高桩承台桩基波浪荷载试验研究.docx
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高桩承台桩基波浪荷载试验研究
高桩承台桩基波浪荷载试验研究
高桩承台桩基波浪荷载试验研究仇正中1,刘建波1,代浩2(1.中交第二航务工程局有限公司,湖北武汉430040;2.东南大学土木工程学院,江苏南京210000)摘要:
基于典型的冲刷坑形态,通过改变冲刷深度,对单桩、五桩和九桩进行了冲刷前、后波浪力试验,研究了波浪荷载的变化规律。
根据试验数据,对Morison公式的速度力系数和惯性力系数进行修正。
结果表明,随着冲刷深度增大,桩基础所受波浪荷载总体呈减小趋势。
同一冲刷深度条件下,桩基础所受波浪荷载随着水深增大而变小。
JTS145—2015《港口与航道水文规范》中速度力系数和惯性力系数取值相对保守,规范计算得出的速度力和惯性力约为实验室实测值的2.7倍和2.1倍。
关键词:
桩基础;物理模型试验;波浪荷载;速度力系数;惯性力系数0引言在近海、海岸工程设计施工中,桩基结构所承受的波浪荷载通常是结构设计的控制荷载,研究桩基波浪荷载很有必要。
桩基础一般为小尺度构件,波浪荷载一般采用Morison方程进行计算,方程中关于速度力系数和惯性力系数的取值主要基于JTS145—2015《港口与航道水文规范》[1]取值[2]。
实际上,不同国家针对这两个系数的取值并不相同,且有一定差距。
另外,深水处的跨江、跨海桥梁基础,受力情况复杂,桥梁桩基在水流冲刷作用下,桩周土体在水流形成的漩涡中不断被掏空,导致桩基周围产生冲坑,冲坑的存在对桩基波浪荷载也有一定的影响[3]。
本文通过室内模型试验,基于典型冲刷坑形态,通过改变冲刷深度来模拟不同局部冲刷作用对典型的单桩、五桩和九桩基础进行了冲刷前后的波浪荷载变化规律研究,并比较实验室实测的速度力和惯性力系数与规范值,对桩基波浪荷载的计算提供参考[4-5]。
1试验概况1.1模型桩制作本次试验模型比尺为1∶30,单桩、五桩和九桩基础示意见图1,其中五桩波浪荷载加载方向为0°和45°。
桩采用外径D=6cm,壁厚d=3mm的钢管制成,桩长L=100cm,群桩的桩间距取3D。
承台底部采用厚1cm的钢板制成,内部焊接1cm厚格构栅钢板,侧面采用3mm薄钢片焊接而成,钢片高5cm[6]。
图1桩基础结构示意图(单位:
cm)
Fig.1Schematicdiagramofpilefoundationstructure(cm)1.2试验场地条件试验在宽水槽中进行,水槽总长40m,净宽5.0m,其铺砂厚度为0.6m,桩基础布置在试验段的中央。
试验水槽一端为摇摆式造波装置,可产生规则波,事先在宽水槽内率定好波要素,试验时根据相应波要素产生规则波,形成波浪动力。
在进行波浪力试验时,分别对3种结构方案进行了不同桩基长度的波浪总力试验,3种桩基础长度分别为70cm、55cm和40cm。
本次试验波要素为原型波高3.0m,波周期为8.25s,模型波高为10cm,波周期1.5s。
本次波流力试验主要针对单桩、五桩和九桩基础进行研究,选取了2种模型水深条件,模型水深分别为25cm和35cm,冲刷选用2种冲坑,分别为15cm和30cm,将其与未冲刷工况进行对比。
1.3试验设备和布置波浪总力测试主要采用南京水利科学研究院生产的CSW-Ⅱ型压强和总力测量系统测量。
模型桩基结构按1∶30的几何比尺缩小制作,模型与原型保持几何相似,桩基结构按刚性结构进行模拟。
将桩基结构放置在水槽中,以单桩基础,水深35cm,冲深30cm为例,桩基础试验布置见图2,桩基结构在波浪作用下所受的速度力和惯性力的测力仪布置见图3。
图2桩基试验布置
Fig.2Testingarrangementofpilefoundation图3单桩总力传感器布置示意图
Fig.3Schematicdiagramoftotalforcesensorlayoutofsinglepile1.4试验组次波浪荷载试验组次如表1所示。
表1波浪荷载试验组次
Table1Testgroupofpilewaveload试验组次波向/(°)1单桩70353060×6065100225553五桩70353060×6065100和45桩长/cm桩基础冲刷深度/cm水深/cm局部水深/cm425555九桩70353060×6065100625557单桩55351530×3050100825409五桩55351530×3050100和4516252517九桩4035——3510018252510254011九桩55351530×305010012254013单桩4035——3510014252515五桩4035——35100和45冲刷范围/(cm×cm)波高/cm2结果分析2.1模型试验结果分析波浪力测量试验结果如表2~表4所示。
根据《港口与航道水文规范》中规定,对小尺度桩,当PDmax≤0.5PImax时,Pmax=PImax;当PDmax>0.5PImax,Pmax=式中:
PDmax为速度力;PImax为惯性力。
由表可知:
惯性力是速度力的2~5倍;冲坑越深(水深越大),惯性力/速度力的值也越大,无冲坑、冲坑15cm、冲坑30cm时,惯性力/速度力的平均值约为1.9,2.3以及3.0;对于五桩基础,不同波浪作用方向,其受到的波浪力不同,0°纵向作用力和横向作用力均大于45°,如采用五桩基础时,选用45°布置时波浪荷载较小。
同一水深条件下,桩基础所受波浪力随冲刷深度的变化如图4所示。
由图可知,随着冲刷深度增大,桩基础所受波浪荷载总体呈减小趋势,冲刷深度0cm时,桩基础所受波浪荷载最大,冲刷深度15cm和30cm时,荷载变化并不明显。
同一冲刷深度条件下,桩基础所受波浪荷载随着水深增大而变小。
表2桩长70cm速度力及惯性力的最大值
Table2Maximumvalueofdragandinertiaforcewhenpilelength70cm速度力/kN桩基名称冲坑/(cm×cm×cm)试验水深/cm惯性力/速度力九桩60×60×30351143063062.7251443743742.6五桩0°60×60×3035482282284.8251053353353.2五桩45°60×60×3035601701702.825842442442.9单桩60×60×30352041412.1251241413.4总荷载/kN惯性力/kN表3桩长55cm速度力及惯性力的最大值
Table3Maximumvalueofdragandinertiaforcewhenpilelength55cm惯性力/速度力九桩30×30×15351503753752.5252184414412.0五桩0°30×30×15351141711781.5251203303303.2五桩桩基名称冲坑/(cm×cm×cm)总荷载/kN试验水深/cm45°30×30×1535771701702.225912452452.7单桩30×30×15352644451.7251542422.8速度力/kN惯性力/kN表4桩长40cm速度力及惯性力的最大值
Table4Maximumvalueofdragandinertiaforcewhenpilelength40cm惯性力/速度力九桩无351804324322.4254347387481.7五桩0°无351272932932.3252043873881.9五桩桩基名称冲坑/(cm×cm×cm)试验水深/cm速度力/kN惯性力/kN总荷载/kN45°无351222692692.2251702552661.5单桩无354651601.1253569692.02.2波浪力系数计算波浪对桩基的作用力可依据《港口与航道水文规范》的规定,对于D/L≤0.2的小尺度桩柱,波浪力可根据莫里森公式计算。
速度分力系数:
图4桩基波浪荷载
Fig.4Waveloadofpilefoundation惯性分力系数:
式中:
pD、pI为速度力和惯性力;u为水质点运动的水平速度,m/s;a为水质点运动的水平加速度,m/s2,规范中针对圆形桩,速度力系数取值为1.2,惯性力系数取值为2.0。
根据物理模型试验计算结果,计算得出速度力系数和惯性力系数,并与规范值进行比较,计算结果如表5~表7所示,各国有关规范对CD、CM的取值如表8所示。
由表5~表8可知:
各国规范针对CD、CM的定义不尽相同,美国API针对杆件粗糙和光滑,定义了不同的CD、CM值,国内并没有针对圆柱光滑度的规定,取值相对比较保守。
根据国内的规范计算得出的速度力和惯性力约是实验室实测值的2.6倍和2倍。
根据试验室实测的波浪荷载计算得出的CD值约为值约为由于实验室杆件完全光滑,速度力系数0.47和API规范0.6、挪威DNV取值0.5较为接近。
惯性力系数1.0与美国API也较为接近,可以认为Morison计算结果和试验数据拟合较好。
表5桩长70cm速度力系数和惯性力系数计算值
Table5Calculatedvalueofdragandinertiaforcecoefficientwhenpilelength70cm桩基名称冲坑/(cm×cm×cm)速度力系数CD惯性力系数CM试验值规范值/0°60×60×30350.363.31.051.9250.631.91.541.3试验值试验值规范值/试验值九桩60×60×30350.442.70.712.8250.442.70.872.3五桩五桩试验水深/cm45°60×60×30350.502.40.872.3250.572.11.251.6单桩60×60×30350.861.41.051.9250.403.01.002.0平均值0.532.41.042.0表6桩长55cm速度力系数和惯性力系数计算值
Table6Calculatedvalueofdragandinertiaforcecoefficientwhenpilelength55cm桩基名称试验值试验值规范值/试验值九桩30×30×15350.432.80.832.4250.403.01.002.0五桩0°30×30×15350.631.90.742.7250.432.81.431.4五桩冲坑/(cm×cm×cm)试验水深/cm45°30×30×15350.482.50.832.4250.363.31.181.7单桩30×30×15350.801.51.051.9250.304.01.002.0平均值0.482.71.012.1速度力系数CD惯性力系数CM试验值规范值/表7桩长40cm速度力系数和惯性力系数计算值
Table7Calculatedvalueofdragandinertiaforcecoefficientwhenpilelength40cm桩基名称冲坑/(cm×cm×cm)0°0350.393.11.002.0250.323.81.002.0速度力系数CD惯性力系数CM试验值规范值/试验值试验值规范值/试验值九桩0350.294.20.772.6250.343.51.002.0五桩五桩试验水深/cm45°0350.412.91.051.9250.294.10.742.7单桩0350.801.51.002.0250.304.01.002.0平均值0.393.40.952.2表8各国规范对CD、CM的建议值
Table8RecommendedvaluesofCDandCMinnationalspecifications规范名称美国API挪威DNV美国DTI《港口与航道水文规范》CD0.6~1.00.5~1.2采用可靠的试验结果1.2CM1.5~2.12.02.03结语本文以物理模型试验为手段研究,通过改变冲刷深度,对单桩、五桩和九桩进行了冲刷前、后波浪力试验,主要研究结论如下:
1)随着冲刷深度增大,桩基础所受波浪荷载总体呈减小趋势,冲刷深度0cm时,桩基础所受波浪荷载最大,冲刷深度15cm和30cm时,荷载变化并不明显。
同一冲刷深度条件下,桩基础所受波浪荷载随着水深增大而变小。
2)调研了国内外规范CD、CM值,国内《港口与航道水文规范》取值相对比较保守。
根据国内的规范计算得出的速度力和惯性力约是实验室实测值的2.6倍和2.0倍,试验室实测的波浪荷载计算得出的CD、CM值约为0.47、1.0,与美国API规范结果接近。
3)针对临时工程构件考虑波浪荷载,如果有合理的物理模型试验结果作为支撑,可以考虑适当减小波浪荷载,可以大大减小构件尺寸,取得良好的经济社会效益。
参考文献:
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Basedonthetypicalshapeofscourhole,weanalyzedthechangelawofwaveloadbytheexperimentofthesinglepile,fivepilesandninepilesbeforeandafterscouringviatochangingthescourdepth.Accordingtotheexperimentdata,wecorrectedthedragforcecoefficientandinertiaforcecoefficientofMorisonformula.Theresultshowsthatthewaveloadofpilefoundationisdecreasedwiththeincreaseofthescourdepth.Undertheconditionofthesamescourdepth,thewaveloadofthepilefoundationisdecreasedwiththeincreaseofwaterdepth.ItisrelativelyconservativeofthedragforcecoefficientandinertiaforcecoefficientinJTS145-2015Codeofhydrologyforharbourandwaterway.Thedragforceandinertiaforcecalculatedbyrulesis2.7and2.1timesthantheforcesmeasuredbyexperiment.Keywords:
pilefoundation;physicalmodelexperiment;waveload;dragforcecoefficient;inertiaforcecoefficient中图分类号:
U655.544文献标志码:
A文章编号:
2095-7874(2017)02-0048-05doi:
10.7640/zggwjs201702010收稿日期:
2016-08-09修回日期:
2016-11-10基金项目:
交通运输部应用基础研究项目(2013319759060)作者简介:
仇正中(1986—),男,江苏盐城人,工学硕士,工程师,港口海岸及近海工程专业。
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