高樁承臺樁基波浪荷載試驗研究

仇正中，劉建波，代浩

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.東南大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210000）

高樁承臺樁基波浪荷載試驗研究

仇正中1，劉建波1，代浩2

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.東南大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210000）

基于典型的沖刷坑形態(tài)，通過改變沖刷深度，對單樁、五樁和九樁進行了沖刷前、后波浪力試驗，研究了波浪荷載的變化規(guī)律。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，對Morison公式的速度力系數(shù)和慣性力系數(shù)進行修正。結(jié)果表明，隨著沖刷深度增大，樁基礎(chǔ)所受波浪荷載總體呈減小趨勢。同一沖刷深度條件下，樁基礎(chǔ)所受波浪荷載隨著水深增大而變小。JTS 145—2015《港口與航道水文規(guī)范》中速度力系數(shù)和慣性力系數(shù)取值相對保守，規(guī)范計算得出的速度力和慣性力約為實驗室實測值的2.7倍和2.1倍。

樁基礎(chǔ)；物理模型試驗；波浪荷載；速度力系數(shù)；慣性力系數(shù)

0 引言

在近海、海岸工程設(shè)計施工中，樁基結(jié)構(gòu)所承受的波浪荷載通常是結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制荷載，研究樁基波浪荷載很有必要。樁基礎(chǔ)一般為小尺度構(gòu)件，波浪荷載一般采用Morison方程進行計算，方程中關(guān)于速度力系數(shù)和慣性力系數(shù)的取值主要基于JTS 145—2015《港口與航道水文規(guī)范》[1]取值[2]。實際上，不同國家針對這兩個系數(shù)的取值并不相同，且有一定差距。另外，深水處的跨江、跨海橋梁基礎(chǔ)，受力情況復(fù)雜，橋梁樁基在水流沖刷作用下，樁周土體在水流形成的漩渦中不斷被掏空，導(dǎo)致樁基周圍產(chǎn)生沖坑，沖坑的存在對樁基波浪荷載也有一定的影響[3]。本文通過室內(nèi)模型試驗，基于典型沖刷坑形態(tài)，通過改變沖刷深度來模擬不同局部沖刷作用對典型的單樁、五樁和九樁基礎(chǔ)進行了沖刷前后的波浪荷載變化規(guī)律研究，并比較實驗室實測的速度力和慣性力系數(shù)與規(guī)范值，對樁基波浪荷載的計算提供參考[4-5]。

1 試驗概況

1.1 模型樁制作

本次試驗?zāi)Ｐ捅瘸邽?∶30，單樁、五樁和九樁基礎(chǔ)示意見圖1，其中五樁波浪荷載加載方向為0°和45°。樁采用外徑D=6 cm，壁厚d=3 mm的鋼管制成，樁長L=100 cm，群樁的樁間距取3D。承臺底部采用厚1 cm的鋼板制成，內(nèi)部焊接1 cm厚格構(gòu)柵鋼板，側(cè)面采用3 mm薄鋼片焊接而成，鋼片高5 cm[6]。

圖1 樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)示意圖（單位：cm）Fig.1 Schematic diagram of pile foundation structure（cm）

1.2 試驗場地條件

試驗在寬水槽中進行，水槽總長40 m，凈寬5.0 m，其鋪砂厚度為0.6 m，樁基礎(chǔ)布置在試驗段的中央。試驗水槽一端為搖擺式造波裝置，可產(chǎn)生規(guī)則波，事先在寬水槽內(nèi)率定好波要素，試驗時根據(jù)相應(yīng)波要素產(chǎn)生規(guī)則波，形成波浪動力。

在進行波浪力試驗時，分別對3種結(jié)構(gòu)方案進行了不同樁基長度的波浪總力試驗，3種樁基礎(chǔ)長度分別為70 cm、55 cm和40 cm。本次試驗波要素為原型波高3.0 m，波周期為8.25 s，模型波高為10 cm，波周期1.5 s。本次波流力試驗主要針對單樁、五樁和九樁基礎(chǔ)進行研究，選取了2種模型水深條件，模型水深分別為25 cm和35 cm，沖刷選用2種沖坑，分別為15 cm和30 cm，將其與未沖刷工況進行對比。

1.3 試驗設(shè)備和布置

波浪總力測試主要采用南京水利科學(xué)研究院生產(chǎn)的CSW-Ⅱ型壓強和總力測量系統(tǒng)測量。

模型樁基結(jié)構(gòu)按1∶30的幾何比尺縮小制作，模型與原型保持幾何相似，樁基結(jié)構(gòu)按剛性結(jié)構(gòu)進行模擬。將樁基結(jié)構(gòu)放置在水槽中，以單樁基礎(chǔ)，水深35 cm，沖深30 cm為例，樁基礎(chǔ)試驗布置見圖2，樁基結(jié)構(gòu)在波浪作用下所受的速度力和慣性力的測力儀布置見圖3。

圖2 樁基試驗布置Fig.2 Testing arrangement of pile foundation

圖3 單樁總力傳感器布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of totalforce sensor layout of single pile

1.4 試驗組次

波浪荷載試驗組次如表1所示。

表1 波浪荷載試驗組次Table 1 Test group of pile wave load

2 結(jié)果分析

2.1 模型試驗結(jié)果分析

同一水深條件下，樁基礎(chǔ)所受波浪力隨沖刷深度的變化如圖4所示。由圖可知，隨著沖刷深度增大，樁基礎(chǔ)所受波浪荷載總體呈減小趨勢，沖刷深度0 cm時，樁基礎(chǔ)所受波浪荷載最大，沖刷深度15 cm和30 cm時，荷載變化并不明顯。同一沖刷深度條件下，樁基礎(chǔ)所受波浪荷載隨著水深增大而變小。

表2 樁長70 cm速度力及慣性力的最大值Table 2 Maximum value of drag and inertia force when pile length 70 cm

表3 樁長55 cm速度力及慣性力的最大值Table 3 Maximum value of drag and inertia force when pile length 55 cm

表4 樁長40 cm速度力及慣性力的最大值Table 4 Maximum value of drag and inertia force when pile length 40 cm

2.2 波浪力系數(shù)計算

波浪對樁基的作用力可依據(jù)《港口與航道水文規(guī)范》的規(guī)定，對于D/L≤0.2的小尺度樁柱，波浪力可根據(jù)莫里森公式計算。

圖4 樁基波浪荷載Fig.4 Wave load of pile foundation

表5 樁長70 cm速度力系數(shù)和慣性力系數(shù)計算值Table 5 Calculated value of drag and inertia force coefficient when pile length 70 cm

表6 樁長55 cm速度力系數(shù)和慣性力系數(shù)計算值Table 6 Calculated value of drag and inertia force coefficient when pile length 55 cm

表7 樁長40 cm速度力系數(shù)和慣性力系數(shù)計算值Table 7 Calculated value ofdrag and inertia force coefficient when pile length 40 cm

表8 各國規(guī)范對CD、CM的建議值Table 8 Recommended values of CDand CMin national specifications

3 結(jié)語

本文以物理模型試驗為手段研究，通過改變沖刷深度，對單樁、五樁和九樁進行了沖刷前、后波浪力試驗，主要研究結(jié)論如下：

1）隨著沖刷深度增大，樁基礎(chǔ)所受波浪荷載總體呈減小趨勢，沖刷深度0 cm時，樁基礎(chǔ)所受波浪荷載最大，沖刷深度15 cm和30 cm時，荷載變化并不明顯。同一沖刷深度條件下，樁基礎(chǔ)所受波浪荷載隨著水深增大而變小。

2）調(diào)研了國內(nèi)外規(guī)范CD、CM值，國內(nèi)《港口與航道水文規(guī)范》取值相對比較保守。根據(jù)國內(nèi)的規(guī)范計算得出的速度力和慣性力約是實驗室實測值的2.6倍和2.0倍，試驗室實測的波浪荷載計算得出的CD、CM值約為0.47、1.0，與美國API規(guī)范結(jié)果接近。

3）針對臨時工程構(gòu)件考慮波浪荷載，如果有合理的物理模型試驗結(jié)果作為支撐，可以考慮適當(dāng)減小波浪荷載，可以大大減小構(gòu)件尺寸，取得良好的經(jīng)濟社會效益。

[1]JTS 145—2015，港口與航道水文規(guī)范[S]. JTS 145—2015,Code ofhydrology for harbor and waterway[S].

[2]胡勇，雷麗萍，楊進先.跨海橋梁基礎(chǔ)波浪（流）力計算問題探討[J].水道港口，2012，33（2）：101-105. HU Yong,LEI Li-ping,YANG Jin-xian.Study of wave force on foundation of sea-crossing bridges[J].Journal of Waterway and Harbor,2012,33(2):101-105.

[3] 郭超.橋墩沖刷與波流力的試驗研究[D].北京：清華大學(xué)，2012. GUO Chao.Experimental study on bridge pier scour and wavecurrentforces[D].Beijing:Tsinghua University,2012.

[4]蘭雅梅，薛雷平，劉樺，等.東海大橋橋梁樁樁承臺水動力模型試驗研究-第一部分：作用于單個小尺度樁柱上的波流力[J].水動力學(xué)研究與進展：A輯，2004，19（6）：753-758. LAN Ya-mei,XUE Lei-ping,LIU Hua,et al.Experimentalstudies on hydrodynamic loads on piles and slab of Donghai Bridge Part I: hydrodynamic forces on a single pile in wave-currentcombinations [J].Journalof Hydrodynamics:Ser.A,2004，19(6):753-758.

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Experiment research on wave load of high-capped-pile foundation

QIU Zheng-zhong1,LIU Jian-bo1,DAIHao2
（1.CCCC Second Harbor Engineering Co.,Ltd,Wuhan,Hubei430040,China; 2.SchoolofCivil Engineering,SoutheastUniversity,Nanjing,Jiangsu 210000,China）

Based on the typical shape of scour hole,we analyzed the change law of wave load by the experiment of the single pile,five piles and nine piles before and after scouring via to changing the scour depth.According to the experiment data,we corrected the drag force coefficient and inertia force coefficient of Morison formula.The result shows that the wave load of pile foundation is decreased with the increase of the scour depth.Under the condition of the same scour depth,the wave load ofthe pile foundation is decreased with the increase ofwater depth.Itis relatively conservative ofthe drag force coefficient and inertia force coefficient in JTS 145-2015 Code of hydrology for harbour and waterway.The drag force and inertia force calculated by rules is 2.7 and 2.1 times than the forces measured by experiment.

pile foundation;physical model experiment;wave load;drag force coefficient;inertia force coefficient

U655.544

A

2095-7874（2017）02-0048-05

10.7640/zggwjs201702010

2016-08-09

2016-11-10

交通運輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目（2013319759060）

仇正中（1986— ），男，江蘇鹽城人，工學(xué)碩士，工程師，港口海岸及近海工程專業(yè)。E-mail：qiuzhengzhong@126.com