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墩柱结构及其海床土体在波浪作用下的动态响应

刘立平  
【摘要】:墩柱结构是一种常见的港口工程建筑物,正确求解作用在墩身的波浪荷载及研究其墩周围土体的稳定是确保结构稳定的重要前提条件。 对于圆形墩柱,根据其直径D与波长L的比值可分为小直径墩桩、大直径墩柱,并采用不同的波浪力计算理论计算其波浪力:对于小圆形墩柱(圆形直径D与波长L的比值D/L≤0.2),可忽略墩的存在对波动场的影响,采用小振幅波理论,一般按Morison公式计算。但当H/d≤0.2和a/L<0.2或是H/d>0.2和a/L<0.35的情况,用小振幅波理论算出的水质点水平速度明显偏小,因此应对按Morison公式算出的P_(D·max)和P_(D·max)值分别乘以修正系数α和β;对于0.04≤d/L≤0.2的情况,应对按Morison公式算出的P_(I·max)、M_(I·max)值分别乘以修正系数γ_p、γ_m。对于大圆形墩柱(圆形直径D与波长L的比值D/L>0.2),波浪向前推进遇到墩柱后,在柱面将产生一个向外散射的波,入射波与散射波的叠加达到稳态时,将形成一个新波动场,可假定其为势运动,以绕射理论为基础采用微幅波理论计算计算波浪力。 方桩因其具有棱角,分离点位于棱角处,当正向迎浪时,水流挑向二侧,涡漩离柱较远;而当斜向迎浪时,水流沿二斜面挑出,涡漩对柱的力影响较大,这种绕流现象富有典型性,明显不同于圆柱。其水动力系数的变化具有如下特点:即使KC数很小,也会产生涡及发生涡脱落现象,有相当大的阻力系数,各方向上的阻力系数均大于圆柱时的值,并导致其惯性力系数一般小于圆柱时的相应值;对总力而言,由于斜向45°时其迎浪面的柱宽为正向迎浪时柱宽的2~(1/2)倍,则整个柱上的受力在波浪水流条件不变时都是斜向45°迎浪时为大,比值一般超过2~(1/2)。 群墩结构上的波浪荷载通常可用线性波浪理论来求解。但是在浅水区由于波高较大、周期较长的波浪出现,就必需考虑非线性的影响了,这时可采用Stokes五阶波理论、椭圆余弦波理论等计算方法。作用在群墩中各组成墩上的波浪力与作用在弧立单墩时有显著不同,这是因为相距较近的各墩将发生相互影响(即所谓群墩效应)。影响群墩效应的几何因素有各墩间的相对距离、墩的个数、排列形式和所处的位置、波浪特征等物理因素。 作者借与挪威特隆赫姆大学、挪威国家水力学试验室横向学术合作之机对小间距圆墩列的水平波浪力进行了系统研究,并为此进行了物理模型试验研究。由于目前国内外关于小间距圆墩列的研究进行得较少,大部分文献中仅介绍了S/D≥1.5的群墩(桩)效应,对1.0<S/D<1.5时则未涉及,故本研究主要小间距圆墩列的波浪力。通过对所有试验数据的分析,可以得出下列结论:对于一给定波高可以找到一种周期使墩柱上的水平波浪力达到最大值,同一波高条件下,水平波浪力与周期并非呈线性变化;如不考虑沉箱上部平台仅考虑孤立沉箱,在考虑的三种水位条件下,水深对水平波浪力的影响不是很显著,特别是在波高较小的情况下;对于单墩,波向对其所受水平波浪力显然无影响,但对于群墩,则应考虑波浪的入射方向,并找到对结构稳定性最不利的波向,对于直线排列的墩群,波浪垂直作用于墩列时最为不利;当墩间距系数S/D由2.00向1.00变化时,水平波浪力呈增大趋势,且当波浪正向入射(θ= 武汉理工大学博士学位论文 墩柱结构及其海床土体在波浪作用下的动态响应(刘立平) 900)时尤为明显:两墩串列时,前墩所受群墩影响较显著,随着墩距的增大,两墩 的群墩系数呈波动变化,且波动幅值逐渐衰减,两墩并列时,墩柱所受的群墩影响较 轻,且随墩距的增大衰减较快。 零间距圆墩列(圆柱墙)波浪力的计算较为复杂,作者基于平面直立墙墙前波浪力 的计算,通过数学拟合手段对有关计算公式进行系数式的简化,首先推导出静水面以 上、以下的波压合力的简化计算公式叮=0.35成qH,、烈=鸿qHd,以及波浪浮托 力的简化计算公式月=0.57ClqHB,然后推导出圆柱墙波压合力简化计算公式 R’’=几叮、写=几只。 墩底的浮托力是基床内渗流在结构底面的上扬压力,在港口工程常见的特征参数 范围内采用线性绕射理论的一阶近似解计算墩柱底周波压强是可行的。墩柱底周波浪 浮托力的计算,可将按MaCcalny线性绕射理论求得墩柱底周表面波压强作为底面周边 压强,并假定墩底周边压强在波浪传播方向按线性分布,作者推导出墩柱底总浮托力 只绕墩边的浮托力矩林分别为:F一Zf(,口coso一,。)Rs‘n“(一Rs‘no)do=0·,‘,。, M;一咸,(夕,+0·25几)。 波浪和底床的相互作用,导致波浪的衰减和海床土层中应力场的变化。对质比较 软的海床,库仑摩擦是导致波衰减的最重要的力学机制:对正常固结的淤泥质海床来 说,当剪切波速接近于水波波速时,海床的运动幅度加大,由于库仑摩擦带来的波衰 减加大;在非固结淤泥质海床中,剪切波速比水波波速要小的多;对一般砂质海床, 其对波浪的影响比淤泥质底床要小1~2个量级。底床稳定性问题可以简化成波浪作 用下天然海底受力状态的研究。稳定性分析模型归纳起来大致可分为三类:第一类是 把土看成是多孔连续介质,孔隙水为不可压流体;第二类仍是把土看成是多孔连续介 质,但同时考虑了孔隙水的可压缩性;第


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