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

第一章绪论

措施减少局部冲刷作用的方法。印度和丹麦研究者S. Dey 和 B. M. Sumer[5]曾共

同研究过两种形式的桩身防冲刷结构，一种是对称分隔板，另一种是桩身螺线结

构，这两种结构能破坏桩周漩涡分离，因此可以实现降低冲刷深度的作用，如图

1-3所示。台湾陈树群[6]申请了桥墩导水防冲刷装置的专利，利用导水装置将水流

向下导引，防止对河床产生冲刷淘蚀。

图1-3 分隔板和螺旋线冲刷防护结构[5]

但是，上述这些桥墩局部冲刷防护工程方法和措施都有一定的使用局限性和

适用范围，在近海环境下应用存在较大难度。传统的抛石防冲刷技术适于水深不

大，的河流桩基或桥台、堤岸的防护，对跨海桥梁桩基施工不便，并不适用。对称

分隔板要求水流方向基本固定，桩身螺线结构需在成桩时就焊接在桩身上，在实

际施工中打桩深度难以确定，因此也未见该方法的应用成果。桥墩导水防冲刷装

置仅适于水流冲刷条件，且水流方向应基本固定。相对来说，Dargahi[7]研究的减

速护圈装置防冲刷简单易行，还可以采用组合的方式进行冲刷防护[8]，但该方法

对护圈安放位置有较高要求，离床面距离过高或过低都起不到防冲的效果，在动

床冲刷条件下，护圈常常失效[9]。

上述几类防冲刷技术多数适于水流冲刷作用下桩基或桥墩的防护，基本没有

近海环境下抗冲刷桩竖向振动及抗液化关键技术研究

考虑波浪作用的影响，而跨海桥梁桩基在近海水深不是很深的情况下，由于波浪

作用产生的海床孔压积累作用[10]是加剧冲刷的重要原因。日本科技人员 Harada 等

人研究了既有桩基抵抗地震导致的液化的方法[11]，通过安设排水管加速桩周的孔

压消散，可以有效的提高桩周土抗液化能力，提高既有桩基的稳定性，但该方法

成本较高，且在陆地施工较为方便，而近海环境中应用存在很大难度。

同时，随着我国海洋开发战略的实施，海洋工程不断兴建，海洋桩基工程蓬

勃发展，如近年来跨海大桥工程的兴建，大量的采用桩基作为桥梁基础，与之相

关的研究也取得了丰硕的成果。海洋桩基由于工程环境的变化，与陆地上的桩基

工程有较大差别，桩基的静、动力检测技术也存在较大差异。桩在海洋中必须要考

虑波浪、潮流等作用对海床和桩基的影响。海洋桩基与海床及流体的相互作用是一

个非常复杂的耦合体系，波浪荷载作用于海床表面，波浪也会作用于桩体将波浪

力间接传递给海床地基，桩的存在还会造成波浪的绕射和反射，这些复杂的相互

作用造成海洋桩基的性能分析更加困难。

可喜的是，近年来，桩土动力相互作用体系的研究得到了快速的发展，目前

主要有三种的研究方法，离散模型解析方法、连续体模型解析方法和有限元、边界

元等数值方法。离散模型是使用弹簧和粘壶来描述系统的行为，即 Winkler 地基

模型，这种方法模型较简单，便于进行桩土间的动力相互作用简化分析，已经有

了大量的研究，但分析结果依赖于模型参数的选取，而且忽略了土层的连续性

[12]。连续体模型是把土作为连续介质建立土层的运动方程，连续介质理论解对于

洞悉桩土相互作用的本质有重要的作用，也可用来校核数值方法，因此在研究中

有重要的价值。Muki 等[13]提出了较严格的数学模型，基于轴向静力荷载从有限长

的弹性杆向无限弹性介质传递的经典弹性理论，将三维杆单元当作一维问题来处

理，建立了杆在连续介质中运动的控制方程，将杆与半空间弹性体系分解成虚拟

杆和扩展的弹性半空间，利用虚拟杆与扩展半空间的应变协调条件，得到

Fredholm第二类积分方程，然后利用数值积分得到问题的解。Fowler[14]利用虚拟

杆件法解决了杆在弹性半空间的动力荷载传递问题。Nogami 等[15,16]研究了粘弹性

土层中端承桩的稳态水平振动问题，忽略了土的垂直运动，得到了桩水平振动的

封闭解。上述研究来源于桩土动力相互作用分析，主要集中在单相介质中，忽略

了土是一种复杂的多相介质，因此也无法深入的分析动力荷载作用下有效应力和

孔压的变化问题。Jin[17]将 Muki的虚拟桩法拓展到饱和土中，研究了饱和半空间

中桩的横向振动问题，但是虚拟桩法的缺陷在于桩土之间的耦合作用只能限定在

完全耦合条件，限制了该方法向较复杂的接触条件发展。李强采用分离变量法建

立了桩土的动力相互作用求解体系，可以模拟复杂的接触条件[18]。由于近海环境

第一章绪论

中桩基工程的复杂性，以往关于海洋桩基的动力相互作用问题的理论研究一般采

用简化方法进行分析，主要从两个方面加以简化，一类是不考虑桩与海床的相互

作用问题，研究波浪对桩柱的作用[19]，侧重点在于波浪对结构的作用力，进而分

析结构的稳定性；另一类是与陆地上分析桩基的方法雷同，不考虑波浪对海床的

作用，也不考虑由此带来的海床的变化对桩的影响，只考虑桩与海床的相互作用

并将波浪转换成一个波浪力直接施加在桩身，而后采用解析或数值方法对桩与海

床作用进行分析[20]。这些研究均忽略了海洋环境下波浪对海床的相互作用，在海

洋环境中，由于波浪的作用造成海床中孔压变化，虽然波浪作用下海床的动力响

应问题已有较多的研究，但多数仍是采用弹性理论分析[21]或是通过非耦合的方法

来研究波浪作用下海床中产生的孔压积累[22,23]，理论预测的孔压变化和积累与试

验结果还很难较好地吻合。波浪作用频率较低，历时较长，土体处于排水状态，

波浪作用于海床时产生往复的波压力，波压力作用下海床内孔压呈现两种状况

[24]。当孔压积累作用高于排水产生的孔压消散时，表现出孔压积累，孔压积累有

时会达到上覆有效应力，从而产生液化；当孔压消散作用强于孔压积累时，孔压

不会积累，但在交变的波压力作用下土体受力呈现主应力轴旋转，孔压也是交变

的，有可能在瞬时出现孔压超过上覆有效应力的情况，这时海床的液化是瞬时的

严格来说，海床的孔压场和有效应力场是耦合的，应发展海床在动力作用下的弹

塑性模型，通过有限元法来计算海床的动力响应问题，但目前尚缺乏有效的动力

弹塑性模型[25]，只能依靠试验方法对波浪作用下的冲刷特征进行物理模拟，因此

开展模型试验研究是掌握波浪-桩-海床的动力相互作用必然途径。桩土动力相互

作用研究是研究者长期关注的课题，但以往关于土层液化和孔压积累对桩基影响

的试验研究主要集中在抗震工程领域[26]，由地震引起的液化和孔压积累作用对桩

基的影响往往采用振动台试验[27]或离心机试验[28]进行研究；而波浪引起的海床液

化和孔压积累与地震作用在机理上是有所区别的，目前波浪作用下桩与海床动力

相互作用的试验研究还较为少见。相对而言，桩柱的冲刷作用或波浪对桩柱的作

用力问题的试验研究成果较多[29-32]，但针对波浪作用下全面考虑冲刷和孔压积累

作用的桩基与海床动力相互作用的试验尚未见报道，因此有必要开展这方面的试

验研究，以便掌握波浪作用下桩周的冲刷特征和海床孔压积累规律或海床液化特

征，调查海床受波浪作用产生的变化及其对桩基的影响。

1.2 冲刷防护装置设计

桩周围的流场结构主要包括桩前水面涌波、迎水面向下水流和尺度很大的旋

涡。旋涡是一个复杂的综合水流结构,它包括迎水面向下水流、两侧绕流在床面附

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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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