单桩基础广泛应用于桥梁、海上风电和海洋平台等结构，其长期稳定性直接关系到工程的安全性与使用寿命。然而，由于海洋和河流环境中的复杂水动力作用，桩基周围的局部冲刷现象普遍存在。局部冲刷会导致桩基周围土体的流失，进而降低基础的承载能力，甚至引发结构失效，造成严重的经济损失和安全隐患。尽管研究人员针对冲刷深度预测已开展了大量研究，但现有方法大多依赖经验模型，难以全面反映冲刷发生发展的物理机制，并易受到尺度效应的影响。本研究突破传统经验模型的局限性，考虑了水流-桩基-海床相互作用过程中的基本物理机制，分别针对单向流作用下黏土和砂土底床中的单桩基础，建立了局部冲刷发展时变预测模型，以揭示冲刷深度随时间的演变规律。

考虑黏土的团簇结构特性，引入“拟中值粒径”概念以表征冲刷过程中黏土聚集体的特征尺寸，并利用湍流唯象理论推导出作用在冲刷坑内沉积聚集体上的剪应力表达式，结合黏土输运的经典模型构建局部冲刷深度随时间变化的常微分方程，定量描述冲刷深度的时变特性。所提出的模型全面考虑了影响冲刷过程的关键参数，有效克服了传统冲刷预测方法中普遍存在的尺度效应问题。系统性的搜集整理了文献中的32组试验数据，对模型的关键系数进行率定。模型预测结果与实验数据的对比分析表明，模型具备较好的预测精度和泛化能力。进一步将模型应用于非恒定流条件，实验验证表明，该模型在流速变化条件下同样适用。

针对砂土底床条件，从水流对冲刷坑内沉积物颗粒的做功过程入手，推导了砂土床面剪应力的有效表达式。进一步结合能量守恒原理，从物理机制角度构建恒定流及非恒定流作用下砂土桩基局部冲刷深度发展的时间演化模型。模型不仅能够准确刻画冲刷随时间的变化趋势，还能有效预测最大冲刷深度。实验验证表明，该模型在不同水动力条件下均能再现冲刷深度的演化过程，并与已有实验数据保持良好一致性。此外，通过无量纲时间尺度下冲刷深度误差比率的概率密度函数分析，进一步证明了模型的预测精度和适用性。

本研究在理论上深化了对局部冲刷物理机制的理解，相较于传统的经验公式，所建立的时变模型能够更准确地预测不同水动力条件下的冲刷演化过程，可为桥梁、海上风电、海洋平台等工程中的桩基础抗冲刷设计提供理论支持，对提升海洋与河流环境中桩基结构的安全性和耐久性具有重要意义。