波浪荷载对单桩承载力影响的水槽模拟试验研究
土木工程系, 上海 200240
Wave Flume Simulation Experiment on Influence of Wave Load on Bearing Capacity of Monopile
Department of Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
通讯作者: 陈锦剑,男,教授,电话(Tel.): 13917526120;E-mail:chenjj29@sjtu.edu.cn.
责任编辑: 孙伟
收稿日期: 2019-09-20
基金资助: |
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Received: 2019-09-20
作者简介 About authors
金小凯(1995-),男,江苏省盐城市人,硕士生,研究方向为海洋岩土与桩基工程 。
针对浅海环境下的单桩基础,在水槽试验室中建立砂土-桩基-波浪缩尺模型,进行波浪作用下单桩静载荷试验.测试桩周海床土孔隙水压力和不同荷载作用下的桩基沉降,分析在波浪荷载下单桩和海床土相互作用机理和单桩荷载沉降曲线特性,探讨不同桩径下桩周海床土超静孔压(ps)对单桩竖向承载力的影响.结果表明:单桩的存在会增大桩周海床土ps,同时减小桩底海床土ps;桩径越大,桩周ps越大.与无波浪影响的情况相比,波浪荷载作用下的单桩承载力较小,相同荷载水平下的桩顶沉降增加显著,且沉降增大的趋势在桩径较大时更明显.研究表明在海洋桩基的设计过程中要关注波浪荷载对桩基承载力的影响.
关键词:
For the foundation of the monopile in the shallow water environment,a scale model of sand-monopile-wave was adopted in the wave flume simulation experiment, and the static load test of the monopile under wave action was explored. The pore water pressure of the soil around the monopile and the settlement of the monopile at different wave loads were examined. Based on the static load test results, the interaction mechanism between sand and the monopile subjected to wave load, the characteristics of load settlement curve,and the influence of excess pore water pressure (ps) on the vertical bearing capacity of the monopile with various pile diameters were analyzed. The results show that due to the presence of the monopile, the ps of the soil around the pile increases whereas the ps at the bottom of the monopile decreases. However, the ps around the pile increases with increasing pile diameter. The bearing capacity of the monopile under the influence of wave load is less than that without wave load. At the same load, the pile settlement increases remarkably and the increase is more obvious in the case of larger pile diameter. The experiment shows that the effect of wave load on the pile foundation bearing capacity should be monitored during the design process.
Keywords:
本文引用格式
金小凯, 陈锦剑, 廖晨聪.
JIN Xiaokai, CHEN Jinjian, LIAO Chencong.
近年来,随着大海洋战略的开发,海洋结构物与海床土的相互作用以及结构物基础稳定性问题受到越来越多的关注.波浪荷载对海床土孔压产生一定影响,并反作用于结构物,因此波浪荷载对海床土的稳定性和结构物的安全有重要影响.桩基础作为大部分海洋结构物的基础,其服役性能受单桩与海床土、波浪的相互作用机理以及波浪荷载作用下单桩的承载特性影响.
对于单桩与海床土相互作用机理的研究,主要包括数值法和试验.数值法部分,Li等[1]采用有限元方法研究了在线性波和二阶Stokes波作用下的桩周海床土孔压响应,但该研究并未考虑桩土接触的情况.Sui等[2]采用动力分析法模拟了在波浪荷载作用下的桩周海床土孔压响应,发现单桩结构物和波浪反射以及衍射对海床土孔压响应的影响不可忽略.Sui等[3]在考虑桩基自重的情况下进行了桩周残余孔压研究.试验部分,Qi等[4,5]通过一系列水槽试验,观测了在波浪荷载作用下的桩周孔隙水压力响应,并讨论了孔隙水压力与桩周局部冲刷之间的关系.Wang 等[6]通过水槽试验研究了在波浪荷载作用下桩周孔压和桩底孔压的分布情况.胡翔等[7,8]通过准静态三维数值分析法研究了波浪荷载作用下海床土的孔压变化规律、单桩的位移和弯矩分布情况,并根据桩土相互作用特性进一步分析了桩身的内力变形.
深水波浪环境中的试验操作具有一定的危险性,并且目前国内外均没有关于在波浪环境中桩基静载荷试验的实验规范.以上学者在海洋桩基承载力方面的研究往往集中于在波浪荷载作用下,桩周孔压响应的试验研究和桩基承载力特性的数值研究,而风机桩承载力的现场试验较少,且试验数据不易获得.对此,本试验对在波浪荷载作用下的单桩基础进行静载荷试验,并监测孔压响应,弥补试验数据的空白.
1 试验设置
水槽试验设备分为两个部分:造波系统和波流水槽槽体、水循环系统.造波系统由造波机、消波系统和测控系统构成,波流水槽内的空尺寸为 60 m×2 m×1.8 m.试验设备如图1所示.试验土坑呈长方体状,尺寸为6 m×2 m×1 m,距离推波器20 m,其周边和底部由混凝土制成,可防渗.试验测量系统由1台笔记本电脑、15个孔压力计和3台波高仪组成.在桩周和底部的不同位置布置孔隙水压力计(①~⑯)以观测不同位置的孔压响应(见图1).为了保证波浪荷载的准确性,试验布置3台波高仪以监测波浪波高并与理论解对比.模型桩是使用有机玻璃定制而成的管桩,外径(D)分别为65 mm和45 mm,壁厚d=5 mm,桩长Lm=130 cm,其中埋入海床土深度h=60 cm.桩基并列布置于土槽中间,桩距为30 cm.
图1
根据实际尺寸和水槽试验的要求,采用1∶25的比例尺,具体尺寸如表1所示.其中,T为波浪周期,H为波高.
表1 试验参数
Tab.1
名称 | 参数 | 实际值 | 试验值 |
---|---|---|---|
1号模型桩 | D/m | 1.125 | 0.045 |
Lm/m | 32.5 | 1.3 | |
d/m | 0.125 | 0.005 | |
2号模型桩 | D/m | 1.625 | 0.065 |
Lm/m | 32.5 | 1.3 | |
d/m | 0.125 | 0.005 | |
波 | T/s | 7.5 | 1.5 |
H/m | 3 | 0.12 | |
水深 | hw/m | 12.5 | 0.5 |
1.1 土样特征
实验用土为细砂土,利用筛分法测3次取平均值得到其颗粒级配曲线,如图2所示.
图2
砂土的不均匀系数和曲率系数分别为
式中:d为粒径,d10 、d30和d60分别表示颗粒质量累积为10%、30%和60%的粒径.Cu<5时,说明砂土颗粒均匀,为均匀土; Cc>1时,说明砂土颗粒级配连续.
土体主要物理性质参数如表2所示.其中,d50为中值粒径,e为平均孔隙比,Dr为土体相对密度,
表2 试验用土参数
Tab.2
参数 | 参数值 |
---|---|
ρ/(kg·m-3) | 2679 |
d50/mm | 0.215 |
emax | 0.892 |
emin | 0.643 |
e | 0.812 |
Dr | 0.321 |
E/(N·m-2) | 2.23×107 |
G/(N·m-2) | 8.92×106 |
ν | 0.25 |
k/(m·s-1) | 2.382×10-5 |
1.2 试验步骤
波浪荷载作用下桩基响应试验操作流程如下:
(1) 按照试验方案在试验桩身安装孔压计,并将传感器连接到数据采集系统.
(2) 土样饱和处理.为了保证海床的充分饱和,试验采用水下装砂法在水中进行土样配制.
(3) 按照试验方案所设计的砂土颗粒级配曲线配置试验用土,按照每层厚20 cm将试验用土铺实在土槽里,在底标高为-60 cm时将试验桩埋置在土槽中.
(4) 进行桩基静载荷试验,每级荷载为20 N,加载至200 N停止;并进行地基承载力轻型触探试验.
(6) 在电脑上设置采样频率,打开造波系统,设置波高和周期,开始进行数据应变和孔压测试.
(7) 当波浪荷载加载至 1000 个周期后,重复桩基承载力试验和轻型触探试验.
(8) 停止波浪荷载,打开排水阀门.
(9) 拆卸装置,挖土,取出模型桩,观测模型桩的状态.
1.3 试验方案及试验荷载验证
为了对比结构物对海床土孔压响应的影响,将试验分为3组,其中组1为自由海床土,组2和3分别为D=45 mm和D=65 mm的模型桩,且均有Lm=1.3 m,以分析在波浪荷载作用下不同桩径单桩桩周海床土孔压响应和桩基承载力特性.试验参数为hw=0.5 m,H=0.12 m,T=1.5 s,波长Lw=2.83 m.
试验将1000~1005个周期内的波高和理论解进行比较,以验证水槽消波系统的有效性.根据线性波理论,波浪自由表面高度为
式中:
图3为波高的理论解和实测值的关系.图中,H=0.12 m的波浪荷载的实际波高与理论解吻合较好,证明水槽消波层的消波效果良好,试验波浪荷载不会反射波浪的干扰.
图3
图3
波高理论解与实测值对比图
Fig.3
Comparison of theoretical solution and measured values of wave height
2 结果与讨论
2.1 桩周海床土孔压响应
图4为不同桩径单桩桩周海床土超静孔压(ps)随时间的变化趋势.由图可知,不同h的桩周海床土超静孔隙水压力表现为振荡型孔隙水压力,这主要是因为海床土表面受到由波浪荷载作用引起的循环波压力,海床土体较松散,排水性好,导致海床土超静孔隙水压力表现为振荡型孔隙水压力.
图4
图4
不同海床深度桩周海床土超静孔压响应
Fig.4
Excess pore pressure response of seabed soil around pile at different depths
图5为D=45 mm的单桩桩周海床土超静孔压的响应.当h=20 cm时,桩周海床土超静孔压振幅(ps,max)为0.035 kPa;当h=40 cm时,ps,max=0.009 kPa;当h=60 cm时,ps,max=0.002 kPa,可知ps,max随h的下降而减小.
图5
图5
桩周土体不同海床深度时的桩周超静孔压响应
Fig.5
Excess pore pressure of soil around pile at different depths
图6为不同桩径单桩桩周ps,max随h的变化.图中,D=65 mm时的单桩桩周ps,max大于D=45 mm时的ps,max.这是由于桩径越大,桩周海床土受渗流场的影响越大.
图6
图6
不同桩径桩周超静孔压振幅随深度变化
Fig.6
Amplitude of excess pore pressure around pile at different pile diameters
2.2 单桩结构对海床土孔压响应的影响分析
孔压响应影响海床土的液化和桩周海床土的有效应力,从而影响桩周海床土的剪切强度以及单桩承载力,因此有必要分析结构物对海床土孔压响应的影响.试验在h=20 cm的不同桩周位置布置3个孔压计,并在桩底布置6个孔压计以研究单桩结构物对海床土孔压的影响,如图7所示.
图7
图7
桩基对海床土超静孔压振幅影响
Fig.7
Influences of pile foundation on amplitude of excess pore pressure of seabed
2.3 桩基承载力分析
在施加波浪荷载前以及波浪作用时进行单桩的竖向静载荷试验,试验结果如图8所示.其中Q为竖向荷载,s为沉降.
图8
图8
不同桩径时各荷载工况下的单桩荷载沉降曲线
Fig.8
Load settlement curves of monopile under different load conditions at different pile diameters
图8中,无波浪荷载工况下的荷载沉降曲线分为桩侧摩阻力逐渐发挥阶段和破坏阶段.在D=45 mm 时,Q<60 kN为前一阶段,此时荷载沉降曲线的斜率较小,随着Q值逐渐增大,桩和桩周土体的相对位移逐渐增大,桩侧摩阻力逐渐产生.当Q=60 kN 时,桩侧摩阻力达到极限,桩基进入破坏阶段,此时荷载沉降曲线的斜率开始增大.当进行波浪加载时,由于波浪荷载的作用,桩周海床土中产生超静孔隙水压力,导致有效应力减小,桩周土体的剪切强度和侧摩阻力下降,此时荷载沉降曲线的斜率较大,单桩沉降约为无波浪荷载作用时的3倍.在D=65 mm 时,无波浪荷载工况下的桩侧摩阻力较大,可以分担较多的竖向荷载,因此单桩沉降较小.由于加载条件的限制,D=65 mm的荷载沉降曲线未进入破坏阶段.当进行波浪加载时,由于波浪荷载的作用,桩周海床土中产生超静孔隙水压力,导致有效应力减小,桩周土体的剪切强度和侧摩阻力下降,单桩沉降约为无波浪荷载作用时的8倍.
在无波浪荷载作用时,由于桩径越大,单桩与海床土的接触面积越大,所以此时的侧摩阻力较大,在相同竖向荷载作用下的沉降较小.在有波浪荷载作用时,相同荷载作用下,D=65 mm的单桩较D=45 mm的单桩的沉降大.这是由于D=65 mm的单桩桩周ps,max大于D=45 mm的单桩桩周ps,max,所以桩径越大的单桩桩周海床土的有效应力越小,剪切强度下降越多,桩侧摩阻力的发挥程度越低.综上可知:在相同波浪荷载作用下,桩径越大,相同竖向荷载作用下的沉降越大.
图9
3 结论
试验在水槽试验室中进行,以1∶25的比例尺进行波浪-海床土-桩基三维缩尺试验,监测桩周和桩底海床土孔压响应,并进行单桩静载荷试验,分析波浪荷载作用下桩和海床土孔压响应的关系以及单桩荷载沉降曲线,得到以下结论:
(1) 桩周海床土ps的变化呈振荡型,沿海床土深度有一定程度的衰减;与桩径小的单桩桩周海床土同一位置的ps相比,桩径大的单桩桩周海床土的ps较大.
(2) 单桩结构物对桩周海床土的ps,max影响较大.与自由海床土同一位置的ps,max相比,桩周海床土的ps,max较大,而桩底海床土的ps,max较小.
(3) 与无波浪影响的情况相比,波浪荷载作用下的单桩承载力较小,相同荷载水平下的桩顶沉降较大.
(4) 在波浪荷载作用下,桩径越大,超静孔压越大,桩侧摩阻力越低,相同竖向荷载作用下的沉降越大.
参考文献
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