近海环境下抗冲刷桩竖向振动及抗液化关键技术研究

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3.0 牛悦 2024-11-11 4 4 39.92MB 87 页 15积分

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近海环境下抗冲刷桩竖向振动

及抗液化关键技术研究

摘要

本文依托舟山连岛大桥工程建设项目，研究目标是建立一种新型的适用近海工

程环境的桩基，提出简单实用的桩周海床抗液化方法，从而尽可能降低近海环境中

桩基受波浪作用引起的海床液化和冲刷造成的危害。论文首先通过土动力学实验研

究，建立起舟山海域饱和砂土的孔压积累模型，提出考虑波浪作用下海床中孔压积

累和海床液化影响的桩与海床动力相互作用理论，通过造波机模拟波浪，开展波浪

水槽模型试验，测试波浪作用下新型桩基的冲刷规律和海床中的孔压积累规律，分

析它们对桩的动力稳定性的影响，进而采用波浪水槽模型试验研究近海桩基的抗液

化方法及其效果。主要工作如下：

(1)针对近海环境下的桩基冲刷防护，考虑波浪和流体冲刷的共同作用，设计

出合理的可以同时改变桩周绕流和消波的冲刷防护结构，提出海床抗液化方案，可

在近海工程中得到推广应用。

(2)利用现有试验条件，设计与建造了模型试验系统，针对近海环境下的桩基

冲刷特点，对波浪冲刷作用和流体冲刷作用开展了试验模拟。

(3)针对实验研究设计的近海桩基冲刷装置，研究该装置在单向水流作用下的

冲刷防护效果，并对影响桩冲刷防护的各种影响因素开展数值模拟，以全面了解装

置的特性和效果，以便提出合理的参数，进一步改进设计构想。通过数值模拟，反

映出该装置效果明显，其结果可以与模型试验和现场试验相互验证。

(4)针对近海环境下的工程特点，研制了近海桩基冲刷防护装置，在舟山连岛

大桥工程的第二座大桥（响礁门大桥）中进行了现场应用，通过安装实施和现场检

测，取得了一定的效果，可望在我国近海桥梁工程建设中得到推广应用。

关键词：近海环境抗冲刷抗液化防护装置模型试验数值模拟

现场检测

ABSTRACT

This article relying on the engineering construction projects of Zhoushan Tombolo

Br idge, t he g oa l of thi s s tu dy i s to esta b lis h a ne w pi le t ha t is a pplic ab le t o off sho re

e n g i n e e r i n g e n v i r o n m e n t , a n d p r o p o s e a s i m p l e a n d p r a c t i c a l m e t h o d o f a n t i -

liquefaction at the seabed of the pile, so as to minimize the harm caused by wave action

in the seabed liquefaction and erosion on pile foundation in offshore environment. By

experimental study of soil dynamics first, it establishs the pore pressure accumulation

model of saturated sand in Zhoushan seas, and put forward the seabed dynamic

interaction theory which consider the accumulation of pore pressure and the liquefaction

o n t h e s e a b e d u n d e r w a v e a c t i o n i n t h e t h e s i s , w a v e i s s i m u l a t e d b y w a v e m a k e r ,

research carried out a wave flume model tests, test the law of the novel pile foundation

e r o s i o n a n d t h e p o r e p r e s s u r e a c c u m u l a t i o n i n t h e s e a b e d u n d e r w a v e a c t i o n , a n d

analyzed their impact on the dynamic stability of the pile, then used wave flume model

experiment to study the method and its effect of anti-liquefaction on offshore pile

foundation. The main work is as follows:

(1) A c c o r d i n g t o p i l e f o u n d a t i o n s c o u r p r o t e c t i o n i n o f f s h o r e e n v i r o n m e n t a n d

considering the combined effect of waves and fluid erosion, the reasonable fluid erosion

protection struction that can change the flow around the pile and the wave absorption is

de s ig ne d a n d th e a nt i -li q ue fa c ti o n pr o gr a m o f the s e a- be d is p r op o se d, wh i ch c a n be

promoted on the use of offshore engineering.

(2) U s i n g o f e x i s t e d t e s t c o n d i t i o n s , a m o d e l t e s t s y s t e m i s d e s i g n e d a n d b u i l t .

Acorrding to pile foundation erosion characteristics in the offshore environment, it carry

out a test simulation to wave scouring action and fluid scouring action.

(3) A c o r r d i n g t o t h e o f f s h o r e p i l e f o u n d a t i o n s c o u r d e v i c e , d e s i g n e d t o

experimental research, the researcher study the effects of scour protection device in the

one-way under the action of water, and carry out numerical simulation of the various

factors affecting the pile scour protection, in order to fully understand the characteristics

and effects of the device, then put forward reasonable arguments, further improve the

d e s i g n c o n c e p t . T h r o u g h n u m e r i c a l s i m u l a t i o n , t h e e f f e c t o f t h e d e v i c e i s o b v i o u s ,

the result can be mutually verified between model tests and field trials.

(4) A c o r r d i n g t o e n g i n e e r i n g c h a r a c t e r i s t i c s i n t h e o f f s h o r e e n v i r o n m e n t , t h e

re s ea rc h er de v el o pe d o ffs ho r e p il e s co u r pro t ec t io n d ev ic e an d app l ie d i n t he s e co nd

bridge (Xiangjiaomen Bridge) of Zhoushan Tombolo Bridge project, by implementation

an d sit e te st ing, i t ac hi ev ed a c ertai n eff ect, wh i ch is exp ec te d to p ro mote th e us e of

bridge construction projects in coastal waters of China.

Key word: o f f s h o r e e n v i r o n m e n t, a n t i - e r o s i o n, a n t i - l i q u e f a c t i o n ,

protective devices, model test, numerical simulation, site test

目  录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论..........................................................1
1.1 国内外研究概况..............................................1
1.2 冲刷防护装置设计............................................6
1.3 冲刷防护装置制造............................................7
1.3.1 技术要求................................................7
1.3.2 制造工艺................................................8
第二章 复杂条件下基桩振动关键技术理论研究...........................10
2.1 近海环境下桩基竖向振动理论与应用................................10
2.1.1数学模型与基本假定......................................10
2.1.2床面下桩段的桩土耦合振动解..............................13
2.1.3床面以上桩段桩竖向振动解................................17
2.2 数值计算分析.............................................18
2.3 结论.......................................................20
III

第三章 近海桩基冲刷与液化关键技术的模型试验研究.....................21
1模型试验系统设计与建造......................................21
1.1 模型试验水槽...........................................21
1.2 测试系统...............................................23
2 波浪冲刷模型试验与分析.....................................26
2.1 试验方案...............................................26
2.2 试验规划...............................................26
2.3 测试方法与内容.........................................31
2.4 试验结果与分析.........................................32
2.4.1 冲刷试验结果与分析.................................33
2.4.2 孔压测试结果与分析.................................38
2.4.3 冲刷与波压力和孔压的相关性研究.....................40
3 单流冲刷模型试验与分析.....................................40
3.1 试验规划...............................................40
3.2 测试方法与内容.........................................41
3.3 试验结果与分析.........................................42
第四章 近海桩基冲刷防护的数值模拟研究...............................45
1 数值模拟设计概况...........................................45
2 数值模型与计算分析.........................................46
2.1、数值模型的建立........................................46
2.2、数值计算与分析........................................46
3结论........................................................55
第五章 跨海桥梁桩基冲刷防护的现场试验研究...........................57
1 近海桩基冲刷防护装置的设计背景.............................57
2 现场试验与检测.............................................58
2.1 安装实施前的测试工作...................................58
2.2 现场安装工作...........................................67
2.3 现场检验工作...........................................69
3. 地形冲刷分析..............................................75
第六章 结论与展望...................................................78
1 结论.......................................................78
2 存在问题...................................................79
3 展望.......................................................79
参考文献............................................................80
IV

第一章绪论

1.1 国内外研究概况

近海环境中桩-海床-波浪是一个极其复杂的耦合体，波浪在作用于桩身的同

时也作用于海床，波浪作用于桩身会产生波压，使结构附加横向激振力而产生振

动，波浪作用于海床会引起海床中孔压积聚，甚至可能发生海床液化，同时海床

的孔压积累和液化作用也加剧了桩侧的冲刷作用，更加容易造成桩基的失稳，危

害到跨海桥梁桩基工程的安全。因此开展考虑波浪-桩-海床相互作用的抗冲刷和

抗液化关键技术研究，对于保证近海环境下桩基抗冲刷性能的有效提高，具有重

要意义。

工程界长期以来十分关注桥梁桩基的局部冲刷问题的研究，国内外研究者关

注的重点之一是海洋工程中结构在冲刷和液化作用下的结构稳定性问题。基于流

体力学和大量的模型试验研究，工程界对桩周局部冲刷机理已经有了全面的认识

系统的介绍可以参考 Sumer B M[1]关于海洋环境下冲刷机理研究的专著。欧盟曾组

织了六个国家，九个研究机构共同开展了海洋科学技术研究，其中海洋结构的冲

刷作用是其中一个重要研究内容。对于局部冲刷而言，其原因主要归结于桩柱周

围上游处流体的分离和下游处周期性的涡街释放。但在海洋环境下除了流的作用

外，波也是一个重要的影响因素，Chen G P 等[2]认为桩周的局部冲刷根据床面速

度和底质的起动速度以及波长和桩径比可以分为三种类型：浑水冲刷、对称角状

分布冲刷、环向冲刷，波流的共同作用会加剧局部冲刷作用。

由于桩周的波流冲刷作用会影响桥梁结构的稳定性，工程界对于减低桩周冲

刷一直较为关注，也提出了很多的冲刷防护措施。Chiew[3]把这些工程防护措施分

为两类：保护层措施和改变流场措施。近年来研究过的保护层措施，主要包括抛

石防护、扩大桥墩基础防护、混凝土铰链排防护、填充混凝土模袋防护、四脚混凝土

块防护和结构单元防护等，如图1-1所示；改变流场措施主要包括护圈防护、桥

墩的部分或整体开缝防护、墩前排桩防护、墩前淹没翼墙防护、墩前淹没底槛防护

和墩前淹没角槛防护等，如图1-2所示。

近海环境下抗冲刷桩竖向振动及抗液化关键技术研究

图1-1 实体抗冲防护工程措施 (房世龙[4])

图1-2 减速不冲防护工程措施 (房世龙[4])

事实上，为减少安装环节，还有一些研究者提出了在桩身结构上采取了一些

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摘要：

近海环境下抗冲刷桩竖向振动及抗液化关键技术研究摘要本文依托舟山连岛大桥工程建设项目，研究目标是建立一种新型的适用近海工程环境的桩基，提出简单实用的桩周海床抗液化方法，从而尽可能降低近海环境中桩基受波浪作用引起的海床液化和冲刷造成的危害。论文首先通过土动力学实验研究，建立起舟山海域饱和砂土的孔压积累模型，提出考虑波浪作用下海床中孔压积累和海床液化影响的桩与海床动力相互作用理论，通过造波机模拟波浪，开展波浪水槽模型试验，测试波浪作用下新型桩基的冲刷规律和海床中的孔压积累规律，分析它们对桩的动力稳定性的影响，进而采用波浪水槽模型试验研究近海桩基的抗液化方法及其效果。主要工作如下：(1)针对近海环境下...

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