（岩土工程专业论文）高桩基础防撞试验及防撞设计新方法研究.pdf

摘要 随着全球经济的快速发展，越来越多的水上结构，如桥墩、钻井平台、水上 输电塔等陆续出现在世界各地，这些水上结构受船舶撞击事故的次数也越来越多。 因而水上结构防撞已成为其设计中的关键性问题，同时这一问题也成为具有广泛 意义的研究课题，日益引起各国政府、学者以及工程界的极大关注。 以高桩作为基础的防撞结构，如高桩防撞墩及柔性护墩桩式防撞系统等是目 前水上结构最为常见的防撞装置之一。目前水上结构防撞设计广泛沿用刚性桥墩 的防撞设计方法，对于撞击过程中将发生水平大变形的高桩基础式防撞结构不再 适用。因而有必要针对高桩基础式防撞系统开展深入的理论尤其是撞击试验研究， 并在此基础上探索新的工程设计方法。 本文针对高桩基础式防撞结构，考虑我国近海和通航江河中常见的粉土和软 粘土地基，通过水平静载试验和撞击试验揭示高桩基础及其防撞结构的防撞机理 及撞击荷载作用下的桩土动力相互作用规律，在此基础上研发适用于工程的高桩 基础防撞简化设计方法。主要工作和创新成果包括： ( 1 ) 研发了室内高桩基础撞击的大比例模型试验装置，开展了高桩基础的水 平静力大变形模型试验及不同撞击能量下的撞击模型试验，较为系统地揭示了高 桩基础的防撞机理及撞击过程中的复杂桩土动力相互作用规律，发现了撞击过程 中动态桩周土压力随桩身水平运动速度的变化特性以及动力p - y 曲线法无法反映 这一特性的缺陷。 ( 2 ) 开展了软粘土地基上现场大直径防撞桩的水平加载试验，系统获得了水 平加载过程中桩身变位、桩身弯矩及桩周土反力的规律及其相互关系，发现加载 速率对桩基水平变形影响明显，使得规范静力p y 曲线法对于快速加载问题的计算 结果较为保守，同时获得了桩周土压力随水平循环荷载变化的弱化规律。 ( 3 ) 开展了单排及双排柔性护墩桩式防撞系统的静载和撞击模型试验，系统 地比较了静载和撞击条件下单桩基础、单排桩防撞系统和双排桩防撞系统的吸能 特性，揭示了柔性护墩桩式防撞系统在水平静力和撞击荷载作用下复杂的空间受 力和变形特性，获得了简化设计方法安全系数随撞击能量变化的规律。 ( 4 ) 通过引入合理的船舶与防撞墩相互作用模型及桩基 j t p y 曲线法，建 i i i 立了船舶撞击高桩防撞墩的动力学分析模型；通过系统分析船头强度、混凝土防 撞墩质量、桩周土抗剪强度等参数对撞击过程的影响，发现船首强度仅影响撞击 力时程曲线，对桩顶最大水平位移和桩身最大弯矩的影响却不大，而高桩基础的 内力和变形基本只与船舶的初始动能和桩径有关；在此基础上提出了工程上适用 的高桩防撞墩基于能量控制的防撞设计新方法。 关键词：桩；水平大变形；防撞；撞击；模型试验；p - y 曲线；能量；设计方法 i v a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fg l o b a le c o n o m i c ，t h en u m b e ro fs t r u c t u r e si nw a t e r s u c ha sb r i d g ep i e r s ，t r a n s m i s s i o nt o w e r sa n do i lo rg a sd r i l l i n gp l a t f o r m si n c r e a s e d r a s t i c a l l yi nt h ew o r l d a sar e s u l t ，t h ep o s s i b i l i t yo fs h i pc o l l i s i o no nt h e s es t r u c t u r e i sa l s oi n c r e a s e i ti ss i g n i f i c a n tt os t u d yt h ep r o b l e mo ft h e i ra n t i - c o l l i s i o nw h i c hh a s b e e np a i dm u c ha t t e n t i o nb yg o v e m m e n t s ，s c h o l a r sa n d e n g i n e e r sr e c e n t l y t h ea n t i c o l l i s i o ns t r u c t u r eu s i n ge l e v a t e dp i l e sa st h ef o u n d a t i o n ，s u c ha st h ep i l e g r o u pa n t i - c o l l i s i o np i e ra n dt h ef l e x i b l ep i l e - s u p p o r t e da n t i c o l l i s i o ns y s t e m ，i so n eo f m o s tn o r m a lo n ei ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n p r e s e n t l y ，t h ea n t i c o l l i s i o nd e s i g nm e t h o d o ft h eb r i d g ep i e r 、析t l lav e r yl a r g el a t e r a ls t i f f n e s si sw i d e l yu s e df o rs t r u c t u r e si n w a t e r ，b u ti ti sn o ts u i t a b l ef o rt h ea n t i - c o l l i s i o ns t r u c t u r et a k i n ge l e v a t e dp i l e sa st h e f o u n d a t i o nw h i c hw i l lb e l a r g ed e f o r m e dd u r i n gt h e c o l l i s i o n s ot h es t u d yo n a n t i - c o l l i s i o no ft h e s es t r u c t u r e se s p e c i a l l yt h ei m p a c tm o d e lt e s t sa n dt h en e w d e s i g n m e t h o d sa r er e q u i r e df o re n g i n e e r i n gd e s i g n i nt h i st h e s i s ，t h es o i lt y p e si n a l lt e s t sw e r es i l ta n dc l a yw h i c ho f t e na p p e a ri n o f f s h o r ea r e aa n dr i v e r si nc h i n a b o t hl a t e r a ls t a t i ca n di m p a c tt e s t sw e r ec a r r i e do u t t os t u d yt h ea n t i - c o l l i s i o nm e c h a n i s ma n dd y n a m i ci n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ep i l ea n d s o i l ，b a s e do nw h i c hs e v e r a ls i m p l i f i e dd e s i g nm e t h o d sf o ra n t i c o l l i s i o ns t r u c t u r e so n e l e v a t e dp i l e sw e r ep r o p o s e d t h em a i nw o r ka n di n n o v a t i o n sa r el i s t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) al a r g e s c a l em o d e lf a c i l i t yw a sd e v e l o p e df o ri m p a c tm o d e lt e s t s ，a n db o t h l a t e r a ls t a t i ca n di m p a c tl a r g e - s c a l em o d e lt e s t so fa s i n g l ee l e v a t e dp i l es u b j e c t e dt o d i f f e r e n ti m p a c te n e r g yw e r ec a r r i e do u t t h ea n t i c o l l i s i o nm e c h a n i s ma n dd y n a m i c i n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ep i l ea n ds o i lw e r es t u d i e d ，a n dap r o p o s e ds t r u c t u r a li m p a c t m o d e lc o n s i d e r i n gt h ed y n a m i cl a r g el a t e r a ld e f l e c t i o no ft h ep i l eh a sb e e nv a l i d a t e d f u r t h e r ，as i m p l i f i e da n t i c o l l i s i o nd e s i g nm e t h o df o rt h ee l e v a t e dp i l ew a s p r o p o s e d ( 2 ) t h el a t e r a ls t a t i ct e s t so fi n - s i t ul a r g e d i a m e t e rp i l e si ns o f tc l a yw e r ea l s oc a r r i e d o u t t h eb e h a v i o r so ft h eh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n t s ，p i l es h a f tm o m e n t s ，a n dt h es o i l r e a c t i o na sw e l la st h e i rr e l a t i o n s h i pw e r es t u d i e d ，b a s e do nw h i c hs o m eg u i d e l i n e s v w e r eg i v e nf o rl a r g el a t e r a ld e f l e c t i o na n a l y s i so ft h ee l e v a t e dp i l e ( 3 ) b o t hs t a t i ca n di m p a c tm o d e lt e s t sw e r ec a r r i e do u tf o ras i n g l e r o wa n da t w o r o wf l e x i b l ep i l e - s u p p o r t e da n t i c o l l i s i o ns t r u c t u r e s t h eh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n t o fp i l e sa n da x i a lf o r c eo ft h ec o n n e c t i n gb e a m sw e r em e a s u r e d t h i sw o r kh a s r e v e a l e dt h e c o m p l i c a t e dc h a r a c t e r i s t i c so fs p a t i a l f o r c ea n dd e f o r m a t i o no ft h e s t n l c 眦a n dv a l i d a t e dt h ep r o p o s e de n e r g y c o n t r o lb a s e dd e s i g nm e t h o d i na d d i t i o n ， s o m eg u i d e l i n e sa n ds u g g e s t i o n sf o re n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nw e r ep r e s e n t e d ( 4 ) b yi n t r o d u c i n gar e a s o n a b l ei n t e r a c t i o nm o d e l o fs h i pa n da n t i - c o l l i s i o np i e ra n d d y n a m i cp - yc u r v em e t h o d ，t h ed y n a m i c sm o d e lo fe l e v a t e dp i l ei m p a c t e db ys h i pi s e s t a b l i s h e d t h r o u g ht h es y s t e m a t i ca n a l y s i so ft h ei n f l u e n c et oi m p a c tp r o c e s sb y d i f f e r e n tp a r a m e t e r s ，s u c ha sb o ws t r e n g t h ，w e i g h to fc o n c r e t ep i e r ，s h e a rs t r e n g t ho f s o i l ，a n ds oo n ，w ef o u n dt h eb o ws t r e n g t hj u s ta f f e c t st h ei m p a c tl o a d - t i m ec u r v e ，n o t t h em a x i m u mh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n ta n dt h em a x i m u mb e n d i n gm o m e n to ft h ep i l e w h i l et h ei n t e r n a lf o r c e sa n dd e f o r m a t i o na r eo n l yr e l e v a n tt oi n i t i a le n e r g ya n dp i l e d i a m e t e r b a s eo nt h e s e ，an e we n e r g y c o n t r o lb a s e dd e s i g nm e t h o dw a sp r o p o s e df o r t h ea n t i c o l l i s i o np i e ro ne l e v a t e dp i l e s k e y w o r d s ：p i l e ；l a r g ed e f o r m a t i o n ；a n t i c o l l i s i o n ；i m p a c t ；m o d e lt e s t ；p - yc u r v e ； e n e r g y ；d e s i g nm e t h o d 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙江太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者龋奄衅签字吼沙产年3 月侈日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙江太堂有权保留并向国家有关部门或机构 送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝江太堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 一躲街撕 签字日期： 砂p 年? 月汐日 导师签名：q 刍、舰 签字日期：矽r p 年弓月r 日 致谢 光阴似箭，近三年的硕士生涯即将圆满完成。正如老话所言，人生就像登山， 前面的路永远云雾缭绕，充满未知，走过的路仿佛就在眼前，清晰明朗。回顾这 三年求学之路，无不是在摸滚带爬中前行，幸运的是，在课题组所有老师的指导 下，虽然走过不少弯路，但总是朝着最终的目标靠近。导师陈云敏教授严谨的治 学态度、渊博的知识以及高瞻远瞩的眼光深刻地影响着我，让我非常钦佩，也让 我非常骄傲能够有幸成为陈老师的学生。同时，学生的成长也蒙受恩师的关心和 爱护。值此论文完成之际，谨向陈老师致以由衷的敬意和谢意，祝愿陈老师身体 健康，万事如意! 朱斌副教授对学生倾注了大量心血。朱老师知识渊博，思维敏捷，总是能在 我科研遇到困难的时候找到最巧妙的点子，最合理的解决方法，让我佩服得五体 投地。朱老师非常平易近人，使我在科研之余能够跟他愉快地探讨为人处世之道， 受益非浅。印象最深刻的是，朱老师教导了我认为对的事情一定要坚持不懈。借 此机会，向朱斌副教授表示衷心的感谢! 课题组陈仁朋教授、孔令刚副研究员、丁皓江教授、唐晓武教授、凌道盛教 授、詹良通教授、黄博副教授、柯瀚副教授，边学成副教授、周燕国老师等在学 业和生活上给予了我热情的帮助；浙江大学“软弱土与环境土工”教育部重点实验 室王顺玉、黄锦舒、郑龙华等老师对本文试验给予了大力支持，在此向他们表示 深深的谢意。 求学期间，学生承蒙高登、罗军、陈若曦、胡琦、贾官伟、罗耀武、任宇、 申文明、孔德琼、杨永轰、姜英伟等师兄弟的帮助得以在艰苦的求学生涯中保持 昂扬的斗志，感谢他们给我营造了团结协作，奋发向上的氛围。 感谢课题组王耀商、张革强、朱季、姜民、刘骏龙、管仁秋等同学，感谢龚 瑜、寿旋、谷川、胡学科、黄东、吴勇华、何萌、陈成振、焦丹、荆子菁、贺静 漪等等班上同学，和他们在一起生活，让我感觉三年的研究生生活过的非常愉快， 也非常难忘。相信我们能做一辈子的兄弟姐妹。 最后还要感谢我的父母，是他们，在我人生每一个关口给予支持，鼓励我勇 往直前，做我最坚强的后盾，谢谢你们! 在以后的工作和生活中，我会更加积极 努力，以更加优异的成绩来回报你们! 谨以此文献给我的恩师，我的家人，以及所有给予我关心和帮助的老师和朋 友。我将带着这三年满满的收获，带着所有人的殷切期望和美好祝愿踏上新的征 程。 i i 郭杰锋 2 0 1 0 年3 月于浙大求是园 浙江大学硕士学位论文高桩基础防撞试验及防撞设计新方法研究 1 1 研究背景 第一章绪论 随着全球经济的快速发展，越来越多的水上结构，如桥墩、钻井平台、水上输电塔 等陆续出现在世界各地。通航船舶对这些水上结构造成了严重的威胁据统计：武汉长 江大桥通车以来，其桥墩先后被撞6 0 余次，新近发生的广东九江大桥撞击事故造成了 巨大的经济损失和大量人员伤亡，引起了各级政府的高度关注。随着世界船舶总吨位和 船舶数量的大幅增长，水上结构受撞击的次数不断提高，撞击破坏损失也有所增加。因 而，水上结构防撞已成为其设计中的关键问题，同时这一问题也成为具有广泛意义的研 究课题，日益引起了各国政府、学者以及工程界的极大关注 浙江省经济发达、水网密布，四通八达的公路交通系统上分布着数量众多的桥梁， 每年水运航道上的船只撞击桥墩事故造成了重大的损失。另外，作为海洋大省，浙江省 的近海桥梁工程建设发展迅猛，这些桥梁如受大型船舶的撞击而失效，其社会影响及经 济损失将非常巨大。2 0 0 6 年8 月1 1 日，新加坡籍货轮顺流撞击了正在建设中的杭州湾 大桥桥墩，给大桥的建设造成了很大的影响。金塘大桥在建设过程中分别于2 0 0 8 年3 月2 7 日和2 0 0 9 年1 1 月1 6 日两次被船舶撞击。这些事故同时预示着我省这两座最大桥 梁在运营过程中再次被船舶撞击的可能性。 设置防撞设施是水上结构防撞的最直接有效措施，我国公路桥涵设计手册“桥梁 附属构造与支座”给出了几种典型的桥墩防撞装置应用实例( 金吉寅，1 9 9 9 ) ，现今水上 结构防撞装置按构造类型大体可以分为直接构造和间接构造。我国的直接构造式防撞系 统常采用防撞套箱( 见图1 1 ) 等，我国桥墩承台模板与防撞套箱一体化技术已日趋成 熟，大量学者也对防撞套箱的性能开展了较为深入的研究；而间接构造方式则多采用如 图1 2 1 4 所示的高桩基础防撞墩或护墩桩式防撞系统。这些高桩基础式防撞结构在被 船舶撞击过程中，船头发生一定的弹塑性变形，而高桩基础在巨大的水平撞击荷载作用 下将发生水平动力大变形以吸收船舶撞击能量。只有深入研究这一复杂动力过程及其能 量转移规律，才能建立合理的高桩防撞墩设计方法。 ，i t 似女 j 桩# 础目撞h 防撞设摒 沾研究 图1 1 桥墩防撞喜箱 目i2 桥墩防撞墩 即l3 荆州长江公路大桥护墩桩式防撞装置 * 5 【学顾 论z高桩基础撞试验防撞设计新方研究 a ) 输电塔基础及其防撞系统平面圈 ( b ) 建设中的防挂兼统 田l4 舟山与大陆鞋同输电线路工程海上输电塔秉性护墩柱式防撞系统 然而，遗憾的是，现有水上结构防拉设计方法广泛沿用桥墩防撞设计方法，仅适用 于类似桥墩的副性被撞击结构，而对于撞击过程中将发生水平大变形的高桩基础式防撞 系统不再适用( 郭杰锋等，2 0 1 0 ) 。如美国a a s h t o 的公路桥墩防撞设计指导文件 ( a a s h t o ，1 9 9 4 ) ，我国的铁犟桥梁设计基本规范( t b l 0 0 0 21 9 9 ) 及公路桥涵 设计通用规范( j t g d 6 0 2 0 0 4 ) 等，这些规范普遍采用经验公式估算撞击过程中的最 大撞击力，再根据n _ v 曲线洼或t 铽，法验算最大撞击力作用下的桩基水平位移及内力 这些估算的撞击力是毗被撞击结构刚度很大为基础的，对于高桩基础式防撞系统的防撞 设计并不适用。因而有必要针对高桩基础武防撞系统开展深入的理论和试验研究，并探 ro。r。o，_【。， 浙jl ：大学硕士学位论文高桩摹础防撞试验及防撞设计新方法研究 索新的工程设计方法。 另外，作者所在课题组和浙江省电力设计院联合研发了柔性护墩桩式防撞系统( 发 明专利申请号：2 0 0 91 0 1 55 0 3 7 0 ) ，并提出了相应的基于能量控制的防撞设计新方法( 罗 军，2 0 0 8 ；浙江大学岩土工程研究所和浙江省电力设计院，2 0 0 8 ) ，该设计新方法有必 要获得相应撞击模型试验的检验。 1 2 国内外研究现状 高桩基础防撞研究可以分为两部分：高桩基础的水平动力大变形及船舶与结构的动 力相互作用。国内外众多学者建立了桩基水平动力大变形的分析模型，包括非线性有限 元法、边界元法、非线性地基粱法等。其中，动力p - y 曲线法形式简单、计算效率高、 计算结果相对较精确，是进行高桩基础水平动力大变形分析的良好选择( 郭杰锋，2 0 1 0 ) 。 n a g g a r 和b a l d i n e l l i ( 2 0 0 0 ) 和n a g g a r 和b e n t l e y ( 2 0 0 0 ) 将桩周土分为近场单元和远场 单元，近场单元用非线性弹簧表示，远场单元用弹簧和阻尼器表示，两者相结合计算桩 周土反力，从而建立了桩基水平动力大变形分析的动力p - y 曲线法( 如图1 5 所示) 同 时，该研究小组开展了相应的模型试验( n a g g a r ，1 9 9 8 ) ，从获得的桩顶荷载位移 曲线来看，实测值与理论计算值较为接近( 见图1 6 和1 7 ) ，从而验证了所提出的动力 p y 曲线分析法。 图1 5 桩单元分析模型 4 浙江大学硕上学位论文高桩基础防撞试验及防撞设计新方法研究 柏 筠 萋篓 霰笔 l o 摹 o 图1 6 静动试验剖面图 0 0 0 2 戗锵0 ，0 80 0 ao ， 囊o 蠢礴5 筠绉钧筠柏 时间变形御嘲 图1 7 测得位移和荷载与动力p - y 曲线模型计算值比较 对于船舶与结构之间的动力相互作用，已有研究大多采用三维有限元法进行分析。 c o n s o l a z i o 和c o w a n ( 2 0 0 3 ) 建立了船墩撞击的复杂的三维有限元模型，进行了船墩 撞击的数值模拟，如图1 8 和1 9 所示计算得到了撞击力和变形之间的关系，如图1 1 0 所示。比较不同桩径对撞击响应的影响，发现撞击力随撞深单调增大，而桩墩的直径对 撞击性能的影响不大。与美国a a s h t o 规范进行比较，发现规范建议值比较保守，在 撞深较小时，规范撞击力较小，而在撞深较大时，撞击力比有限元计算大了近一倍，如 图1 1 1 所示。国内也有大量学者采用商业三维有限元分析船舶与桥墩结构之间的相互作 用，如李升玉等( 2 0 0 6 ) 及刘建成和顾永宁( 2 0 0 3 ) 这些分析过程精细、复杂，但是 计算效率较低 浙 牛学位论z高桩摹础障撞h 验防撞设”新 沽研究 图l8 船墩撞击有限元模型 酉19 船舶撞击变形 i l f 鼻攀 j 一 一。目c 硝。 罗 口。唑!影砰警研 旧黜笨：l s i t 。啪h “啡l * u 图1 1 0 撞击力壹形曲线 童= 一r 口# 浙大学硬士学位论文 高桩基础防撞试骢厦防擅设计新方法研究 田1 1 l 与a a s h t o 规范的比鞋 为了简化三维有限元分析，c o n s o l a z i o 和c o w a n ( 2 0 0 5 ) ，z h u ( 2 0 0 5 ) 及z h u 和 l e u n g ( 2 0 0 6 慢出将船舶与被撞击结构的相互作用简化为一个非线性弹簧，而船舶被简 化为一个质量块( 如图1 1 2 所示) c o n s o l a z l o 和c o w a a ( 2 0 0 5 ) 认为该非线性弹簧的 力一位移关系可采用p b - a b 关系( 如图1 1 3 所示) 来描述，并通过静力有限元模型计算 得到与三维有限元模型计算结果比较可知，两者的撞击力肿程曲线吻合很好 单自由废船模块 图11 2 船只和栝墩撞击分析模型 浙汀大学硕士学位论文 高桩基础防掩试验及防撞设计新方法研究 c )口口- 一 ( b ) b 图1 1 3 非线性撞击曲线p b a b 对于水上结构的撞击试验，c o n s o l a z i oe ta 1 ( 2 0 0 5 ) 在美国佛罗里达州一个废弃桥 梁上做了全尺寸的现场撞击试验，如图1 2 4 所示，得到了很多宝贵的试验数据。这些试 验主要是弹性撞击试验。得到的撞击力时程曲线如图1 2 5 所示，与朱斌( 2 0 0 7 ) 弹性碰 撞模型的计算情况规律一致。但是试验撞击力第一个峰值明显大于模型值，这是因为弹 性碰撞下，撞击力的第一个峰值取决于船头和结构的刚度，如果船头的刚度过大，则在 第一个峰值过后，船与结构会短暂分离。与a a s h t o 规范比较可以发现，最大撞击力 均小于规范计算值，如图1 2 6 所示 图1 1 4 船只撞击桥墩示意图 8 广一 a 一p 气 浙ii ：大学硕士学位论文高桩基础防撞试验及防撞设计新方法研究 。j 4 ! 6 1 _ h 括毒1 够 每 d ! ! 少i 2a y 曳a 一 图1 1 5 船头撞击力时程曲线 图1 1 6 试验最大撞击力与规范计算值比较 从已有文献来看，三维有限元是目前分析船舶撞击水上结构的主要分析手段。然而 他们存在两方面的不足：( 1 ) 三维有限元建模复杂，需考虑复杂的材料非线性、结构几 何非线性及船舶与被撞击结构之间的接触非线性，计算效率较低，且一般需借助商业有 限元软件；( 2 ) 考虑到桩土之间复杂的动力相互作用，且对于桥墩等较大刚度结构，撞 击过程中桩基础的水平变位相对于船头的变形量很小，所以高桩基础的水平变形分析通 常被忽略或者简化。本文将重点针对以上两种不足，在课题组已有研究的基础上，主要 通过室内撞击模型试验和现场试验揭示高桩基础的防撞机理，撞击过程中的能量传递规 律以及桩土动力相互作用，并进一步完善高桩基础基于能量控制的防撞设计方法 9 6 5 4 3 2 1 o n 邑r 佰鞲 浙 i ：大学硕士学位论文高桩基础防撞试验及防撞设计新方法研究 1 3 本文的主要工作及技术路线 1 3 1 本文主要的研究工作 本文在已有研究的基础上，针对水平刚度相对较低的高桩基础，考虑我国近海和通 航江河中常见的粉土和软粘土地基，研究高桩基础的防撞机理，并探索柔性高桩基础的 防撞新方法。具体而言，主要完成了如下工作： ( 1 ) 研发了室内高桩基础撞击的大比例模型试验装置，开展了高桩基础的水平静 力大变形模型试验及不同撞击能量下的撞击模型试验，揭示了高桩基础的防撞机理及撞 击过程中的桩土动力相互作用规律，并验证了作者所在课题组提出的考虑高桩基础水平 动力大变形的撞击分析模型。 ( 2 ) 开展了软粘土地基上现场大直径防撞桩的水平加载试验，系统获得了水平加 载过程中桩身变位、桩身弯矩及桩周土反力的规律及其相互关系，为软粘土地基上高桩 基础的水平大变形分析提供了指导。 ( 3 ) 开展了单排及双排柔性护墩桩式防撞系统的静载和撞击模型试验，获得了水 平静载及撞击条件下高桩基础的水平位移及连系粱轴力，验证了已有柔性护墩桩式防撞 系统基于能量控制的防撞设计新方法，并为工程设计提供了指导和建议。 ( 4 ) 通过引入合理的船舶与防撞墩相互作用模型及桩基动力p - y 曲线法，建立了 船舶撞击高桩防撞墩的动力学分析模型，并系统分析了船头强度、混凝土防撞墩质量、 桩周土抗剪强度等参数对撞击过程的影响，通过深入分析撞击能量传递规律提出了工程 上适用的基于能量控制的防撞设计新方法。 1 3 2 技术路线 本文的研究分为三阶段：第一阶段通过撞击模型试验及现场试验，揭示撞击荷载作 用下高桩基础的水平大变形性状，同时验证基于动力p - y 曲线模型的高桩基础撞击动力 分析方法；第二阶段在上述研究的基础上重点研究高桩防撞墩和柔性护墩桩式防撞系统 的防撞机理；最终研发其工程简化设计方法。根据以上内容，制定了相关技术路线，如 图1 1 7 所示。 l o 浙i i = 大学硕上学位论文高桩基础防撞试验及防撞设计新方法研究 ；高桩防撞墩防； 撞枧理； 、。 。 | 柔性护墩桩式防；| 撞击及静力加； l 撞系统防撞机理fi载模型试验 ； 少 r “、 l 工程篱化设计方法| 图1 1 7 研究技术路线 浙： 1 = 人学硕士学位论文 高桩基础防撞试验及防撞设计新方法研究 第二章高桩基础水平静动力变形分析方法和试验研究 2 1 高桩水平静动力变形及撞击分析模型 目前，承受水平力的桩身内力和变形计算方法主要有传统的“m ”法和p - y 曲线法， p - y 曲线法又分为静力p - y 曲线法和动力p - y 曲线法。“m ”法假设土的水平地基抗力系数 随深度z 呈线性增加，k = m z ，其中m 是与地基性质有关的系数。我国现行大多数设 计规范均采用这种方法。p - y 曲线法的基本思想是沿桩深度方向将桩周土应力应变关系 用一组曲线来表示，即p - y 曲线。动力p - y 曲线法是在静力p - y 曲线法的基础上，考虑 桩周土的动刚度和阻尼。 下面针对舟山现场防撞桩，比较三种分析方法计算结果的不同，相关计算参数见浙 江大学岩土工程研究所和浙江省电力设计院( 2 0 0 8o 计算得到桩顶荷载一位移曲线如 图2 1 所示。由于规范“m ”法是一种线性方法，因而其荷载一位移曲线为一条直线， 且计算得到的桩基水平刚度较大相对而言，考虑了桩周土非线性的静力p - y 曲线法计 算出的桩基水平刚度要小的多，且呈非线性。同时，由于考虑了桩周土的阻尼，动力p - y 曲线法计算结果虽然也呈非线性，但是所得到的桩基水平动刚度较桩基水平静刚度大。 因而，针对撞击荷载作用下的桩基水平大变形分析，理应采用合理考虑了桩周土非线性 和阻尼的桩土动力相互作用方法，本文采用动力p - y 曲线法 至 螽 枢 瞽 辑 图2 1 不同方法得到的桩顶荷载位移曲线比较 罗军( 2 0 0 8 ) 和朱斌等( 2 0 1 0 ) 基于动力p - y 曲线法提出了考虑桩身水平大变形的 1 2 浙江大学硕上学位论文高桩基础防撞试验及防掩设计新方法研究 高桩基础撞击动力分析模型，如图2 2 所示。考虑船舶与桩承式结构之间为弹性碰撞， 并且它们之间的接触刚度为缸对于给定运动船舶的质量( 连同附连水质量) m 及初始 速度圪，在，f ( ，= z s ) 时刻船舶对柔性桩承式结构的撞击力为： p ( t = ) = 一m 。五= k a t = k 。( 五一乃1 n 1 ) ( 2 1 ) 其中：a 为弹簧压缩量，y 血为f ，时刻在桩承式结构上被撞击点的水平位移，五为时 刻船舶自撞击开始起的位移，置为f ，时刻船舶的加速度。五和毫可以由n e w m a r k p 法 按下式计算： 五= 五一。+ s 毫一，+ 手葛一。+ 詈置 ( 2 2 ) 毫= e y _ 1 t - 詈l - t - i - 置) ( 2 3 ) 联立方程式( 2 1 ) 一( 2 3 ) ，并结合桩基基于动力p - y 曲线法的动力方程，可获得船舶 和柔性桩承式结构在乙时刻的动力响应和撞击力，进而得到撞击系统的整个撞击动态过 程。如果撞击部位刚度较大，则时刻的计算撞击力可能小于零，也就是说撞击过程中 船舶与桩承式结构可能脱开，则此时将船舶与结构之间的接触刚度k 设为0 。整个撞击 求解过程如图2 所示。 ， v 自 喇 上 掣 囟 图2 2 船舶对柔性桩承式结构的撞击分析模型 浙il ：人学硕士学位论文高桩摹础防掩试验及防撞设计新方法研究 注：f ，分别为非线性迭代次数、桩段及时间段编号 图2 3 柔性撞击求解框图 这种撞击体与高桩基础之间的动力相互作用分析模型考虑了撞击体和高桩基础之 间的弹塑性相互作用以及高桩基础的水平动力大变形，比较符合工程实际情况，然而其 有效性有待获得进一步的撞击模型试验验证。同时，撞击过程中的桩土复杂动力相互作 用也有待进一步的模型试验研究。 2 2 单桩水平静载及撞击室内大比例模型试验 本试验的主要目的是：研究高桩基础在水平撞击荷载下的变形和受力性状及其防撞 机理。通过开展水平静力加载试验、不同撞击速度的撞击试验及不同撞击体质量的撞击 试验，综合比较分析静、动力荷载作用下高桩基础的水平受力和变形性状，以及撞击能 量对高桩基础变形特性的影响 为了达到上述试验目的，共开展了三组高桩基础的模型试验：第一组为水平静载试 验；第二组为撞击质量m o 为3 1 1 5 k g ，初始速度分别v o 为l m s 、2 m s 、2 5 m s 、3 m s 1 4 浙大学颤学位论文 高桩基础防撞试验及踌撞设计新方法研究 的弹性撞击试验；第三组为撞击质量为4 3 34 k g ，初始速度为0 8 5 州s 的弹性撞击试验， 同相同撞击能量情况( 撞击质量为3 1 1 5 k ，初始速度为l m s ) 进行比较试验过程中 的主要测试手段为：通过土压盍测量牲周的土压力变化；通过孔压计测量撞击过程中桩 周土的动孔压变化；通过压电陶瓷弯曲元c p t 和相应的室内土体参数试验等获得模型 槽地基土的基本参数 2 21 试验设备及方案 桩基模型试验主要分为土工离心机试验和l g 条件下的模型试验，l g 条件下的大比 例模型试验中土体颗粒的尺寸效应和模型的边界效应相对鞍小，同时，模型的边界、初 始条件和施工条件较容易控制，监测仪器的埋设和量剥相对容易因而，试验的可操作 性更强，测试数据更为准确和全面。更可以和数值分析相结合，将具有更强的生命力 因而l g 条件下的大比例模型试验是桩基受力及变形分析的重要手段本文桩基大比例 模型试验在浙江大学自行研制的大型地基与边坡工程模型试验系统( 国家专利： z l 2 0 0 7 1 0 0 6 9 8 6 68 ) 中进行有关该模型试验系统的详细介绍见j i ae ta l ( 2 0 0 9 ) 及罗军 ( 2 0 0 8 ) 圈2 4 浙江大学大型地基与边城模型试验系统 结合模型槽的试验条件，试验桩取外径1 5 9 t r i m ，壁厚45 m m 的有缝闭口铜管桩， 柱长45 m ，所有试验的高桩自由高度均取1 2 m ，加载点在桩顶根据水平加载柱的影 响范围7 d ，模型槽尺寸及桩位布置如图2 5 所示每个柱位对应的试验安排如表21 所 1 5 浙 i 学顾学位地文高桩摹；防撞试验防撞设计新 法研究 示， 如图2 6 所示，沿模型桩桩身表面布置1 4 道测量弯矩的电阻应变片组，每一组应变 片连成垒桥，封胺进行保护处理在泥面以下1 1 5 c m 处桩身内嵌一只孔压计( 型号 c y g 7 1 5 ) 。泥面以下1 85 c m 和5 0 e r a 处分别埋设两只微型土压盒( 型号c y g 7 1 2 ，直径 3 c m ) 两只微型土压力盒和一只微型孔压计均内嵌在桩身侧壁，且表面与桩身外表面齐 平。在模型桩内安装测斜管，测量桩身沿深度方向的水平位移，测斜管与模型桩管壁问 用细砂填充在模型桩桩顶和水面处布置高精度l v d t ( d c - s e ) 和加速度计 ( 8 7 7 6 a 5 0 m 3 ) ，测量撞击荷载下桩顶及水面处的位移和加速度。撞击器上安装动态力 传感器( c l y d 3 0 5 ) 和加速度计，测量动态撞击力和撞击器的加速度。加速度计配套 的放大器为5 1 3 4 b l ( e ) ，力传巷器配套的放大器为y e 5 8 5 2 a ，所有静动态传感器数据均 通过n j 动态数据采集系统( 7 7 6 5 7 2 0 0 和7 7 7 9 6 6 2 0 ) 全程采集记录。 圈2 5 试验桩布置图 表2 i 备桂位试验安 | 表 试验桩 p lp 2p 3p 4p 5p 6 试验 静载雌撞击, m o = 3 ，1 嚣1 5 k 瀑觚m 菇。一3 3 巍4 k g , 内容 浙江大学硬学位论文自桩摹础防墙试验爱防撞设计新方法研究 a c l 月# 目 况面 7 、 l _i 压盘 厦孔压计 哼 应女h i 圈2 6 试验柱柱身传感器布置示意固 模型试验地基土采用钱塘江砂质粉土，其额粒级配曲线见j i ae ta 1 ( 2 0 0 9 ) ，土粒比 重为2 6 9 ，塑限为2 26 ，液限为3 1 7 地基填筑时候填土的含水量为1 7 0 p 2 1 ，填土 目标密度为1 7 5 9 c m 3 ( 如图2 7 所示) 控制每层填土夯实后厚度为2 0 c m ，因此每层填 土质量为8 5 t 通过模型槽底部管目饱和地基饱和后测得含水量为2 85 左右( 见圈 2 g ) ，饱和重度为1 93 k n l m 3 ，剪切波速约9 0 1 0 0 m s ( 见圈2 9 ) 关于地基填土的其 它参数见附录1 干密度( g c 一) ( a ) 千密度b ) 密度 图2 7 填土时地基土的干密度和密度沿深度变化 目啊目茸圜 浙f r 人学萌士学位论文 高桩基础防掩试验驶防撞设计新方法研究 圈2 8 饱和后多次测得含水量君罪度变化圉2 9 饱和后不同澈发期率下剪切溲速沿深度变化 按岩土工程勘察规范( g b t5 0 0 2 1 2 0 0 1 ) 对图25 中每个桩位进行了双桥静力 触探试验，试验结果如图2 1 0 所示可以看到，地基土的端阻总体均句性茛好，倒阻在 泥面下15 m 处较大，再往下又比较均匀因为桩蜡在泥面啦下33 8 m 处，其下土层影 响不大桂学玲等( 2 0 0 6 ) 给出了砂土地基静力触探值与其内摩擦角的关系，由该关系 可知模型糟粉砂土平均内摩擦角约为3 0 0 燕 酬 鲁 赠 舞 a ) 靖阻瞳桩漾壹亿( b ，黄阻瞳桩豫变忱 圈2 1 0 饱和地基c p t 测试结果 根据桩身弯矩分布，为了堆确剥得桩身霄矩，设计泥面下桩身布置1 4 对全桥应变 片，具体位置如图2 1 1 所示模型桩内部安装了稿斜管和土压盒、孔压计等一系列量测 仪器，并填充了细砂，对原铜管桩的刚度产生一定的影响，需对模型柱抗弯刚度进行标 新江大学两士学位论文矗蛀基础时簟试擎拄盼设计衙方法研究 定本次试验采用简支粱_ ；圭进行标定。在加戴点w 处安装l v d t 量测桩身加羲点处的 挠度标定结果如田2 1 2 所示桥路2 ，3 。4 因为距膏土压盍和孔压计埋设位i 较近， 线性不是很理想其余轿路绞性及斜率都比较符合试验中，采用此标定结果进行计算 铜管的屈履应力o = 2 1 5 m p a ，由材料力学公式可以获得桩身的屈服弯矩： = 毕；阶了o l = 业铲丛吱1 7 5 3 0 腹埘) ( 2 1 】 桩顶弹性吸能善由4 撮相同弹簧组成，整体标定结果如圈2 1 3 所示最大能够承受荷戴 2 0 k n 左右