華 鑫，李雨杰，劉海江，國(guó) 振

（浙江省海洋巖土工程與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 / 浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058）

0 引 言

大直徑單樁基礎(chǔ)是當(dāng)前海上風(fēng)機(jī)建設(shè)常用的基礎(chǔ)型式。樁柱結(jié)構(gòu)的存在會(huì)擾動(dòng)周圍流場(chǎng)，形成樁前下降流、馬蹄渦、樁側(cè)流線壓縮及樁后尾渦脫落等結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致樁周發(fā)生局部沖刷。當(dāng)同時(shí)存在波浪作用時(shí)，如圖1所示波浪在床面產(chǎn)生周期性的表面波壓力，誘導(dǎo)土體內(nèi)部產(chǎn)生相應(yīng)的超孔壓。在波谷區(qū)域，海床形成向上的滲流梯度，當(dāng)砂土有效應(yīng)力為0時(shí)出現(xiàn)瞬態(tài)液化，極大地促進(jìn)沖刷發(fā)展[1-3]。針對(duì)波流耦合作用下的單樁沖刷問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開展了大量研究。EADIE等[4]的試驗(yàn)結(jié)果表明，波流共同作用下的沖刷發(fā)展速率和最終沖深都要比水流單獨(dú)作用時(shí)大，沖刷坑的尺寸和形狀主要與流速比相關(guān)；SUMER等[5]進(jìn)行了一系列隨機(jī)波與水流共同作用下的單樁沖刷試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)波流耦合作用時(shí)，樁周沖深主要受KC數(shù)和流速比控制，當(dāng)流速比大于 0.7時(shí)，沖刷深度不隨流速比改變；RUDOLPH等[6]針對(duì)1＜KC＜10的條件，提出了波流耦合作用下改進(jìn)的極限平衡沖刷深度預(yù)測(cè)公式；漆文剛[3]通過水槽試驗(yàn)對(duì)波流耦合作用下的樁基沖刷進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，基于量綱分析和對(duì)沖刷動(dòng)力過程的機(jī)理分析，得到了極限平衡沖刷深度的變化規(guī)律。

圖1 波流耦合作用下單樁沖刷機(jī)理圖Fig. 1 Scour mechanism diagram of monopile under the combined waves and current

局部沖刷會(huì)造成樁基埋深減小，水平荷載偏心距增加，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物失穩(wěn)。針對(duì)結(jié)構(gòu)物沖刷問題，主要有以下兩類防護(hù)措施：一類是主動(dòng)防護(hù)，通過控制沖刷水流以減小沖刷原動(dòng)力，常見的有翼板、擴(kuò)展基礎(chǔ)、減沖樁等；另一類是被動(dòng)防護(hù)，通過改變沖刷對(duì)象和泥沙特性以提高河床抗沖蝕性能，常見的包括拋石、沉排、石籠等。海上環(huán)境惡劣，拋石、沉排等工藝技術(shù)難度大、成本高、且存在邊緣沖刷等問題，采用翼板、減沖樁等措施也存在長(zhǎng)期有效防護(hù)問題[7-8]。

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積（MICP）是近年來(lái)提出的一種新型地基處理技術(shù)。MICP利用微生物的新陳代謝活動(dòng)，促進(jìn)碳酸鈣結(jié)晶在顆粒之間形成膠結(jié)結(jié)構(gòu)，從而提高砂土強(qiáng)度和抗沖蝕能力[9-10]。相比于傳統(tǒng)的防護(hù)手段，MICP技術(shù)具有環(huán)保無(wú)污染的特點(diǎn)，并且在改善土體性能同時(shí)，還能維持較好的透氣性和透水性。如今，MICP技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于地基加固、液化防治、減小沉降、滲蝕控制等巖土工程中[11-12]。

基于此，本文開展了波流作用下單樁沖刷及防護(hù)試驗(yàn)，研究了不同波流條件下樁周沖刷發(fā)展過程及極限平衡沖深。同時(shí)，對(duì)比了拋石、翼板及MICP防護(hù)的效果，結(jié)果表明MICP防護(hù)效果優(yōu)于拋石、翼板防護(hù)，相關(guān)研究結(jié)果可為實(shí)際工程提供依據(jù)和指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)布設(shè)與方案

1.1 水槽模型與測(cè)試技術(shù)

試驗(yàn)水槽長(zhǎng)69.0 m，寬1.2 m，高1.6 m，試驗(yàn)水深為0.5 m。水槽前端設(shè)有造波造流系統(tǒng)，末端設(shè)有尼龍絲網(wǎng)消波。試驗(yàn)區(qū)域位于水槽中部，為長(zhǎng)3.0 m，寬0.8 m，深0.4 m的沉砂池。試驗(yàn)用砂采用中值粒徑為0.16 mm的福建標(biāo)準(zhǔn)砂，采用落砂法分層填筑，控制相對(duì)密實(shí)度約65%。為保證沖刷過程中有充足的砂源，在沉砂池距來(lái)流側(cè) 2 m位置處埋設(shè)樁徑D=0.11 m的圓柱形模型樁，樁高1.06 m，固定于沉砂池底部，出床面部分樁長(zhǎng)L=0.66 m，試驗(yàn)過程中始終露出水面。

試驗(yàn)設(shè)置4支波高儀，采樣頻率為100 Hz，1號(hào)波高儀位于水槽前端距造波板11.5 m處，用于測(cè)量入射波高；2，3，4號(hào)波高儀分別置于樁周0.5倍樁徑處，用于監(jiān)測(cè)樁周不同方向的波高。樁前1 m處布設(shè)多普勒流速儀（ADV），用于采集入射流速。同時(shí)，在樁身及樁周土體內(nèi)共布設(shè)16個(gè)孔壓傳感器，用于測(cè)量試驗(yàn)過程中樁體及樁周土體內(nèi)的超孔壓變化情況，具體試驗(yàn)布置如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)布置圖Fig. 2 Layout of the test

為了在試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)樁周沖深，采用馬麗麗[2]提出的非接觸式?jīng)_深監(jiān)測(cè)技術(shù)捕捉樁周沖深發(fā)展，具體布設(shè)如圖3（a）所示。攝像頭置于樁體內(nèi)部，使攝像頭中心與樁體中心重合。用實(shí)際間距為 1 cm的條紋紙緊密包裹在模型樁外側(cè)進(jìn)行拍攝，將拍攝照片的像素間距與實(shí)際距離進(jìn)行標(biāo)定，得到像素距離與實(shí)際距離的擬合關(guān)系，如圖3（b）所示。試驗(yàn)過程中捕獲任意時(shí)刻的沖刷邊界圖像，進(jìn)行黑白二值化處理，獲取圖像邊界，計(jì)算圖像邊界到圖像中心的像素距離，再根據(jù)擬合曲線，反算出實(shí)際距離，從而得到實(shí)際沖深數(shù)據(jù)，具體處理示意圖如圖3（c）所示。另外，由于試驗(yàn)過程中攝像頭始終處于水下，為避免監(jiān)測(cè)過程中光線折射的影響，前期攝像頭也應(yīng)置于水下標(biāo)定。

圖3 非接觸式?jīng)_深監(jiān)測(cè)示意圖Fig. 3 Schematic diagram of non-contact scour depth monitoring

1.2 MICP技術(shù)原理及處理方式

近年來(lái)，基于微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（MICP）的土體改性技術(shù)在巖土工程領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注，該技術(shù)利用自然界中具有礦化作用的細(xì)菌誘導(dǎo)生成碳酸鈣，填充土體孔隙，改善土體性質(zhì)。其中產(chǎn)脲酶細(xì)菌由于使用成本低、固化效果好、反應(yīng)過程可控等優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用。其基本原理是細(xì)菌分泌的脲酶水解尿素，生成CO32-和NH4+，當(dāng)環(huán)境中存在Ca2+且溶液離子活度積超過溶解常數(shù)時(shí)，碳酸鈣以晶體形式沉積。具體原理如圖4所示，主要反應(yīng)方程式如下[13-14]。

圖4 MICP作用原理圖[13]Fig. 4 Schematic diagram of MICP process[13]

試驗(yàn)所采用的細(xì)菌為巴氏芽孢桿菌，采用ATCC 1376 NH4-YE液體培養(yǎng)基活化及培養(yǎng)。膠結(jié)液為0.5 mol/L CaCl2、1 mol/L尿素、10 g/L胰蛋白胨和3 g/L牛肉浸膏混合制成。采用菌液和膠結(jié)液等體積交替噴灑方式，單次處理步驟如下：

（1）在樁周待處理范圍內(nèi)，以10 ml/cm2密度噴灑1.5倍孔隙體積菌液，靜置2 h，保證細(xì)菌充分吸附于海床砂顆粒；

（2）以10 ml/cm2密度噴灑相同體積膠結(jié)液，靜置22 h，同時(shí)在膠結(jié)液中添加藍(lán)色染劑以便于觀測(cè)膠結(jié)范圍；

（3）每次沖刷前使用微型貫入儀測(cè)試樁周膠結(jié)體表面強(qiáng)度。

其中，防護(hù)范圍及微型貫入儀測(cè)試點(diǎn)位選取如圖5所示。

圖5 微型貫入儀測(cè)試點(diǎn)位示意圖Fig. 5 Schematic diagram of micro penetrometer location

1.3 試驗(yàn)方案與流程

開展了不同波流條件下的單樁局部沖刷試驗(yàn)，針對(duì)波流耦合典型工況（U=0.3 m/s，H=10 cm，T=1.4 s）進(jìn)行了拋石防護(hù)、翼板防護(hù)和MICP防護(hù)下的沖刷試驗(yàn)。其中拋石防護(hù)根據(jù)美國(guó)高速公路管理局推薦的 RICHARDSON等[15]的拋石中值粒徑規(guī)定：

式中：D50為拋石中值粒徑；U為流速；s為模型砂比重，2.65；K為墩形系數(shù)，圓柱體取 1.5。根據(jù)0.3 m/s的流速，計(jì)算選取中值粒徑為3 mm的均勻石子，布設(shè)在樁周待處理范圍內(nèi)，鋪設(shè)厚度為1 cm。翼板防護(hù)采用厚度為 1 cm的有機(jī)玻璃板，試驗(yàn)過程中使用玻璃膠固定于樁身底床面處。

具體試驗(yàn)流程如下：

（1）相機(jī)固定于模型樁內(nèi)部，使鏡頭中心與樁中心重合，進(jìn)行水下標(biāo)定；

（2）模型樁固定于沉砂池底部，在預(yù)設(shè)位置安裝孔壓傳感器、ADV和波高儀；

（3）利用落砂法分四層填筑砂子，通過質(zhì)量體積控制法保證每層相對(duì)密實(shí)度約 65%。而后向水槽中緩慢注水至所需水位，靜置3 d，使砂土飽和；

（4）緩慢排干水槽中的水，根據(jù)試驗(yàn)方案對(duì)樁周砂土進(jìn)行處理；

（5）向水槽中緩慢注水至所需水位，調(diào)整至試驗(yàn)所需波流條件，開啟攝像機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)錄制，打開數(shù)據(jù)采集儀器，開始試驗(yàn)；

（6）沖刷試驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉造波和造流設(shè)備，緩慢排干水槽中的水，對(duì)沖刷坑進(jìn)行測(cè)量拍照，而后整理試驗(yàn)儀器，準(zhǔn)備下一組試驗(yàn)，具體工況設(shè)置如表1所示。

表1 試驗(yàn)工況Table 1 Experimental conditions

2 結(jié)果分析

2.1 樁周沖刷深度發(fā)展情況分析

樁基極限平衡沖深是工程界關(guān)注的核心問題，同時(shí)對(duì)于沖深隨時(shí)間發(fā)展的過程研究也至關(guān)重要，SUMER等[16]提出了沖深隨時(shí)間發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)公式，描述了任意時(shí)刻的沖深S與極限平衡沖深的關(guān)系：

式中：Se是極限平衡沖深；參數(shù)T0是關(guān)于時(shí)間尺度的常數(shù)。本試驗(yàn)利用非接觸式單樁沖刷監(jiān)測(cè)技術(shù)，可獲取任意時(shí)刻沖刷深度，對(duì)樁周沖刷起動(dòng)和發(fā)展過程有更為準(zhǔn)確的把握。

（1）未防護(hù)下樁周沖深發(fā)展

在波浪單獨(dú)作用下，可以看到隨著波高的增加，砂紋首先出現(xiàn)在樁側(cè)，并逐步向樁前后發(fā)展，圖6（a）以H=10 cm，T=2.2 s工況為例，展示了樁周砂紋發(fā)展情況。

圖6 波浪單獨(dú)作用下樁周沖刷形態(tài)圖Fig. 6 Scour shape around monopile under single action of wave

圖6（b）給出了最大周期T=2.2 s時(shí)不同波高下樁周最終沖刷形態(tài)，可以看出，波高為5 cm時(shí)，樁周砂土無(wú)任何變化；當(dāng)波高增至7.5 cm時(shí)，樁側(cè)開始出現(xiàn)砂紋；當(dāng)波高增至10 cm時(shí)，砂紋擴(kuò)展至整個(gè)床面，所有工況樁周均無(wú)明顯沖刷坑形成。

波浪作用下樁基周圍的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)由KC數(shù)控制[17]，KC數(shù)定義如下：

式中：Uwm為波浪誘導(dǎo)的床面附近水質(zhì)點(diǎn)流速幅值；T為波浪周期；D為樁徑。一般KC＞6時(shí)，樁周會(huì)形成渦結(jié)構(gòu)。KC數(shù)較小時(shí)，渦結(jié)構(gòu)的影響逐漸減小[17-18]。

圖7展示了波浪單獨(dú)作用下各個(gè)工況的流速幅值，可以看出，Uwm隨波高和波浪周期的增加而變大。選取T=2.2 s，H=10 cm 的最大的波浪條件，其流速幅值Uwm=0.216，該工況下KCmax=4.32＜6，因此波浪單獨(dú)作用下樁周均未產(chǎn)生明顯沖刷坑。

圖7 波浪單獨(dú)作用下流速幅值Fig. 7 Velocity amplitude under single action of wave

圖8展示了單向流及波流耦合下樁周沖深發(fā)展時(shí)程。在0.2 m/s的單向流作用下，此時(shí)尚未達(dá)到砂床臨界流速，樁側(cè)有細(xì)微砂粒運(yùn)輸，沖刷現(xiàn)象并不明顯，整體發(fā)展較慢，且在試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)未達(dá)到極限沖深，最大沖深約為1D。當(dāng)流速增至0.3 m/s時(shí)，可以觀察到，沖刷發(fā)展迅速，約1 h左右沖深即發(fā)展到最大沖深的90%，最終極限平衡沖刷深度約為1.1D。單向流作用下的沖刷主要由 Shields數(shù)θ控制，Shields數(shù)反映了水流促使床沙運(yùn)動(dòng)的力和床沙抗運(yùn)動(dòng)的力的比值，計(jì)算公式如下：

圖8 樁周最大沖深發(fā)展時(shí)程曲線Fig. 8 Development of maximum scour depth around monopile with time

臨界 Shields數(shù)，θcr：

式中：s為模型砂比重；uf為摩阻流速，通過對(duì)實(shí)測(cè)剖面流速進(jìn)行對(duì)數(shù)擬合得到；v是水的運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)；d50為砂顆粒中值粒徑。計(jì)算可得θcr=0.055，流速為0.2 m/s時(shí)，θ = 0 .035＜θcr，為靜床沖刷，流速為0.3 m/s時(shí)，θ=0 .073＞θcr，為動(dòng)床沖刷。

在波流耦合作用下，沖刷發(fā)展更為迅速，約在1.5 h時(shí)即發(fā)展到極限平衡沖深，同時(shí)由于有砂粒補(bǔ)充，后期沖刷基本處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。另外可以看出，在波高和流速一定時(shí)，隨著波浪周期的增加，極限平衡沖深也隨之增加。在周期T=2.2 s時(shí)，極限平衡沖深達(dá)到了 1.5D，比單向流作用時(shí)增加了約36.4%。同時(shí)，通過擬合曲線也能明顯看出，隨著水動(dòng)力條件的增強(qiáng)，前期沖刷發(fā)展速率明顯變大。

（2）傳統(tǒng)防護(hù)后樁周沖深發(fā)展

針對(duì)波流耦合作用下典型工況（U=0.3 m/s，H=10 cm，T=1.4 s）對(duì)樁周進(jìn)行拋石防護(hù)和翼板防護(hù)處理，對(duì)比不同處理措施的防護(hù)效果，圖9展示了兩種措施處理后的樁周沖深發(fā)展時(shí)程曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，翼板及拋石防護(hù)均改變了樁周沖刷發(fā)展模式。在未防護(hù)條件下，沖刷在1 h內(nèi)即發(fā)展到極限平衡沖深的90%；采取防護(hù)措施后，沖深隨時(shí)間均勻發(fā)展，且在6 h時(shí)并未達(dá)到極限平衡狀態(tài)。并且隨著防護(hù)面積增加，無(wú)論何種防護(hù)方式，均顯著減小了極限平衡沖深。

圖9 傳統(tǒng)防護(hù)下樁周沖深發(fā)展時(shí)程曲線Fig. 9 Development of scour depth around monopile with traditional protection

對(duì)于翼板防護(hù)，當(dāng)防護(hù)范圍增大至D時(shí)，最大沖刷深度為 0.73D，相比未防護(hù)狀態(tài)，相同時(shí)間內(nèi)最大沖深減小了約43.4%。對(duì)于拋石防護(hù)，當(dāng)防護(hù)范圍擴(kuò)大至D時(shí)，最大沖深約為0.36D，相比未防護(hù)狀態(tài)，最大沖深減小了72.1%。相比而言，拋石防護(hù)效果顯著優(yōu)于翼板防護(hù)。

同時(shí)，兩種傳統(tǒng)防護(hù)措施在試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)均未達(dá)到極限平衡沖深，可以觀察到?jīng)_深隨時(shí)間仍在發(fā)展，因此其防護(hù)效果的長(zhǎng)期有效性并不能保證。

（3）MICP處理后樁周沖深發(fā)展

通過試驗(yàn)對(duì)比了MICP不同處理范圍和不同處理次數(shù)的防護(hù)效果。

圖10展示了MICP處理后樁周最大沖深發(fā)展時(shí)程曲線（其中0.5D-1表示防護(hù)范圍為0.5D，處理次數(shù)為一次），可以看出對(duì)于 0.5D-1的工況，MICP幾乎沒有起到防護(hù)效果，此時(shí)沖刷發(fā)展仍遵循傳統(tǒng)沖刷模式，沖刷結(jié)束后樁周也無(wú)明顯膠結(jié)塊體。而其他幾個(gè)工況中，MICP處理顯著延緩了沖刷啟動(dòng)時(shí)刻。圖11展示了MICP不同處理工況的最終沖刷形態(tài)?？梢钥闯?，在0.5D-4，D-2，D-4工況中，樁周一定范圍內(nèi)形成膠結(jié)塊體，此時(shí)樁周無(wú)沖坑形成，且膠結(jié)塊體隨著處理范圍的增大而增大。通過最終沖刷形態(tài)可以看出，對(duì)于0.5D-2的工況，樁周膠結(jié)體側(cè)后方部分被拍碎。主要原因是MICP膠結(jié)的不均勻性導(dǎo)致側(cè)后方強(qiáng)度較低，膠結(jié)體在波浪拍擊作用下發(fā)生破碎失效。對(duì)于D-1的工況，樁周也形成了膠結(jié)體，但由于膠結(jié)強(qiáng)度不高，膠結(jié)塊體與樁體脫落，導(dǎo)致膠結(jié)體脫落失效。

圖10 MICP處理后樁周最大沖深發(fā)展時(shí)程曲線Fig. 10 Maximum scour depth with MICP treatment

圖11 MICP防護(hù)最終沖刷形態(tài)Fig. 11 Final scour form of MICP protection

同時(shí)，MICP處理后，樁周形成圓臺(tái)形膠結(jié)體，從而導(dǎo)致流場(chǎng)向外擴(kuò)散，引起膠結(jié)體外側(cè)發(fā)生邊緣沖刷。表2展示了 MICP處理后樁周膠結(jié)體及邊緣沖刷的發(fā)展情況，其中Wcmax，Scmax代表了膠結(jié)體的最大寬度和深度，Wemax，Semax代表了邊緣沖刷的最大寬度和深度，具體定義如圖12所示?？梢杂^察到，當(dāng)處理次數(shù)相同時(shí)，隨著防護(hù)范圍的擴(kuò)大，邊緣沖刷也顯著減小，主要原因是 MICP形成的膠結(jié)體仍具有一定的滲透性，流場(chǎng)在向外擴(kuò)散的過程中不斷消耗，因此防護(hù)范圍越大，流場(chǎng)在向外擴(kuò)散的過程中消耗越多，最終邊緣沖刷也就越小。

表2 邊緣沖刷發(fā)展情況Table 2 Development of edge erosion

圖12 邊緣沖刷示意圖Fig. 12 Schematic diagram of edge erosion

利用微型貫入儀測(cè)試沖刷前樁周膠結(jié)體表面強(qiáng)度q，點(diǎn)位選擇如圖5所示。圖13展示了處理范圍為 0.5D時(shí)不同處理次數(shù)測(cè)量的表面強(qiáng)度的分布情況，其結(jié)果與未處理的砂土表面強(qiáng)度q0做歸一化處理?？梢钥闯?，處理次數(shù)越多，樁周膠結(jié)體表面強(qiáng)度越高。當(dāng)處理一次時(shí)，樁周不同位置處表面強(qiáng)度有較大差別，越靠近樁體位置處強(qiáng)度越高。在樁體后側(cè)（270o）最外側(cè)，表面強(qiáng)度只有最內(nèi)側(cè)的49.1%，這主要是MICP膠結(jié)的不均勻性導(dǎo)致的，使得膠結(jié)體強(qiáng)度差異較大。當(dāng)處理次數(shù)為兩次時(shí)，樁體后側(cè)的強(qiáng)度差異仍然比較明顯，隨著處理次數(shù)的增加，同一方向上不同位置處表面強(qiáng)度差異逐漸減小，這主要是因?yàn)殡S著處理次數(shù)增加，樁周菌液和膠結(jié)液能夠充分反應(yīng)，效果不斷加強(qiáng)，膠結(jié)體的強(qiáng)度整體也隨之提高。綜合比較幾種防護(hù)措施，MICP防護(hù)在選擇合適的處理范圍和處理次數(shù)后，效果優(yōu)于傳統(tǒng)防護(hù)。

圖13 MICP處理不同次數(shù)樁周表面強(qiáng)度分布示意圖Fig. 13 Surface strength distribution around monopile in different times of MICP treatment

當(dāng)處理次數(shù)為兩次時(shí)，樁體后側(cè)的強(qiáng)度差異仍然比較明顯，隨著處理次數(shù)的增加，同一方向上不同位置處表面強(qiáng)度差異逐漸減小，這主要是因?yàn)殡S著處理次數(shù)增加，樁周菌液和膠結(jié)液能夠充分反應(yīng)，效果不斷加強(qiáng)，膠結(jié)體的強(qiáng)度整體也隨之提高。綜合比較幾種防護(hù)措施，MICP防護(hù)在選擇合適的處理范圍和處理次數(shù)后，效果優(yōu)于傳統(tǒng)防護(hù)。

2.2 超孔壓響應(yīng)分析

由于樁周不同位置的超孔壓發(fā)展及分布基本類似，本文選取樁前位置處超孔壓進(jìn)行分析。圖14展示了樁前豎直面內(nèi)（點(diǎn)1，2，3）未防護(hù)及MICP防護(hù)的超孔壓時(shí)程曲線。相比于未防護(hù)狀態(tài)，采取防護(hù)措施后，一倍樁徑深度處的超孔壓幅值明顯減小，且隨著處理次數(shù)增加，孔壓幅值減小程度越大。主要是因?yàn)樘妓徕}的孔隙填充作用，使得海床滲透性減小，進(jìn)而減小了孔壓向下傳遞。同時(shí)，可以觀察到，采取防護(hù)措施后，樁前超孔壓的相位遲滯效應(yīng)也明顯減小。

圖14 不同工況下樁前豎直面內(nèi)孔壓響應(yīng)時(shí)程圖Fig. 14 Excess pressure response in front vertical plane of monopile under different working conditions

取未防護(hù)狀態(tài)下，床面表層超孔壓幅值為p0，圖15提取了MICP防護(hù)后樁前各點(diǎn)位歸一化超孔壓幅值p/p0沿深度的分布?？梢园l(fā)現(xiàn)，床面以下同一深度處，MICP處理后的超孔壓幅值明顯減小，且一倍樁徑深度內(nèi)，超孔壓衰減梯度增加。隨著MICP處理次數(shù)的增加，超孔壓衰減梯度越大，這表明MICP處理后表層海床承擔(dān)了更大的滲透力。采用酸洗法對(duì)MICP處理后樁周形成的膠結(jié)體進(jìn)行碳酸鈣含量測(cè)量，所用HCL濃度為1 mol/L。

圖15 樁前豎直面內(nèi)歸一化超孔壓幅值分布Fig. 15 Distribution of normalized excess pore pressure in front vertical plane of monopile

圖16展示了碳酸鈣含量沿深度分布情況，可以看出，同一深度處，碳酸鈣含量隨著MICP處理次數(shù)的增加而增加。由于砂床對(duì)細(xì)菌及膠結(jié)液的濾過效應(yīng)，碳酸鈣含量隨深度逐漸減小，表層碳酸鈣較多，因此表層海床承擔(dān)了更大的滲透力。

圖16 碳酸鈣隨深度分布圖Fig. 16 CaCO3 distribution map with depth

圖17（a）給出了未處理海床砂顆粒的電鏡圖像，可以發(fā)現(xiàn)，此時(shí)砂顆粒棱角分明，形狀規(guī)則且較為統(tǒng)一，表面光滑且顆粒間存在明顯孔隙。圖17（b）展示了MICP處理后砂顆粒電鏡圖像，明顯看出此時(shí)顆粒表面生成了較多的球狀碳酸鈣結(jié)晶。圖18結(jié)合 MICP處理后的砂顆粒電鏡圖像，分析了MICP的作用機(jī)理，可以看到碳酸鈣晶體在海床砂中主要起到3個(gè)作用：（1）顆粒包裹，增加顆粒粒徑及表面粗糙度；（2）粒間橋接，增加海床強(qiáng)度，提高海床顆粒沖刷起動(dòng)流速；（3）孔隙填充，減小海床滲透性，淺層膠結(jié)體消耗了更多的滲透力。未處理海床在波流耦合作用下為沖刷和液化聯(lián)合破壞模式，波谷區(qū)域的瞬態(tài)液化致使海床砂的有效應(yīng)力減小至0，在來(lái)流的作用下，沖刷更易啟動(dòng)。MICP處理之后，顆粒之間形成了有效橋接與孔隙填充，一定程度上提高了海床顆粒重度，增加了床面顆粒沖刷起動(dòng)流速，同時(shí)MICP作用形成的膠結(jié)體提高了海床強(qiáng)度及抗液化能力，從而提高了海床的抗沖蝕能力。

圖17 MICP處理前后電鏡對(duì)比圖Fig. 17 Comparison of SEM images before and after MICP treatment

圖18 碳酸鈣結(jié)晶作用機(jī)理圖Fig. 18 Illustration of calcium carbonate crystallization

3 結(jié) 論

利用大斷面水槽，開展了單樁基礎(chǔ)的MICP防護(hù)及傳統(tǒng)防護(hù)沖刷試驗(yàn)研究，比較了不同防護(hù)措施的防護(hù)效果，并對(duì)MICP作用后的海床進(jìn)行了強(qiáng)度測(cè)試、碳酸鈣含量測(cè)量以及電鏡掃描試驗(yàn)，結(jié)合海床超孔壓響應(yīng)，得出以下結(jié)論：

（1）傳統(tǒng)防護(hù)措施（翼板及拋石防護(hù)）均改變了樁周沖刷發(fā)展模式。在未防護(hù)狀態(tài)時(shí)，沖刷在1 h內(nèi)即發(fā)展到極限平衡沖深的90%，采取防護(hù)措施后，沖刷隨時(shí)間均勻發(fā)展，且在6 h后并未達(dá)到極限平衡狀態(tài)，拋石防護(hù)效果優(yōu)于翼板防護(hù)。

（2）MICP處理可以延緩沖刷啟動(dòng)時(shí)間。其防護(hù)效果與處理次數(shù)和處理范圍有明顯的相關(guān)性，當(dāng)處理范圍較小，處理次數(shù)較低時(shí)，MICP膠結(jié)的不均勻性易導(dǎo)致膠結(jié)體強(qiáng)度較小，在波浪拍擊作用下發(fā)生膠結(jié)體破碎失效或脫落失效。隨著處理次數(shù)和范圍的增加，樁周形成強(qiáng)度較高的膠結(jié)體，無(wú)沖坑形成，且膠結(jié)塊體隨著處理范圍的增大而增大。

（3）MICP處理后，樁前超孔壓的相位遲滯效應(yīng)明顯減小，床面強(qiáng)度隨處理次數(shù)的增加而增加，同時(shí)海床沿深度方向的孔壓衰減梯度也隨著處理次數(shù)的增加而增大；由于海床的篩濾作用，生成的碳酸鈣含量隨深度逐漸降低，碳酸鈣填充降低了海床的滲透系數(shù)，致使淺層海床承擔(dān)了更大的滲透力。碳酸鈣晶體在海床砂中主要起到3個(gè)作用：a）顆粒包裹，增加顆粒粒徑及表面粗糙度；b）粒間橋接，增加海床強(qiáng)度，提高海床顆粒沖刷起動(dòng)流速；c）孔隙填充，減小海床滲透性，使淺層膠結(jié)體消耗了更多的滲透力。整體而言，MICP的膠結(jié)作用極大提高了海床的抗沖蝕能力。