波浪水流冲刷对桩基础承载力的影响研究.pdf

35：江西建材2023年4月试验与研究波浪水流冲刷对桩基础承载力的影响研究柏伟，吕渊安徽理工大学，安徽淮南232001摘要：文中应用Abaqus有限元程序，建立了波浪海床一桩基相互作用的三维模型，比较了桩周海床不同深度和不同深度的自由海床的超静孔隙水压力响应，对波浪荷载作用下单桩承载能力的规律及机制进行了归纳和分析。关键词：波浪；冲刷；桩基；承载力；三维模型中图分类号：U441文献标识码：A文章编号：10 0 6-2 8 9 0（2 0 2 3）0 4-0 0 35-0 4Study on the Influence of Wave Current Scour on the Bearing Capacityof Pile FoundationBai Wei,Lyu YuanAnhui University Of Science&Technology,Huainan,Anhui 232001Abstract:In this paper,a three-dimensional model of wave-sea-sea-pile interaction is established using the finite element program Abaqus,and the response of excess pore water pressure to the free sea-bed at different depths around the pile and at different depths is compared.Finally,the law and mechanism of single pile bearing capacity under wave load are summarized and analyzed.Key words:Wave;Scour;Pile foundation;Bearing capacity;Three-dimensional model1绪论1.1研究背景及意义冲刷是由水流作用而产生的河床侵蚀的自然现象，是造成水利设施损坏的最大因素，其中，一半以上的损害与洪水关系密切。在洪水的冲击下，桥墩周边受到冲刷的范围往往会超过几米，使桥墩基础出现裸露的情况，从而使桥墩桩基的水平支撑能力减弱，引起桥墩桩基础出现变形、承载失效。随着海洋资源的开发越来越重要，海洋石油平台、近海风力发电的建设越来越多，波浪荷载及水流冲刷对平台桩基承载能力影响需要更深人分析和测算，本文提出了一种冲刷后桩基竖向承载应力变化的测算方法，该方法应用有限元软件ABAQUS进行模拟及分析，针对竖向受荷单桩进行数值模拟验证，并分析了波浪荷载及冲刷对桩基竖向承载力的影响。1.2相关文献综述1.2.1冲刷对桩基承载性状研究方向目前，研究主要有三个方向：确定冲刷影响范围、影响深度和局部冲刷坑的形状；地基受冲刷的影响；水流冲刷对地基的腐蚀程度。对于极易受到冲刷的桥梁，对桥梁的桩基乃至整个桥梁的稳定性、安全性、承载性能等的评价，目前还缺乏足够研究，尤其是关于冲刷前后的荷载效应、承载能力变化等机理的研究还很少。1.2.2冲刷对桩基竖向承载性状影响的研究现状目前，相关研究尚处于初级阶段。王成华等 11将三维有限元耦合数值模型应用于冲刷作用下群桩地基的分析中，使用挖作者简介：柏伟（1998-），男，江苏盐城人，硕士，主要研究方向为桩基础承载力。掘土体的手段对水流冲刷影响的地基进行模拟，以探讨其在冲刷前后垂直承受能力的变化；薛九天等 2】研究了不同边界条件下桩底的冲刷特性，并得出了不同的冲刷条件下的位移、应力之间的定量联系。现阶段国内外关于桥桩的垂直承载水平理论才刚刚展开研究，主要以有限元数值模拟为主，相关的实验研究很少。基于冲刷作用影响下的桩基建立数学模型有一定的难度，应把有限元数值模拟、室内外的模型试验、工程实践的勘测信息等手段相结合，以便研究更为深人。1.2.3冲刷竖向承载影响及数值分析方法在桥梁被冲刷而引起的水灾中，由于桩基在竖向承载能力不足所引起的事故日益增多，因此，对桩基横向承载性能的研究既要关注其横向承载力，又要关注其垂直承载性能。闫澍旺等 3 认为，单纯采用高桩承台冲刷法进行计算是存在误差的，而冲刷造成的土壤回弹作用也很重要。陶红煜等 4 对各种冲刷作用下的桥墩进行了墩顶位移和基底压力的计算，其应用于研究墩桩顶部的最大横向以及水平、垂直位移等与地基的多种应力变形之间的关系。宋玉鹏等 5 1 发现，冲刷会严重影响桥桩的基底承载力，造成桩基的有效承载厚度下降，从而显著降低桩基的承载力。陈稳 6 根据湘江大桥的实测数据，进行了桥墩破坏后的纵向极限承载力分析。焦军等 7 认为，冲刷作用对桩基垂直承载水平产生不利的作用；与常规冲刷相比，桩体受到局部冲刷的影响力较小，而冲刷效果与冲刷宽度密切相关。2桩基础承载力的概念单桩垂直承载力是指单桩受到外部载荷后仍然存在稳定性、不会发生较大形变情况下的负载最大值。根据桩的材料强度和土体的承载水平来确定其取值。计算后者的主要方法有两种：一是按照静力学公式来计算，二是对桩进行静载荷测试。362023年4月试验与研究江西建材3桩基础三维分析设计3.1建模概述本文着重分析了波浪冲刷对海岸桩基竖向承载的作用。对于波浪海床单桩结构物相互作用的数值计算，目前，国内外绝大多数的学者都是采用比奥固结方程进行海床模型化，以便对海底的孔压反应以及单桩的桩身应力进行分析。而在计算时必须充分考虑海底的塑性区，同时对单桩的垂直荷载和水平荷载进行仿真，以便对单桩的竖向承载能力进行分析。3.2数据建模分析过程利用Abaqus大型有限元软件对海底和单桩进行了三维建模，并利用Abaqus的账户子程序对波浪荷载作用于海底的波压进行分析。采用单桩一海床波浪加载的三维模型，对波浪加载下桩的应力一应变及承载力进行了分析，并以三维海床的边界条件及控制方程为基础，对其进行了精度检验。设计了一种基于海洋环境的三维自由海底实验方案，并在此基础上，提出了一种单桩-海床的耦合模式。通过对桩直径为2 0 cm、40 c m、6 0 c m 的桩周超孔隙孔压进行比较，得出了数值超静孔压计算与实验数据基本一致，从而使有限元的计算精度得到了较好的验证。采用Abaqus有限元分析软件，对其进行了分析。模型包括海底和单桩，共38 934个网孔，在接近桩基的位置处进行了局部加密，随着深度网孔的增加而减小。在此基础上，对96 0 个单桩结构进行了分析，并使用C3D3R单元进行了应力-应变分析，见图1，整个海底有3412 8 个网格，使用C3D8P单元，它能输出压力和压力，并能产生孔压，见图2。海底模型6 m宽、1.2 m高，桩的长度为0.6 m、直径为6 5 mm。图1有限元模型整体图图2有限元单桩模型4冲刷对桩基础承载力的影响采用Abaqus有限元方法，对单桩在波浪荷载下的垂直承载力进行了数值模拟，并利用位移加载法测量了单桩在不受波浪荷载时的荷载沉降曲线，本文将其与不受波荷载的情况相比较，并考虑与桩顶的水平位移、桩顶弯矩等因素。4.1波浪荷载作用单桩竖向承载力图3、图4是在波浪荷载作用下，在水平状态下，进行了单桩的静载模拟实验。结果表明，在波峰部位，单桩的承载力最大，其次是横向，最低的是波谷。由于波浪荷载在峰值时会对海底产生一定的压力，使海底的有效应力增大，而在低潮期，对海底产生了一定的吸力，使海底的有效应力减小，使单桩承载力降低。桩顶荷载/N050100150200250300-2一波谷一水平位置-4一一波峰-6U/-8-10-12-14-16-18-20图3不同工况单桩荷载沉降曲线对比压强/Pa-5000050001000015000200000一无波浪T/4-0.2-2T/43T/44T/4-0.4-0.6-0.8图4一个周期内侧摩阻力变化单桩侧摩擦力能分摊较大的上部荷载，而海床的波压对其侧摩擦力的影响很大，因此，需要从理论上对其进行研究。无波浪加载时，其侧摩擦力与波峰波载下的摩擦力相近；而在谷底，单桩的侧摩阻力由正向负值转变，因为地面的吸力使单桩有向上运动的倾向 8-10 1。在单桩两侧的波浪压力达到峰值或最低点时，单桩周围的海底会出现应力差异，从而导致桩身侧摩擦力增大。4.2单桩水平位移的竖向承载力特性海上单桩除垂直荷载外，还存在由上部结构引起的水平荷37.2023年4月试验与研究江西建材载，波浪荷载作用于桩基的水平力，因此，考虑单桩水平位移对单桩的竖向承载力是十分必要的。在单一桩顶加一个初始水平位移，以反映单桩的水平荷载。从图5 可以看出，在低谷条件下，在同样的垂直位移载荷下，桩顶的反作用力很小，即在波谷的情况下，由于水平荷载的存在，单桩的垂直承载力减小；在波浪荷载达到峰值时，在同一垂直位移下，桩顶反力大于无水平位移时的应力；在波谷时，波浪荷载作用下，单桩受波浪荷载作用显著，而在波峰作用下，波浪荷载作用不明显。桩顶荷载/N050100150200250300-2波谷-4一水平位置-6一波峰-8-10-12-14-16-18-20图5水平位移单桩荷载沉降曲线从图6 中可以看出，在波峰时，单桩侧摩阻力与不受波形荷载作用下的单桩侧摩阻力相似，波谷时单桩侧摩阻力比不受波形荷载作用下的单桩侧摩阻力小。同时也证实了波谷时单桩在垂直荷载作用下的受力偏低。压强/Pa-30000-20000-100000100002000030000 400000一无波浪-0.2一T/42T/4-0.4-0.6图6考虑水平位移单桩侧摩阻力从图7 可以看出，桩身最大弯矩发生在-0.2 m至-0.3m处，桩的最大弯矩随高度的增加而增加。同时，不论波顶或波谷，桩身的弯矩差异都很小；在桩顶水平位移较大时，峰值和峰值的弯矩差异略有增加，相对于桩顶水平位移的影响可以忽略不计。桩顶水平位移对桩端的轴向应力有很大的影响，随着水平位移的增大，桩轴力也随之增大。当单桩深度增加时，这种效应会减小，当桩身水平位移增大时，桩身轴力减小。-hor-15mm波峰0.2一hor-15mm波谷一hor-10mm波峰+一hor-10mm波谷一hor-5mm波峰一hor-5mm波谷-0.4-0.6-180-160-140-120-100-80-60-40-200弯矩/Nm图7桩身弯矩图5结论（1）当出现峰值或低谷时，在水平和竖向方向上，超静孔压都会发生一定程度的衰减。单桩结构的出现，使超静孔压沿深度衰减较快，且随着距离单桩轴中心位置的增大，其衰减速率也会加快。钻孔压力对桩基产生了放大作用。（2）出现波谷时，由于海床受波浪荷载的影响，波浪荷载对单桩的垂直承载力有一定程度的减弱；在波浪荷载作用下，波浪荷载对海底产生了较大的影响。在考虑桩顶水平位移的情况下，波谷荷载对单桩的垂直承载能力有明显的影响；在考虑桩顶弯矩的情况下，波浪荷载对单桩的垂直承载能力影响不大。参考文献【1王成华，高江林，高文梅.群桩在水流冲刷影响下的承载性状研究J，低温建筑技术，2 0 0 6（3）：6 0-6 3.2薛九天，王伟，杨敏.海水冲刷效应对海上风机桩基承载性能的研究J】.建筑科学，2 0 12，2 8（S1）：8 4-8 8.【3】闫澍旺，高江林，王成华.水流冲刷对桩基承载性状的数值模拟J.岩土力学，2 0 0 9，30（5）：145 8-146 4.4陶红煜，黄益良基于计算机模拟的深基坑变形动态控制技术J】.施工技术，2 0 10，39（1）：94-96.5宋玉鹏，王楠，徐永臣.冲刷作用下桩基承载力分析【J.海洋地质前沿，2 0 13，2 9（9）：5 4-5 8.6陈稳.河流冲刷对既有桥梁墩台承载力影响的研究D.长沙：中南大学，2 0 13.7 David R.Cowan,Gary R.Consolazio.Nonlinear analysis of barge crushbehavior and its relationship to impact resistant bridge design J.Computers&Str