚基础局部冲刷数值模拟

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随机波作用下伞式吸力锚基础局部冲刷演变分析

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中国海洋大学学报（自然科学版） 2022年第3期52卷 139-147页

作者：赵真胡瑞庚刘红军冷浩中国海洋大学环境科学与工程学院山东青岛266100 海洋环境与生物教育部重点实验室山东青岛266100

为了验证新型伞式吸力锚基础的防冲刷效果,本文利用Flow-3D软件建立三维海床-吸力锚-波浪相互作用模型,基于JONSWAP随机波浪谱,结合某海域风区资料模拟随机波,对随机波浪作用下伞式吸力锚基础(USAF)局部冲刷演变进行分析,试验土体为非... 详细信息

为了验证新型伞式吸力锚基础的防冲刷效果,本文利用Flow-3D软件建立三维海床-吸力锚-波浪相互作用模型,基于JONSWAP随机波浪谱,结合某海域风区资料模拟随机波,对随机波浪作用下伞式吸力锚基础(USAF)局部冲刷演变进行分析,试验土体为非黏性土。首先探讨了随机波浪作用下基础周围流场变化规律和冲刷演变模式,其次分析了有效波高、水深两个因素对基础局部冲刷演变的影响规律,对锚枝的防冲刷效果进行对比分析。结果表明:基础的设置加剧了主筒前0~3 m、筒后6~12 m范围内的湍流强度,水流紊动增强了对土颗粒的搬运能力,导致基础周围泥沙起动产生冲刷,锚枝的存在能够减少土体的运移,提高周围土体稳定性。有效波高的增加导致筒前45°锚枝之间的冲刷程度加剧,淤积范围后移。水深变化对旋涡脱落影响明显,随水深的增加主筒后旋涡脱落加剧,导致土体运移强度增大。

关键词：海上风机随机波局部冲刷吸力锚基础

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波浪作用下海上风电伞式吸力锚基础周围冲刷演变机制

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太阳能学报 2022年第11期43卷 242-252页

作者：胡瑞庚刘红军王秀海赵真时伟中国海洋大学环境科学与工程学院青岛266100 山东省海洋环境地质工程重点实验室青岛266100 海洋环境与生态教育部重点实验室青岛266100 青岛理工大学土木工程学院青岛266033

以近海风电伞式吸力锚基础为研究对象,进行室内水槽试验和数值模拟,研究波浪作用下伞式吸力锚基础周围冲刷演变机制,分别基于Raaijmakers和Myrhaug模型,提出随机波浪小Keulegan-Carpenter数(KC)情况下伞式吸力锚基础周围平衡冲刷深度预... 详细信息

以近海风电伞式吸力锚基础为研究对象,进行室内水槽试验和数值模拟,研究波浪作用下伞式吸力锚基础周围冲刷演变机制,分别基于Raaijmakers和Myrhaug模型,提出随机波浪小Keulegan-Carpenter数(KC)情况下伞式吸力锚基础周围平衡冲刷深度预测模型。结果表明:随机波浪下,波峰时形成的旋涡体系主导冲刷过程,此时基础上游逆压梯度最大,这有利于波浪边界层充分分离,形成马蹄形旋涡,马蹄形旋涡和桩侧流线压缩导致筒裙上游两侧约45°圆心角位置剪切流速最大,筒裙和锚枝的设置保护了该位置床面土体,使得最大冲刷深度位置位于锚枝之间。当KC采用KC_(s,p),且KC_(s,p)8时,预测值与试验值之间的误差变大,修正Raaijmakers模型过分估计了平衡冲刷深度。当KC_(rms),a<4,n=10时,修正Myrhaug平衡冲刷深度预测模型预测效果最好。

关键词：冲刷平衡冲刷深度 KC数海上风电基础

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水平循环荷载作用下桩基p-y曲线模型研究进展

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海洋通报 2020年第4期39卷 401-407页

作者：王兆耀刘红军胡瑞庚中国海洋大学环境科学与工程学院山东青岛266100 山东省海洋环境地质工程重点实验室山东青岛266100

p-y曲线法常用于水平静力受荷桩的分析,但海洋工程中的桩基除静力外还承受波、流等循环荷载作用,将静力p-y曲线直接用于循环荷载下桩基的设计研究时,往往会产生误差本文梳理了水平循环荷载作用下p-y曲线模型的研究成果,按照得到循环p-y... 详细信息

p-y曲线法常用于水平静力受荷桩的分析,但海洋工程中的桩基除静力外还承受波、流等循环荷载作用,将静力p-y曲线直接用于循环荷载下桩基的设计研究时,往往会产生误差本文梳理了水平循环荷载作用下p-y曲线模型的研究成果,按照得到循环p-y曲线的不同方式,将其分为总体调整法和参数修正法。在参数修正法中,根据修正时考虑的因素不同,分为考虑荷载特性的修正和考虑桩土相互作用的修正。最后通过对循环荷载作用下p-y曲线研究现状的总结对比,评价了不同方法的特点,讨论了当前研究存在的问题并给出了建议.

关键词：海洋工程桩基础 p-y曲线水平循环荷载修正方法

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高填方夯实地基桩侧负摩阻力受力性状试验研究

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建筑结构学报 2020年第4期41卷 160-169页

作者：胡瑞庚时伟水伟厚闫小旗中国海洋大学环境科学与工程学院山东青岛266100 青岛理工大学土木工程学院山东青岛266033 中化岩土集团股份有限公司北京102600 上海申元岩土工程有限公司上海200000

对原为沟壑的场地,经回填全风化泥质粉砂岩形成高填方地基。对高填方地基采用3000 k N·m能级强夯预处理后,打设钻孔灌注桩,通过在桩身钢筋笼主筋上安装应力计,在桩身截面和桩周土层分别埋设沉降杆、分层沉降仪,测试桩身轴力、桩身及桩... 详细信息

对原为沟壑的场地,经回填全风化泥质粉砂岩形成高填方地基。对高填方地基采用3000 k N·m能级强夯预处理后,打设钻孔灌注桩,通过在桩身钢筋笼主筋上安装应力计,在桩身截面和桩周土层分别埋设沉降杆、分层沉降仪,测试桩身轴力、桩身及桩周土层沉降变化情况,得到高填方夯实地基未处理填土层桩侧负摩阻力变化规律。试验结果表明,未处理填土层桩侧摩阻力沿深度呈现"负-正"变化的现象,随着固结时间的增加,端承桩负摩阻力区段大于摩擦桩。端承桩桩侧土层提供的最大负摩阻力约是摩擦桩的1.18~2.56倍,桩周土层密实度对桩侧最大负摩阻力有影响。采用一阶负指数函数拟合得到桩身下拉荷载预测模型,随着固结时间的增加,作用于桩身的下拉荷载趋于定值,作用于端承桩的下拉荷载比摩擦桩高41.2%~55.4%,从控制负摩阻力角度推导出高填方夯实地基摩擦桩桩长设计计算方法。桩身中性点位置均随固结时间增加而逐渐下移,端承桩中性点深度较摩擦桩平均大0.7 m。

关键词：高填方夯实地基桩侧负摩阻力受力性状下拉荷载中性点

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波流作用下黄河三角洲硬壳层液化渗流形成机制研究

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工程地质学报 2021年第6期29卷 1779-1787页

作者：冷浩胡瑞庚刘红军王兆耀中国海洋大学环境科学与工程学院青岛266100 山东省海洋环境地质工程重点实验室青岛266100

波流作用于海床产生动态孔隙水压力,如不能及时消除会在其内部产生累积孔隙水压力,相邻两点间的孔隙水压力差值造成的水力梯度产生渗流力,渗流力引起水流动,海床表面为排水界面,从而会在海床内部形成向上的渗流力作用于泥沙颗粒上,使泥... 详细信息

波流作用于海床产生动态孔隙水压力,如不能及时消除会在其内部产生累积孔隙水压力,相邻两点间的孔隙水压力差值造成的水力梯度产生渗流力,渗流力引起水流动,海床表面为排水界面,从而会在海床内部形成向上的渗流力作用于泥沙颗粒上,使泥沙发生启动向海床表层运移,从而形成一定范围的粗颗粒层。本文采用数值模拟对不同流速下的海床累积孔隙水压力进行了研究,同时分析了硬壳层的存在对海床累积孔隙水压力的影响规律,根据取得的不同流速下海床内部的累积孔隙水压力值,计算海床任意位置处的渗流压力梯度,采用王虎等(2014)推导建立的海床临界冲刷深度的计算方法,分析不同流速下的硬壳层形成深度。结果表明:海流流向与波浪行进方向一致时,对累积孔隙水压力起促进作用,流速越大累积孔隙水压力越大,反之对累积孔隙水压力有抑制作用。表面硬壳层的存在会显著促进累积孔压的消散,累积孔隙水压力沿深度分布的极值均出现在下层原始海床中,流速U 0=0m·s^(-1)时硬壳层厚度由1m增加到3m,极值点深度下降了1.38m。累积孔隙水压力引起的渗流力对于海床泥沙启动影响显著,在流速U 0=0m·s^(-1),U 0=1m·s^(-1)时泥沙启动深度均为海床1.5m深度处,并且海流流向与波浪行进方向一致时,会产生较大ΔP/ΔL值带动较粗的泥沙颗粒至海床表层,但对泥沙启动的最大深度影响不大。

关键词：上地壳层残余孔隙水压力渗流力沉积物运移

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按变形控制进行强夯加固地基设计思想的探讨

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低温建筑技术 2018年第2期40卷 117-121,125页

作者：水伟厚胡瑞庚中化岩土集团股份有限公司北京102600 青岛理工大学土木工程学院山东青岛266033

因地基承载力指标简单易检测,以往地基处理工程中通常按浅层承载力为主要控制指标,特别是强夯法工程。随着工程实践的深入工程界越来越认识到地基承载力往往是地基处理成果的附产品,关键是处理后地基的变形特性是否满足要求。以强夯法... 详细信息

因地基承载力指标简单易检测,以往地基处理工程中通常按浅层承载力为主要控制指标,特别是强夯法工程。随着工程实践的深入工程界越来越认识到地基承载力往往是地基处理成果的附产品,关键是处理后地基的变形特性是否满足要求。以强夯法为例阐述这一想法,提出"按变形控制进行强夯地基处理设计"的思路和方法。通过对强夯能级与浅层地基承载力、有效加固深度、变形之间关系的分析,结合工程实例,探讨了"按变形控制进行地基处理设计"的科学性、适用性,为按变形控制进行地基处理设计的新思路提供了借鉴。

关键词：变形控制强夯法地基处理设计

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邻近建筑物的滨海土岩组合基坑支护结构变形分析

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工程地质学报 2020年第6期28卷 1368-1377页

作者：胡瑞庚刘红军王兆耀郗玉婷中国海洋大学环境科学与工程学院中国青岛266100 山东省海洋环境地质工程重点实验室中国青岛266100 海洋环境与生态教育部重点实验室中国青岛266100 青岛理工大学土木工程学院中国青岛266033 青建集团股份公司中国青岛266100

以邻近建筑物的滨海土岩组合基坑工程为例,选用微型钢管桩-锚杆-土钉支护方式,基于现场实测数据和PLAXIS有限元软件,探讨不同土体本构模型对基坑开挖引起支护结构变形问题的适用性,在此基础上,研究本案例支护形式中两个关键因素(锚杆预... 详细信息

以邻近建筑物的滨海土岩组合基坑工程为例,选用微型钢管桩-锚杆-土钉支护方式,基于现场实测数据和PLAXIS有限元软件,探讨不同土体本构模型对基坑开挖引起支护结构变形问题的适用性,在此基础上,研究本案例支护形式中两个关键因素(锚杆预应力系数、微型钢管桩抗弯刚度)对支护结构变形的影响规律。计算结果表明:HS、HSS模型中基坑开挖引起的地表沉降模式相似,与实测值的变化趋势一致。随着基坑开挖深度的增加,MC、MCC模型计算的桩身水平位移值与实测值的误差逐渐增大,HSS模型能较准确地描述邻近建筑物超载、基坑开挖卸载引起的桩身水平位移的变化规律。不同锚杆预应力系数η、微型钢管桩抗弯刚度情况下,桩身水平位移最大值均出现在地表处。第一道锚杆的预应力系数η对锚杆和地表处水平位移的控制具有显著影响,取第一道锚杆处桩身水平位移为零,可以确定η的取值范围,根据基坑周围环境对水平变形的要求,选取合适的η目标值,最后根据η目标值确定钢管桩抗弯刚度,从而使锚杆-微型钢管桩形成变形协调的支护体系。

关键词：土岩组合基坑支护结构变形预应力系数抗弯刚度

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